第7章 红外热释电传感器

第7章红外热释电传感器宋玉宏主要内容•概述•热释电效应•被动式热释电红外传感器的工作原理与特性•被动式热释电红外探头的优缺点•热释电红外传感器应用电路一、概述•热释电红外传感器是一种非常有应用潜力的传感器。它能检测人或某些动物发射的红外线并转换成电信号输出。•早在1938年，有人就提出利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视。•直到六十年代，随着激光、红外技术的迅速发展，才又推动了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用开发。一、概述•目前，热释电已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎，广泛应用于各种自动化控制装置中，既可作为红外激光的一种较理想的探测器，又可适用于防盗报警、来客告知及非接触开关等红外领域。除了在众所周知的搂道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域应用前景看好。二、热释电效应•当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。二、热释电效应•通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。•通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。二、热释电效应•能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件，其常用的材料有单晶（LiTaO3等）、压电陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）二、热释电效应•热释电传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。•它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有ΔT的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷ΔQ，即在两电极之间产生一微弱电压ΔV。•由于它的输出阻抗极高，所以传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。二、热释电效应•热释电效应所产生的电荷ΔQ会跟空气中的离子所结合而消失，当环境温度稳定不变时，ΔT=0，传感器无输出。•当人体进入检测区时，因人体温度与环境温度有差别，产生ΔT，则有信号输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出，所以这种传感器能检测人体或者动物的活动。二、热释电效应•热释电红外传感器的结构及内部电路见图所示。传感器主要有外壳、滤光片、热释电元件PZT、场效应管FET等组成。二、热释电效应•其中，滤光片设置在窗口处，组成红外线通过的窗口。滤光片为6um多层膜干涉滤光片，对太阳光和荧光灯光的短波长（约5um以下）可很好滤除。二、热释电效应•热释电元件PZT将波长在8um～12um之间的红外信号的微弱变化转变为电信号，为了只对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅耳滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。二、热释电效应•菲涅耳透镜根据菲涅耳原理制成，把红外光线分成可见区和盲区，同时又有聚焦的作用，使热释电人体红外传感器（PIR：PassiveInfrared）灵敏度大大增加。二、热释电效应•菲涅耳透镜折射式和反射式两种形式，其作用一是聚焦作用，将热释的红外信号折射（反射）在PIR上；二是将检测区内分为若干个明区和暗区，使进入检测区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号，这样PIR就能产生变化电信号。二、热释电效应•在热电元件接上适当的电阻，当元件受热时，电阻上就有电流流过，在两端得到电压信号。三、被动式热释电红外传感器的工作原理与特性•在自然界，任何高于绝对温度（-273K）的物体都将产生红外光谱，不同温度的物体释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低是相关的，而且辐射能量的大小与物体表面温度有关。三、被动式热释电红外传感器的工作原理与特性人体都有恒定的体温，一般在37°C左右，会发出10um左右特定波长的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的红外线而进行工作的。红外线通过菲涅耳滤光片增强后聚集到热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后经检测处理后就能产生报警信号。三、被动式热释电红外传感器的工作原理与特性被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元件，而且制成的两个电极化方向正好相反（侧视图C），环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出三、被动式热释电红外传感器的工作原理与特性•传感器内部由光学滤镜、场效应管、红外感应源(热释电元件)、偏置电阻、EMI电容等元器件组成•光学滤镜的主要作用是只允许波长在10μm左右的红外线(人体发出的红外线波长)通过，而将灯光、太阳光及其他辐射滤掉，以抑制外界的干扰。•一旦有人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元件接收，由于角度不同，两片热释电元件接收到的热量不同，热释电能量也不同，不能完全抵消，经处理电路处理后输出控制信号。•红外感应源通常由两个串联或者并联的热释电元件组成，这两个热释电元件的电极相反，环境背景辐射对两个热释电元件几乎具有相同的作用，使其产生的热释电效应相互抵消，输出信号接近为零。四、被动式热释电红外探头的优缺点•不同于主动式红外传感器，被动红外传感器本身不发任何类型的辐射，隐蔽性好，器件功耗很小，价格低廉。