1、 HYPERLINK /shushiqiankun/blog/item/5b440afac394f01fa8d311f6 /shushiqiankun/blog/item/5b440afac394f01fa8d311f6. html熱釋電人體紅外線傳感器的原理和應(yīng)用2007-04-16 09:58 P.M.熱釋電人體紅外線傳感器的原理和應(yīng)用卿太全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?，F(xiàn)在，已得到越 來越廣泛的應(yīng)用。目前，一些書刊只簡(jiǎn)要介紹了被動(dòng)式熱釋電人體紅外線傳感器的基本應(yīng)用。本 文就主動(dòng)式和被動(dòng)式兩方面的基本應(yīng)用原理作一大致介紹。一、熱釋電人體紅外線傳感器的基本

2、結(jié)構(gòu)和原理目前，市場(chǎng)上出現(xiàn)的熱釋電人體紅外線傳感器主要有上海產(chǎn)的SD02、PH5324,德國產(chǎn)的LH1954、 LH1958，美國 HAMAMATSU 公司產(chǎn) P2288，日本 NIPPON CERAMIC 公司的 SCA02-1、RS02D 等。雖然 它們的型號(hào)不一樣，但其結(jié)構(gòu)、外型和電參數(shù)大致相同，大部分可以彼此互換使用。熱釋電人體紅外線傳感器（以下簡(jiǎn)稱：傳感器）由敏感單元、阻抗變換器和濾光窗等三大 部分組成。圖1為P2288、SD02、SCA02-1的外形圖。圖1a為它們的頂視圖，其中較大的矩形部 分為濾光窗，兩個(gè)虛線框矩形為敏感單元，面積約2x1mm2，間距1mm。圖1b為側(cè)視圖；圖1

3、c 為底視圖；它們的監(jiān)視、探測(cè)角度如圖1a、d，其中參數(shù)為SCA02-1的數(shù)據(jù)，其它兩種的參數(shù)大 致相同。敏感單元其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1a及圖2。對(duì)不同的傳感器來說，敏感單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。這些材料再做成很薄的薄片，每一片薄片相 對(duì)的兩面各引出一根電極，在電極兩端則形成一個(gè)等效的小電容，如圖2中的P1、P2。因?yàn)檫@ 兩個(gè)小電容是做在同一硅晶片上的，而它們形成的等效小電容能自身產(chǎn)生極化，極化的結(jié)果是， 在電容的兩端產(chǎn)生極性相反的正、負(fù)電荷。但這兩個(gè)電容的極性是相反串聯(lián)的。這正是傳感器的 獨(dú)特設(shè)計(jì)之處，因而使得它具有獨(dú)特的抗干擾性

4、。當(dāng)傳感器沒有檢測(cè)到人體輻射出的紅外線信號(hào)時(shí)，由于P1、P2自身產(chǎn)生極化，在電容的兩 端產(chǎn)生極性相反、電量相等的正、負(fù)電荷，而這兩個(gè)電容的極性是相反串聯(lián)的，所以，正、負(fù)電 荷相互抵消，回路中無電流，傳感器無輸出。當(dāng)人體靜止在傳感器的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)時(shí)，照射到P1、P2上的紅外線光能能量相等，且達(dá)到平衡， 極性相反、能量相等的光電流在回路中相互抵消。傳感器仍然沒有信號(hào)輸出。同理，在燈光或陽 光下，因陽光移動(dòng)的速度非常緩慢，P1、P2上的紅外線光能能量仍然可以看作是相等的，且在 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(duì)紅外光的波 長的敏感范圍很窄（一般為515um）

5、，因此，傳感器對(duì)它們不敏感。當(dāng)環(huán)境溫度變化而引起傳感器本身的溫度發(fā)生變化時(shí)，因P1、P2做在同一硅晶片上的，它 所產(chǎn)生的極性相反、能量相等的光電流在回路中仍然相互抵消，傳感器無輸出。從原理上講，任何發(fā)熱體都會(huì)產(chǎn)生紅外線，熱釋電人體紅外線傳感器對(duì)紅外線的敏感程度 主要表現(xiàn)在傳感器敏感單元的溫度所發(fā)生的變化，而溫度的變化導(dǎo)致電信號(hào)的產(chǎn)生。環(huán)境與自身 的溫度變化由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了它不向外輸出信號(hào)；而傳感器的低頻響應(yīng)（一般為0.110Hz） 和對(duì)特定波長紅外線（一般為515um）的響應(yīng)決定了傳感器只對(duì)外界的紅外線的輻射而引起傳 感器的溫度的變化而敏感，而這種變化對(duì)人體而言就是移動(dòng)。所以，傳感器對(duì)人體的

6、移動(dòng)或運(yùn)動(dòng) 敏感，對(duì)靜止或移動(dòng)很緩慢的人體不敏感；它可以抗可見光和大部分紅外線的干擾。濾光窗它是由一塊薄玻璃片鍍上多層濾光層薄膜而成的，如圖2中的M，濾光窗能有效地濾除 7.014um波長以外的紅外線。例如，SCA02-1對(duì)7.514um波長的紅外線的穿透量為70%，在6.5um 處時(shí)下降為65%，而在5.0um處時(shí)陡降為0.1%； P2288的響應(yīng)波長為614um，中心波長為10um。物體發(fā)射出的紅外線輻射能，最強(qiáng)波長和溫度的關(guān)系滿足入m*T=2989（um.k）（其中入m 為最大波長，T為絕對(duì)溫度）。人體的正常體溫為3637.5。C，即309310.5K，其輻射的最強(qiáng) 的紅外線的波長為入m

