紅外線傳感器的發(fā)展與應(yīng)用

1、I I y /L1J LJ/人IJ一、弓1言宇宙間的任何物體只要其溫度超過零度就能產(chǎn)生紅外輻射，事實(shí)上同可見光一樣， 其輻射能夠進(jìn)行折射和反射，這樣便產(chǎn)生了紅外技術(shù)利用紅外光探測器因其獨(dú)有的優(yōu)越 性而得到廣泛的重視，并在軍事和名用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。軍事上，紅外探測用于 制導(dǎo)、火控跟蹤、警戒、目標(biāo)偵查、武器熱瞄準(zhǔn)器、艦船導(dǎo)航等。在民用領(lǐng)域，廣泛應(yīng) 用于工業(yè)設(shè)備監(jiān)控、安全監(jiān)視、救災(zāi)、遙感、交通管理以及醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)等。紅外探測 就是用儀器接受被探測物發(fā)出或者反射的紅外線從而掌握被測物所處位置的技術(shù)。作為 紅外探測系統(tǒng)的核心期間，紅外傳感器（也稱為紅外探測器）的研究成為一個(gè)熱點(diǎn)。二、紅外傳感器的綜

2、述2.1紅外傳感器的定義紅外線傳感器（n frared tran sducer ）是用紅外線的物理性質(zhì)來進(jìn)行測量的 傳 感器。紅外線又稱紅外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。它是一種不可 見光，其光譜位于可見光中紅色以外，所以稱紅外線。工程上把紅外線占據(jù)在電磁波譜中 的位置（波段）分為：近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外、極遠(yuǎn)紅外四個(gè)波段。任何物質(zhì)，只要它 本身具有一定的濕度（高于絕對零度），都能輻射紅外線。2.2特點(diǎn)紅外線傳感器測量時(shí)不與被測物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，響 應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。2.3 可測量的物理量紅外線傳感器常用于無接觸溫度測量，氣體成分分析和無損探傷，在醫(yī)學(xué)、軍

3、事、空 間技術(shù)和環(huán)境工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。2.4紅外傳感器的原理紅外線傳感器是利用物體產(chǎn)生紅外輻射的特性，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測的傳感器。在物理學(xué)中， 我們已經(jīng)知道可見光、不可見光、紅外光及無線電等都是電磁波，它們之間的差別只是波 長（或頻率）的不同而已。下面是將各種不同的電磁波按照波（或頻率）排成如下圖所示 的波譜圖，稱之為電磁波譜。#LJ*Aft #LJ*Aft 1、M1Jr嚴(yán)謠對大* 材匚茲4站MO 410 衣 J-10*MT8 10MO-麗鼻；中任” :17*,4fr i If i U # Jt M-iTbisIJ上.曰0 MflAKO.+SPM T/7Qfri oil電磁波波譜圖從圖中可以看

4、出，紅外線屬于不可見光波的范疇，它的波長一般在0.76 -600 P m 之間(稱為紅外區(qū)。而紅外區(qū)通常又可分為近紅外(0.731.5 Pm)、中紅外(1.5 10 Pm)和遠(yuǎn)紅外(10 P m以上)300 P m以上的區(qū)域 又 稱為“亞毫米波。近年來，紅外輻射技術(shù)已成為一門發(fā)展迅速的新興學(xué)科。 他已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、科研、軍事、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。2.4.1紅外輻射的產(chǎn)生及其性質(zhì)紅外輻射是由于物體(固體、液體和氣體)內(nèi)部分子的轉(zhuǎn)動(dòng)及振動(dòng)而產(chǎn)生的。這類 振動(dòng)過程是物體受熱而引起的，只有在絕對零度(-273.16 C)時(shí)，一切物體的分子才會(huì)停止運(yùn)動(dòng)。所以在絕對零度時(shí)，沒有一種物體會(huì)發(fā)射紅外線。換言之

5、， 在一般的常溫下，所有的物體都是紅外輻射的發(fā)射源。例如火焰、軸承、汽車、飛機(jī)、 動(dòng)植物甚至人體等都是紅外輻射源。紅外線和所有的電磁波一樣，具有反射、折射散射 干涉及吸收等性質(zhì)，但它的持點(diǎn)是熱如非常大，紳b線在真空中傳播的速度c=3X108nZ s，而在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)的吸收和散射作用使它產(chǎn)生衰減。紅外傳感器的組成紅外線傳感器包括光學(xué)系統(tǒng)、檢測元件和轉(zhuǎn)換電路，主要有兩部分組成：紅外輻射 源，有紅外輻射的物體就可以視為紅外輻射源；紅外探測器，能將紅外輻射能轉(zhuǎn)換為電 能的光敏器件。紅外傳感系統(tǒng)的分類紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測量系統(tǒng)，按照功能能夠分成五類：(1)輻射計(jì)，用于輻射和光譜測量

