一文讀懂熱釋電傳感器的原理與應用

熱釋電紅外傳感器是一種非常有應用潛力的傳感器。它能檢測人或某些動(dòng)物****的紅外線(xiàn)并轉換成電信號輸出，是一種能檢測人體****的紅外線(xiàn)的新型高靈敏度紅外探測元件。它能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線(xiàn)能量的變化，并將其轉換成電壓信號輸出。將輸出的電壓信號加以放大，便可驅動(dòng)各種控制電路，如作電源開(kāi)關(guān)控制、防盜防火報警等。

早在1938年，有人就提出利用熱釋電效應探測紅外輻射，但并未受到重視。直到六十年代，隨著(zhù)激光、紅外技術(shù)的迅速發(fā)展，才又推動(dòng)了對熱釋電效應的研究和對熱釋電晶體的應用開(kāi)發(fā)。

熱釋電效應

當一些晶體受熱時(shí)，在晶體兩端將會(huì )產(chǎn)生數量相等而符號相反的電荷，這種由于熱變化產(chǎn)生的電極化現象，被稱(chēng)為熱釋電效應。

通常，晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被來(lái)自空氣中附著(zhù)在晶體表面的自由電子所中和，其自發(fā)極化電矩不能表現出來(lái)。當溫度變化時(shí)，晶體結構中的正負電荷重心相對移位，自發(fā)極化發(fā)生變化，晶體表面就會(huì )產(chǎn)生電荷耗盡，而電荷耗盡情況正比于極化程度。

能產(chǎn)生熱釋電效應的晶體稱(chēng)之為熱釋電體或熱釋電元件。熱釋電元件常用的材料有單晶(LiTaO3 等)、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釋電效應，這是一種對溫度敏感的傳感器。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，在元件兩個(gè)表面做成電極，在傳感器監測范圍內溫度有ΔT的變化時(shí)，熱釋電效應會(huì )在兩個(gè)電極上會(huì )產(chǎn)生電荷ΔQ，即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱的電壓ΔV。由于它的輸出阻抗極高，在傳感器中有一個(gè)場(chǎng)效應管進(jìn)行阻抗變換。熱釋電效應所產(chǎn)生的電荷ΔQ會(huì )被空氣中的離子所結合而消失，即當環(huán)境溫度穩定不變時(shí)，ΔT=0，則傳感器無(wú)輸出。當人體進(jìn)入檢測區，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產(chǎn)生ΔT，則有ΔT輸出;若人體進(jìn)入檢測區后不動(dòng)，則溫度沒(méi)有變化，傳感器也沒(méi)有輸出了。所以這種傳感器檢測人體或者動(dòng)物的活動(dòng)傳感。

熱釋電紅外線(xiàn)傳感器結構

普通熱釋電人體紅外線(xiàn)傳感器的外形如圖所示，D腳和S腳分別為內部場(chǎng)效應管的漏極和源極的引出端，G腳為內部敏感元件的接地引出端。因S和G之間懸空，故使用時(shí)其間應接輸出電阻R，才能輸出傳感信號。為了增強抗干擾能力，在此電阻上應并一個(gè)電容C。傳感器由敏感單元、濾光窗和菲涅爾透鏡組成。

敏感單元

敏感單元的等效電路如圖所示，內部敏感材料做成很薄的薄片，每一薄片相對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，因為這兩個(gè)小電容是做在同一硅晶片上的，且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。這正是傳感器的獨特設計之處，因而使得它具有獨特的抗干擾性。

當傳感器沒(méi)有檢測到人體輻射出的紅外線(xiàn)信號時(shí)，由于C1、C2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、負電荷，而這兩個(gè)電容的極性是相反串聯(lián)的，所以，正、負電荷相互抵消，回路中不產(chǎn)生電流，傳感器無(wú)輸出。

