人體熱釋電紅外線傳感器的原理和應(yīng)用

1、人體熱釋電紅外線傳感器的原理和應(yīng)用熱釋電人體紅外線傳感器是上世紀(jì)80年代末期出現(xiàn)的一種新型傳感器件。熱釋電紅外傳感器不受白天黑夜的影響，可晝夜不停地用于監(jiān)測，廣泛地用于防盜報警。本文就熱釋電人體紅外線傳感器的基本原理及應(yīng)用作以大致介紹：一、熱釋電人體紅外線傳感器的基本結(jié)構(gòu)和原理熱釋電紅外(PIR)傳感器，亦稱為熱紅外傳感器，是一種能檢測人體發(fā)射的紅外線的新型高靈敏度紅外探測元件。熱釋電傳感器實物圖如圖所示。它能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出。將輸出的電壓信號加以放大，便可驅(qū)動各種控制電路，如作電源開關(guān)控制、防盜防火報警等。目前市場上常見的熱釋電人體紅外線

2、傳感器主要有上海賽拉公司的SD02、PH5324,德國Perkinelmer公司的LHi954、LHi958，美國Hamastsu公司的P2288,日本NipponCeramic公司的SCA02-1、RS02D等。雖然它們的型號不一樣，但其結(jié)構(gòu)、外型和特性參數(shù)大致相同，大部分可以彼此互換使用。熱釋電紅外線傳感器由探測元、濾光窗和場效應(yīng)管阻抗變換器等三大部分組成，如圖下圖所示。對不同的傳感器來說，探測元的制造材料有所不同。如SD02的敏感單元由鋯鈦酸鉛制成；P2288由LiTaO3制成。將這些材料做成很薄的薄片，每一片薄片相對的兩面各引出一根電極，在電極兩端則形成一個等效的小電容。因為這兩個小電

3、容是做在同一硅晶片上的，因此形成的等效小電容能自身產(chǎn)生極化，在電容的兩端產(chǎn)生極性相反的正、負(fù)電荷。傳感器中兩個電容是極性相反串聯(lián)的。謎光片正負(fù)電荷相互抵消，回路中無電流,內(nèi)時，照射到兩個電容上的紅外線光能量相等的光電流在回路中相互抵當(dāng)傳感器沒有檢測到人體輻射出的紅外線信號時，在電容兩端產(chǎn)生極性相反、電量相等的正、負(fù)電荷，所以，傳感器無輸出。當(dāng)人體靜止在傳感器的檢測區(qū)域能能量相等，且達到平衡，極性相反、消，傳感器仍然沒有信號輸出。當(dāng)人體在傳感器的檢測區(qū)域內(nèi)移動時，照射到兩個電容上的紅外線能量不相等，光電流在回路中不能相互抵消，傳感器有信號輸出。綜上所述，傳感器只對移動或運動的人體和體溫近似人體的

4、物體起作用。濾光窗是由一塊薄玻璃片鍍上多層濾光層薄膜而成的，能夠有效地濾除7.014um波長以外的紅外線。人體的正常體溫為3637.5C,即309310.5K，其輻射的最強的紅外線的波長為入m=2989/(309310.5)=9.679.64um,中心波長為9.65um,正好落在濾光窗的響應(yīng)波長的中心。所以，濾光窗能有效地讓人體輻射的紅外線通過，而最大限度地阻止陽光、燈光等可見光中的紅外線的通過，以免引起干擾。熱釋電紅外傳感器在結(jié)構(gòu)上引入場效應(yīng)管的目的在于完成阻抗變換。由于探測元輸出的是電荷信號，不能直接使用，因而需要將其轉(zhuǎn)換為電壓形式。場效應(yīng)管輸入阻抗高達104MQ,接成共漏極形式來完成阻抗