6、；(2)搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確 定其空間位置并對它的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤；(3)熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個(gè)目標(biāo)紅外輻射的 分布圖象；(4)紅外測距和通信系統(tǒng)；(5)混合系統(tǒng)，是指以各類系統(tǒng)中的兩個(gè)或者 多個(gè)的組合。2.4.4紅外傳感器工作原理：(1 )待側(cè)目標(biāo)。根據(jù)待側(cè)目標(biāo)的紅外輻射特性可進(jìn)行紅外系統(tǒng)的設(shè)定。#LJ大氣衰減。待測目標(biāo)的紅外輻射通過地球大氣層時(shí)，由于氣體分子各種氣 體以及各種溶膠粒的散射和吸收，將使得紅外源發(fā)出的紅外輻射發(fā)生衰減。才城wxem。 匕城wx臼t小口丫口|。/丁紅刀、干田與ymp刊k紅砂白m。于由達(dá)天線，常用是物鏡。輻射調(diào)制器。對來自待測目標(biāo)的輻射調(diào)制成交變的

7、輻射光，提供目標(biāo)方位 信息，并可濾除大面積的干擾信號。又稱調(diào)制盤和斬波器，它具有多種結(jié)構(gòu)。紅外探測器。這是紅外系統(tǒng)的核心。它是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所 呈現(xiàn)出來的物理效應(yīng)探測紅外輻射的傳感器，多數(shù)情況下是利用這種相互作用所呈現(xiàn)出 來的電學(xué)效應(yīng)。此類探測器可分為光子探測器和熱敏感探測器兩大類型。探測器制冷器。由于某些探測器必須要在低溫下工作，所以相應(yīng)的系統(tǒng)必 須有制冷設(shè)備。經(jīng)過制冷，設(shè)備可以縮短響應(yīng)時(shí)間，提高探測靈敏度。信號處理系統(tǒng)。將探測的信號進(jìn)行放大、濾波，并從這些信號中提取出信 息。然后將此類信息轉(zhuǎn)化成為所需要的格式，最后輸送到控制設(shè)備或者顯示器中。顯示設(shè)備。這是紅外設(shè)備的終端設(shè)備。常

8、用的顯示器有示波器、顯象管、 紅外感光材料、指示儀器和記錄儀等。三、產(chǎn)品介紹一一熱釋電紅外傳感器3.1簡介熱釋電紅外傳感器簡稱熱釋電傳感器，通常用字胃“ PIR ”表示。熱釋電紅外傳 感器是一種非常有應(yīng)用潛力的傳感器它能檢測人或某些動(dòng)物發(fā)射的紅外線并轉(zhuǎn)換成電信 號輸出。早衽1938年，有人就提出利用熱釋電效應(yīng)探測紅外輻射，但并未受到重視。直 到六十年代，隨著激光、紅外技術(shù)的迅速發(fā)展，才又推動(dòng)了對熱釋電效應(yīng)的研究和對熱 釋電晶體的應(yīng)用開發(fā)。近年來，伴隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，以及對該傳感器的特性的深入研究，相尖的專用集成電路處理技術(shù)也迅增 長。3.2熱釋電效應(yīng)當(dāng)一些晶體受熱時(shí)，在晶體兩端將會(huì)產(chǎn)

9、生數(shù)量相等而符號相反的電荷，這種由于 熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象，被稱為熱釋電效應(yīng)。通常，晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷 被來自空氣中附著在晶體表面的自由電子所中和，其自發(fā)極化電矩不能表現(xiàn)出來。當(dāng)溫度變化時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)中的正負(fù)電荷重心相對移位，自發(fā)極化發(fā)生變 化，晶體表面就會(huì)產(chǎn)生電荷耗盡，電荷耗盡的狀況正比于極化程度，圖1表示了熱釋電 效應(yīng)形成的原理。I IAMkTIK熱釋電敢應(yīng)的形成熄理Ino/I Wl-Tdo |/十、I2 ”WI、十十u I I，I I J/ IJ LJ I P l-T mno/H曰 單晶（LiTaO3 ）、壓電陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）熱釋電傳感器利用的正 是熱

10、釋電效應(yīng)，是一種溫度敏感傳感器。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，元件兩 個(gè)表面做成電極，當(dāng)傳感器監(jiān)測范圍內(nèi)溫度有AT的變化時(shí)，熱釋電效應(yīng)會(huì)在兩個(gè) 電極上會(huì)產(chǎn)生電荷 Q,即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱電壓 V。由于它的 輸出阻抗 極 高，所以傳感器中有一個(gè)場效應(yīng)管進(jìn)行阻抗變換。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷。會(huì)跟空氣中的離子所結(jié)合而消失，當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時(shí)， T=0,傳感器無輸出。當(dāng)人體進(jìn)入檢測區(qū)時(shí)，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產(chǎn)生則有信 號輸出；若人體進(jìn)入檢測區(qū)后不動(dòng)，則溫度沒有變化，傳感器也沒有輸出，所以 這種傳感器能檢測人體或者動(dòng)物的活動(dòng)。熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路如下圖所 示。傳感器主要有外