當人體靜止在傳感器的檢測區域內時(shí)，照射到C1、C2上的紅外線(xiàn)光能能量相等，且達到平衡，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(méi)有信號輸出。同理，在燈光或陽(yáng)光下，因陽(yáng)光移動(dòng)的速度非常緩慢，C1、C2上的紅外線(xiàn)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頻率很低(一般為0.1~10Hz)，即傳感器對紅外光的波長(cháng)的敏感范圍很窄(一般為5~15um)，因此，傳感器對它們不敏感。

當環(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C1、C2做在同一硅晶片上，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(wú)輸出。

只有當人體移動(dòng)時(shí)，紅外輻射引傳感器敏感單元的兩個(gè)等效電容產(chǎn)生不同的極化電荷時(shí)，才會(huì )向外輸出電信號。所以，這種傳感器只對人體的移動(dòng)或運動(dòng)敏感，對靜止或移動(dòng)很緩慢的人體不敏感，且對可見(jiàn)光和大部分紅外線(xiàn)具有良好的抗干擾能力。

濾光窗

它是由一塊薄玻璃片鍍上多層濾光層薄膜而成的，濾光窗能有效地濾除7.0~14μm波長(cháng)以外的紅外線(xiàn)。例如，SCA02-1對 7.5~14μm波長(cháng)的紅外線(xiàn)的穿透量為70%，在6.5μm處時(shí)下降為65%，而在5.0μm處時(shí)陡降為0.1%，有效地保證了對人體紅外線(xiàn)的選擇性。

因為，物體****出的紅外線(xiàn)輻射能，最強波長(cháng)和溫度的關(guān)系滿(mǎn)足λm×T=2989(μmk)(其中λm為最大波長(cháng)，T為絕對溫度)。人體的正常體溫為 36~37.5℃，即309~310.5K，其最強紅外線(xiàn)的波長(cháng)為λm=2989/(309~310.5)=9.67~9.64μm，中心波長(cháng)為9.65μm。因此，人體輻射的最強紅外線(xiàn)的波長(cháng)正好落在濾光窗的響應波長(cháng)(7~14μm)的中心。所以，濾光窗能有效地讓人體輻射的紅外線(xiàn)通過(guò)，而最大限度地阻止陽(yáng)光、燈光等可見(jiàn)光中的紅外線(xiàn)通過(guò)，以免引起干擾。

菲涅爾透鏡

不使用菲涅爾透鏡時(shí)傳感器的探測半徑不足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)傳感器的探測半徑可達到10米。

菲涅爾透鏡用聚乙烯塑料片制成，顏色為乳白色或黑色，呈半透明狀，但對波長(cháng)為10um左右的紅外線(xiàn)來(lái)說(shuō)卻是透明的。其外形為半球，透鏡在水平方向上分成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)同心圓構成，同心圓圓心在透鏡單元內。中間和下半部分的每一等份也為分別一個(gè)透鏡單元，同樣由同心圓構成，但同心圓圓心不在透鏡單元內。

當光線(xiàn)通過(guò)這些透鏡單元后，就會(huì )形成明暗相間的可見(jiàn)區和盲區。由于每一個(gè)透鏡單元只有一個(gè)很小的視角，視角內為可見(jiàn)區，視角外為盲區。任何兩個(gè)相鄰透鏡單元之間均以一個(gè)盲區和可見(jiàn)區相間隔，它們斷續而不重疊和交叉。這樣，當把透鏡放在傳感器正前方的適當位置時(shí)，運動(dòng)的人體一旦出現在透鏡的前方，人體輻射出的紅外線(xiàn)通過(guò)透鏡后在傳感器上形成不斷交替變化的陰影區(盲區)和明亮區(可見(jiàn)區)，使傳感器表面的溫度不斷發(fā)生變化，從而輸出電信號。

也可以這樣理解，人體在檢測區內活動(dòng)時(shí)，一離開(kāi)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)，(因為相鄰透鏡單元之間相隔很近)，傳感器上就出現隨人體移動(dòng)的盲區和可見(jiàn)區，導致傳感器的溫度變化，而輸出電信號。