7、=2989/（309310.5）=9.679.64um，中心波長為9.65um。因此，人體輻 射的最強(qiáng)的紅外線的波長正好落在濾光窗的響應(yīng)波長（714um）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。綜上所述，傳感器只對(duì)移動(dòng)或運(yùn)動(dòng)的人體和體溫近似人體的物體起作用。菲涅爾透鏡不使用菲涅爾透鏡時(shí)傳感器的探測(cè)半徑不足2米，只有配合菲涅爾透鏡使用才能發(fā) 揮最大作用。配上菲涅爾透鏡時(shí)傳感器的探測(cè)半徑可達(dá)到10米。例如，一些傳感器對(duì)遠(yuǎn)在20 米處快速行駛的汽車?yán)锏娜梭w也能可靠地檢測(cè)到。菲涅爾透鏡采用塑料片制作而成。圖3為它的 平面

8、圖。從圖中可以看出，透鏡在水平方向上分寸成3個(gè)部分，每一部分在豎直方向上又等分成 若干不同的區(qū)域。最上面部分的每一等份為一個(gè)透鏡單元，它們由一個(gè)個(gè)同心圓構(gòu)成，同心圓圓 心在透鏡單元內(nèi)。中間和下半部分的每一等份也為分別一個(gè)透鏡單元，同樣由同心圓構(gòu)成，但同 心圓圓心不在透鏡單元內(nèi)。當(dāng)光線通過這些透鏡單元后，就會(huì)形成明暗相間的可見區(qū)和盲區(qū)。由 于每一個(gè)透鏡單元只有一個(gè)很小的視角，視角內(nèi)為可見區(qū)，視角外為盲區(qū)。任何兩個(gè)相鄰?fù)哥R單 元之間均以一個(gè)盲區(qū)和可見區(qū)相間隔，它們斷續(xù)而不重疊和交叉，如圖3b。這樣，當(dāng)把透鏡放 在傳感器正前方的適當(dāng)位置時(shí)，運(yùn)動(dòng)的人體一旦出現(xiàn)在透鏡的前方，人體輻射出的紅外線通過透 鏡

9、后在傳感器上形成不斷交替變化的陰影區(qū)（盲區(qū)）和明亮區(qū)（可見區(qū)），使傳感器表面的溫度 不斷發(fā)生變化，從而輸出電信號(hào)。也可以這樣理解，人體在檢測(cè)區(qū)內(nèi)活動(dòng)時(shí)，一離開一個(gè)透鏡單 元的視場(chǎng)，又會(huì)立即進(jìn)入另一個(gè)透鏡單元的視場(chǎng)，（因?yàn)橄噜復(fù)哥R單元之間相隔很近），傳感器 上就出現(xiàn)隨人體移動(dòng)的盲區(qū)和可見區(qū)，導(dǎo)致傳感器的溫度變化，而輸出電信號(hào)。菲涅爾透鏡不僅可以形成可見區(qū)和盲區(qū)，還有聚焦作用，其焦點(diǎn)一般為5厘米左右，實(shí)際應(yīng)用時(shí)， 應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況或資料提供的說明調(diào)整菲涅爾透鏡與傳感器之間的距離，一般把透鏡固定在傳感 器正前方15厘米的地方。菲涅爾透鏡一般采用聚乙烯塑料片制成，顏色為乳白色或黑色，呈半透明狀，但對(duì)波長

10、為10um 左右的紅外線來說卻是透明的。表1為熱釋電人體紅外線傳感器SCA02-1的主要電參數(shù)。二、熱釋電人體紅外線傳感器的基本應(yīng)用圖4是由P2288或SCA02-1構(gòu)成的熱釋電人體紅外線傳感器檢測(cè)與放大電路。表1項(xiàng)目參數(shù)條件電源電壓2.210.0V源極電壓0.32.0V25. C源極阻抗 47KQId=643uA電平衡10%Max）頻率響應(yīng) 0.330Hz 12db （Max）響應(yīng)波長7.514um平均大于70%工作溫度-10+50。C圖4PY1為傳感器P2288或SCA02-1, IC1為低噪聲高速運(yùn)算放大器LM358等。PY1檢測(cè)到人體 紅外線信號(hào)后，從2腳輸出極微弱的電信號(hào)直接輸入同相放大器IC1a放大約2500倍，再從1 腳輸出一定幅度的信號(hào)，再經(jīng)電容C8耦合到反相放大器IC1b進(jìn)一步放大。IC2構(gòu)成窗口式電壓 比較器，當(dāng)IC1b的7腳電壓幅度在Ua和Ub的幅值之間時(shí)，IC2的1、7腳無輸出；當(dāng)IC1b的7 腳電壓幅度大于Ub的幅值時(shí)，IC2的7腳輸出高電平；當(dāng)IC1b的7腳電壓幅度低于Ua的幅值 時(shí)，IC2的1腳輸出高電平；經(jīng)D1、D2相互隔離和“或”的作用，從P點(diǎn)輸出高電平控制信號(hào)。 R11用于設(shè)置窗口的閥值電平，調(diào)節(jié)R11可以調(diào)整檢測(cè)器的靈敏度。P點(diǎn)輸出