11、殼、濾光片、熱釋電元件PZT場效應(yīng)管FET等組成。其中，濾光片設(shè)置在窗口處，組成紅外線通過的窗口。濾光片為6mn多層膜干涉 濾光片，對太陽光和熒光燈光的短波長（約5mm以下）可很好濾除。熱 釋電元件PZT將波長在8mml加之間的紅外信號的微弱變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，為了?對人體的紅外輻射敏感，在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的菲涅耳濾光片，使環(huán)境的 干擾受到明顯的抑制作用。菲涅耳透鏡菲涅耳透鏡日匚/土n咫琬氐土nrw必，于匚紅刀兒紜刀可兀心/pLi目心, 馮心乂日丞床 口丫 * 用，使熱釋電人體紅外傳感器（PIR）靈敏度大大增加。菲涅耳透鏡折射式和反射式兩種 形式，其作用一是聚焦作用，將熱釋的紅外信號

12、折射（反射）在PIR上；二正/|寸t少次干I 次心叩口口日心,I丈近/t少次ugcu個(gè)夕wj物I令閂匕然皿/又又 rbcun 工3工 PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號這樣PIR就能產(chǎn)生變化電信號。如果我們在熱電元件接上 適當(dāng)?shù)碾娮?，?dāng)元件受熱時(shí)，電阻上就有電流流過，在兩端得到電壓信 號。四、具體應(yīng)用一一被動(dòng)式熱釋電紅外傳感器4.1被動(dòng)式熱釋電紅外傳感器的工作原理與特性在自然界，任何高于絕對溫度(-273K)的物體都將產(chǎn)生紅外光譜，不同溫度的物體釋放的 紅外能量的波長是不一樣的，因此紅外波長與溫度的高低是相矢的，而且輻射能量的大 小與物體表面溫度有尖。人體都有恒定的體溫，一般在37(左右，會(huì)發(fā)出10

13、 .左右特定波長的紅外線，被動(dòng)式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的 紅外線而進(jìn)行工作的。紅外線通過菲涅耳濾光片增強(qiáng)后聚集到熱釋電元件，這種元件在接 收到人體紅外輻射變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，后檢測處理后就能產(chǎn)生報(bào)警 信號。被動(dòng)紅外探頭，其傳感器包含兩個(gè)互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元件，而且制成的兩個(gè) 電極化方向正好相反(見熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路圖)環(huán)境背景輻射對兩個(gè)熱 釋元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應(yīng)相互抵消，于是探測器無信號輸出。4.2抗干擾f生能：1、防小動(dòng)物干擾：探測器安裝在推薦地使用高度，對探測范圍內(nèi)地面上地小動(dòng)物， 一般不產(chǎn)生報(bào)警。2、抗電磁干擾：探測器的抗電磁波

14、干擾性能符合GB10408中461要求，一般手機(jī)電 磁干擾不會(huì)引起誤報(bào)。3、抗燈光干擾：探測器在正常靈敏度的范圍內(nèi)，受3米外H4鹵素?zé)敉高^玻璃照射， 不產(chǎn)生報(bào)警。4.4優(yōu)缺點(diǎn)不同于主動(dòng)式紅外傳感器，被動(dòng)紅外傳感器本身不發(fā)任何類型的輻射，隱蔽性好，器 件功耗很小，價(jià)格低廉。但是，被動(dòng)式熱釋電傳感器也有缺點(diǎn)，如：信號幅度小，容 易受各種熱源、光源干擾；被動(dòng)紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被 探頭接收；易受射頻輻射的干擾；環(huán)境溫度和人體溫度接近時(shí)，探測和靈敏度明顯 下降，有時(shí)造成短時(shí)失靈；被動(dòng)紅外探測器的主要檢測的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)闄M向運(yùn)動(dòng)方向5 對徑向方向運(yùn)動(dòng)的物體檢測能力比較差。4.5建議改