菲涅爾透鏡不僅可以形成可見(jiàn)區和盲區，還有聚焦作用，其焦點(diǎn)一般為5厘米左右，實(shí)際應用時(shí)，應根據實(shí)際情況或資料提供的說(shuō)明調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1~5厘米的地方。

被動(dòng)式熱釋電紅外傳感器的工作原理與特點(diǎn)

在自然界，任何高于絕對溫度(-273K)時(shí)物體都將產(chǎn)生紅外光譜，不同溫度的物體，其釋放的紅外能量的波長(cháng)是不一樣的，因此紅外波長(cháng)與溫度的高低是相關(guān)的。而且輻射能量的大小與物體表面溫度有關(guān)。

人體都有恒定的體溫，一般在37度，所以會(huì )發(fā)出10微米左右特定波長(cháng)的紅外線(xiàn)，被動(dòng)式紅外探頭就是靠探測人體****的紅外線(xiàn)而進(jìn)行工作的。紅外線(xiàn)通過(guò)菲涅耳濾光片增強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，后經(jīng)檢測處理后就能產(chǎn)生報警信號。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，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)生釋電效應相互抵消，于是探測器無(wú)信號輸出。

被動(dòng)式熱釋電紅外探頭的優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：

1、被動(dòng)紅外傳感器本身不發(fā)任何類(lèi)型的輻射，隱蔽性好;

2、器件功耗很小;

3、價(jià)格低廉。

缺點(diǎn)：

1、信號幅度小，容易受各種熱源、光源干擾;

2、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。

3、易受射頻輻射的干擾。

4、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。

5、被動(dòng)紅外探測器的主要檢測的運動(dòng)方向為橫向運動(dòng)方向，對徑向方向運動(dòng)的物體檢測能力比較差。

熱釋電紅外傳感器的應用

熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感、熱輻射探測器等。除了在樓道自動(dòng)開(kāi)關(guān)、防盜報警上得到應用外，在更多的領(lǐng)域得到應用。例如：在房間無(wú)人時(shí)會(huì )自動(dòng)停機的空調機、飲水機;電視機能判斷無(wú)人觀(guān)看或觀(guān)眾已經(jīng)睡覺(jué)后自動(dòng)關(guān)機的電路;人靠近時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟監視器或自動(dòng)門(mén)鈴;攝影機或數碼照相機自動(dòng)記錄動(dòng)物或人的活動(dòng);……

自動(dòng)門(mén)

在自動(dòng)門(mén)領(lǐng)域中，被動(dòng)式人體熱釋電紅外線(xiàn)感應開(kāi)關(guān)的應用非常廣泛，因其性能穩定且能長(cháng)期穩定可靠工作而受到廣大用戶(hù)的歡迎，這種開(kāi)關(guān)主要由人體熱釋電紅外線(xiàn)傳感器、信號處理電路、控制及執行電路、電源電路等幾部分組成。

熱釋電紅外自動(dòng)門(mén)主要由光學(xué)系統、熱釋電紅外傳感器、信號濾波和放大、信號處理和自動(dòng)門(mén)電路等幾部分組成。菲涅爾透鏡可以將人體輻射的紅外線(xiàn)聚焦到熱釋電紅外探測元上，同時(shí)也產(chǎn)生交替變化的紅外輻射高靈敏區和盲區，以適應熱釋電探測元要求信號不斷變化的特性;熱釋電紅外傳感器是報警器設計中的核心器件，它可以把人體的紅外信號轉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(jìn)行放大、濾波、延遲、比較，為功能的實(shí)現打下基礎。

人體感應燈

智能空調

智能空調能探測出室內是否有人及人是靜止還是活動(dòng)，據此自動(dòng)控制開(kāi)關(guān)機、制冷(熱)量及室溫，以達到節能和人性化的目的。