5、變換。使用時D端接電源正極，G端接電源負(fù)極，S端為信號輸出。對于移動速度非常緩慢的物體，如陽光，兩個電容上的紅外線光能能量仍然可以看作是相等的，在回路中相互抵消；再加上傳感器的響應(yīng)頻率很低(一般為0.110Hz)，即傳感器對紅外光的波長的敏感范圍很窄(一般為515um)，因此，傳感器對它們不敏感，因而無輸出。被動式紅外報警器主要由光學(xué)系統(tǒng)、熱釋電紅外傳感器、信號濾波和放大、信號處理和報警電路等幾部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。圖中，菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學(xué)原理，在探測器前方產(chǎn)生一個交替變化的“盲區(qū)”和“高靈敏區(qū)”，以提高它的探測接收靈敏度。當(dāng)有人從透鏡前走過時，人體發(fā)出的紅外線就不斷地交替

6、從“盲區(qū)”進入“高靈敏區(qū)”，這樣就使接收到的紅外信號以忽強忽弱的脈沖形式輸入，從而加強其能量幅度。熱釋電紅外傳感器是報警器設(shè)計中的核心器件，它可以把人體的紅外信號轉(zhuǎn)換為電信號以供信號處理部分使用；信號處理主要是把傳感器輸出的微弱電信號進行放大、濾波、延遲、比較，為報警功能的實現(xiàn)打下基礎(chǔ)。圖3報警器結(jié)構(gòu)圖報警器結(jié)構(gòu)圖是將待測目標(biāo)、菲涅爾透鏡、熱釋電紅外傳感器相結(jié)合使用時的工作原理示意圖。人體輻射的紅外線中心波長為910um，而探測元件的波長靈敏度在0.220um范圍內(nèi)幾乎穩(wěn)定不變。在傳感器頂端開設(shè)了一個裝有濾光鏡片的窗口，這個濾光片可通過光的波長范圍為710um,正好適合于人體紅外輻射的探測，而

7、對其它波長的紅外線由濾光片予以吸收，這樣便形成了一種專門用作探測人體輻射的紅外線傳感器。如圖4所示。人體紅外線探測報警器本機靜態(tài)工作電流約10mA，接通電源約1分鐘后進入守候狀態(tài)，只要有人進入監(jiān)視區(qū)便會報警，人離開后約1分鐘停止報警。如果將訊響器改為繼電器驅(qū)動其它裝置即作為其它控制用。這次我們介紹的報警器是利用探測人體發(fā)出的紅外線由紅外線傳感器、信號放大電路、電壓比較器、紅外線探測傳感器IC1探測到前方人體輻射出的紅外線信號時，由IC1的腳輸出微弱的電信號，經(jīng)三極管VT1等組成第一級放大電路放大，再通過C2輸入到運算放大器IC2中進行高增益、低噪聲放大，此時由IC2A腳輸出的信號已足夠強。IC

8、2B作電壓比較器，它的第腳由R10、VD1提供基準(zhǔn)電壓，當(dāng)IC2A腳輸出的信號電壓到達IC2B的腳時，兩個輸入端的電壓進行比較，此時IC2B的腳由原來的高電平變?yōu)榈碗娖?。IC4為報警延時電路，R14和C6組成延時電路，其時間約為1分鐘。當(dāng)IC3的腳變?yōu)榈碗娖綍r，C6通過VD2放電，此時IC4的腳變?yōu)榈碗娖?，它與IC4的腳基準(zhǔn)電壓進行比較，當(dāng)它低于其基準(zhǔn)電壓時，IC4的腳變?yōu)楦唠娖?，VT2導(dǎo)通，訊響器BL通電發(fā)出報警聲。人體的紅外線信號消失后，IC3的腳又恢復(fù)高電平輸出，此時VD2截止。由于C6兩端的電壓不能突變，故通過R14向C6緩慢充電，當(dāng)C6兩端的電壓高于其基準(zhǔn)電壓時，IC4的腳才變?yōu)榈碗娖?，時間約為1分鐘，即持續(xù)1分鐘報警。由VT3、R20、C8組成開機延時電路，時間也約為1分鐘，它的設(shè)置主要是防止使用者開機后立即報警，好讓使用者有足夠的時間離開監(jiān)視現(xiàn)場，同時可防止停電后又來電時產(chǎn)生誤報。該裝置采用912V直流電源供電，由T降壓，全橋U整流，CIO濾波，檢測電路采用IC578L06供電。本裝置交直流兩用，自動無間斷轉(zhuǎn)換。制作時，在IC1傳