15、進(jìn)措施從安裝上消除誤報(bào)率紅外線熱釋電傳感器只能安裝也有限定，其誤報(bào) 率與安裝的位置和方式有極大的尖系。正確的安裝應(yīng)滿足下列條件：紅外線熱釋電傳感器應(yīng)離地面2.0-2.2米。紅外線熱釋電傳感器遠(yuǎn)離空調(diào)冰箱，火爐等空氣溫度變化敏感的地方。紅外線熱釋電傳感器探測范圍內(nèi)不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔離物。紅外線熱釋電傳感器不要直對窗口，否則窗外的熱氣流擾動(dòng)和人員走動(dòng)會(huì)引起 誤報(bào)，有條件的最好把窗簾拉上。紅外線熱釋電傳感器也不要安裝在有強(qiáng)氣利用菲涅耳原理提高熱釋電紅外傳感器的敏感度菲涅耳透鏡根據(jù)菲涅耳原理制成， 利用透鏡的特殊光學(xué)原理，把紅外光線分成可見區(qū)和肓區(qū)，在探測器前方產(chǎn)生一個(gè)交替 變化的“盲區(qū)

16、”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(shí)， 人體發(fā)出的紅外線就不斷地交替從“盲區(qū)”進(jìn)入“高靈敏區(qū)”，這樣就使 接收到的紅外 信號以忽強(qiáng)忽弱的脈沖形式輸入，從而增強(qiáng)其能量幅度，同時(shí)又有聚焦的作用，使熱釋 電人體紅外傳感器（PIR）靈敏度大大增加。由此可知，熱釋電紅外傳感器應(yīng)與非涅爾透 鏡配合使用，才能提高其靈敏度。消除干擾紅外線本身發(fā)出的是幾乎恒頻的電磁波，除此之外為了抗干擾或避免互相 干擾，要對其進(jìn)行調(diào)制，一次調(diào)制是恒頻的載波，若要是分辨出具體指令，還需要用指 令信號對載波進(jìn)行調(diào)制，其實(shí)是二次調(diào)制了。此處可以具體問題，具體調(diào)制。增加光譜選擇性熱釋電紅外傳感器的工作原理為熱

17、電晶體的熱釋電效應(yīng)。（由于熱釋電探測器的性能隨著熱量的下降而降低，所以良好的熱絕緣結(jié)構(gòu)是制作高性能熱 釋電探測器的尖鍵，其內(nèi)部的熱電元由高熱電系數(shù)的鐵鈦酸鉛汞陶瓷以及鈕酸鋰、硫酸 三甘鐵等配合濾光鏡片窗口組成），就熱釋電傳感器器來說，響應(yīng)時(shí)間較長，但相應(yīng) 來說響應(yīng)速度慢。為毫秒級，峰值探測率低，由于響應(yīng)波段較寬，且沒有光譜選擇性， 所以需加濾光片，用來解決既定問題。雖然被動(dòng)式熱釋電紅外探頭有些缺點(diǎn)，但是利用 特殊信號處理方法后，仍然使它在某些領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景因此，有很多生產(chǎn)商根 據(jù)PIR傳感器的特性設(shè)計(jì)了專用信號處理器、比 HOLTEK HT761、PTI PT8A26XXP WELTR

18、END 町 8072,BISS0001 本文此處對 PTI （百利通電子有限公司）專用芯片PT8A26XXP乍一個(gè)應(yīng)用實(shí)例的介紹，用以對其 信號缺陷方面的改進(jìn)措施作具體闡述。卻侍巾榷廬*144卻侍巾榷廬*144占G扎 1I LLI 2$T 那,I*-川血應(yīng)壬壬 框入休忌應(yīng)開矢的肓號處理過程川血應(yīng)壬壬 框入休忌應(yīng)開矢的肓號處理過程人體感應(yīng)開尖方框圖中陰影部分是PIR信號處理部分，有兩個(gè)運(yùn)算放大器、一個(gè)窗口比 較器、一個(gè)穩(wěn)壓、一個(gè)系統(tǒng)振蕩器和一個(gè)邏輯控制器。其它是依賴處理結(jié)果的控制部分，這里重點(diǎn)介三口 r 信號處理部分，控制部分就簡單略過。由于PIR信號變化緩慢、幅值小，針對該特點(diǎn)，專用信號處理器一般分為三步處理，具體 處理步驟如下：濾波放大：普通PIR傳感器輸出信號幅值一般都很小，大約幾百微伏到幾毫伏， 為了后續(xù)電路能作有效的處理，考慮到傳感器的信噪比，通常取增益72 5dB，通帶0 3Hz7Hz。同時(shí)，由于是處理模擬小信號，所以為了保證放大器的工 作穩(wěn)定可靠，電路中特別集成了一個(gè)穩(wěn)壓器用于給傳感器、放大器和比較器供電。窗口比較器：經(jīng)過放大后的信號通過窗口比較器后檢出滿足幅值要求的信號 后，再轉(zhuǎn)換成一系列數(shù)字脈沖信號。噪聲抑制數(shù)字信號處理：根據(jù)對人體運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)以及傳感器的特性的長期研究，用 固定時(shí)間內(nèi)計(jì)脈沖個(gè)數(shù)和測脈沖寬度的方法來甄別有效的人