但是，被动式热释电传感器也有缺点，如：•①信号幅度小，容易受各种热源、光源干扰；•②被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收；•③易受射频辐射的干扰；•④环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵；•⑤被动红外探测器的主要检测的运动方向为横向运动方向，对径向方向运动的物体检测能力比较差。五、热释电红外传感器应用电路•由于PIR信号变化缓慢、幅值小，针对该特点，信号一般分为三步处理，以专用芯片PT8A26XXP为例，具体处理步骤如下：•①滤波放大•普通PIR传感器输出信号幅值一般都很小，大约几百微伏到几毫伏，为了后续电路能作有效的处理，考虑到传感器的信噪比，通常取增益约70dB，通带0.3Hz～7Hz。同时，由于是处理模拟小信号，所以为了保证放大器的工作稳定可靠，电路中特别集成了一个稳压器用于给传感器、放大器和比较器供电。五、热释电红外传感器应用电路•②窗口比较器•经过放大后的信号通过窗口比较器后检出满足幅值要求的信号后，再转换成一系列数字脉冲信号。五、热释电红外传感器应用电路•③噪声抑制数字信号处理•根据对人体运动特点以及传感器的特性的长期研究，用固定时间内计脉冲个数和测脉冲宽度的方法来甄别有效的人体信号，这里由系统振荡器提供时钟源（16kHz）。•具体判别方法如下：判别操作限制在2s内；脉冲宽度低于24ms的都算作噪声，不予处理；单个有效脉冲：宽度必须大于340ms；双脉冲，其中宽的必须大于160ms，窄的大于24ms；三个脉冲有效，每个都必须大于24ms。五、热释电红外传感器应用电路•经过上述三步处理后就能准确、可靠地判断人体信号。根据具体应用场合实现既定控制，例如报警器自动告警，自动开启某个设备。•1、婴幼儿睡眠状况告知器电路•2、楼道照明开关电路•3、人体遥感灯光/门铃电路•4、红外传感信号处理器BISS00011、婴幼儿睡眠状况告知器电路•RDP-18是国产的红外热释电的探测组件，在探测区域内有手、脚或身子等轻轻地人体运动，红外探测组件中可重复触发的延时定时器（RC定时元件）便会被启动或维持启动后的状态。启动的定时器同进驱使内部的开路输出晶体管导通。•VT1通过RDP获得偏置，VT1导通，音乐集成块KD-9300以及由三极管VT2等组成的振荡电路得电，结果向空中发射出电磁波。在50M范围内只要利用调频收音机就可听到音乐声。•电路中，VT2，电感L，电容C3、C6、C7等组成了电容三点式振荡器，产生等幅超高频振荡。音乐集成块输出的音频信号，通过C2加到VT2的基极，实现调频，调制后的超高频信号由L抽头引出，经C4由天线发射出去。发射频率在88~108MHz调频段。•当婴儿睡沉后，RDP-18就探测不到人体的活动信息，内部定时器延时一过便会复位，并将输出晶体管截止。于是VT1也截止，对应音乐集成块以及VT2振荡器断电，调频收音机中不再发出音乐声，只有轻轻的“沙沙”声。2、楼道照明开关电路•此照明开关装于楼道出入口，夜晚，行人由楼道口出入时，照明灯自动点亮一段时间后熄灭。白天，照明灯自动停止工作。•主要元件是一片热释电红外探测模块HN911L和一只V-MOS管。HN911L内部集成了高灵敏度红外传感器PIR、放大器、信号处理电路、输出电路等，能够遥测人体移动时所发出的微弱红外信号，在输出端得到放大后的电信号。•V-MOS场效应管输入阻抗极高，接在栅源间的电容充电后，电容电压可保持很长时间，在此期间，V-MOS管导通。利用这一特点，可实现延时功能。•经过降压、整流、稳压、滤波后得到12V。再经过R2降压、DW3稳压、C3滤波后得到6V电压。作IC1电源。•当IC1未探测到红外信号时，输出端2脚为高电平。VT1无基极偏置而截止，VT2也截止，灯泡ZD不亮。•有人进入楼道口时，移动人体发出的红外线被检测到，经IC1处理后，2脚输出低电平，VT1导通。12V直流电压经VT1、VD3给电容C4充电，VT2迅速饱和导通，灯泡ZD亮。•人走过后，IC1的2脚恢复高电平，VT1截止。这时，C4放电期间维持VT2继续导通。随着C4上电压的下降，VT2由饱和区进入放大区直至截止区，ZD亦相应地由亮逐渐变暗直至熄灭。•电路中,RP1为IC1的增益调节电阻,RP2为照明延时时间调整电位器.CDS为光敏电阻,白天受光照,电阻极小,使IC1增益极低,2脚不输出电平,夜晚CDS阻值很大,IC1恢复工作.CDS可暴露于灯光下,因为VT2一旦导通,即使VT1立即截止,VT2仍可由C4放电来维持工作.3、人体遥感灯光/门铃电路•该装置是有新型热释电红外线探测模块﹑“叮咚”门铃声电路﹑单稳态延时控制电路和电源电路等组成。•静态时，IC1的1脚输出低电平，三极管VT1无基极偏流处于截止状态，使后级电路不工作。IC1的2脚输出高电平，使IC3的2脚也处于高电平状态，故IC3处于复位状态，其输出端3脚亦为低电平，继电器J无电流不吸合，照明灯ZD不亮。•当人闯入宅院，并在IC1能探测到的区域内（水平角度为100，垂直角度为80，距离在10M左右）移动时，则IC1的2脚由原来的高电平变为低电平，IC3的2脚由高电平状态变为低电平，这样IC3触发置位，其输出端3脚变为高电平，继电器J励磁吸合，J吸合后，照明灯ZD点亮。•同时，IC1的1脚输出高电平，三极管VT1导通，使得IC2发出清脆的“叮咚”声，经三极管VT2、VT3互补放大后，推动扬声器工作。•当人体远离，“叮咚”消失，灯延时一段时间后，自动熄灭。•由于IC1的典型工作电压为5V，电源电压经R1限流、DW1稳压、C1平滑后提供5V的稳定直流电电压供给IC1。IC2亦可用5V供电。IC3的电源电压可从3~18V，且延时值基本与电源电压无关，所以采用9V直流供电。4、红外传感信号处理器BIS0001•BIS0001是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路。它配以热释电红外传感器和少量外接元器件就可构成被动式的热释电红外开关、报警用人体热释电传感器等。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。4、红外传感信号处理器BIS0001•特点：•CMOS数模混合专用集成电路•具有独立的高输入阻抗运算放大器，可与多种传感器匹配，进行信号与处理•双向鉴幅器，可有效抑制干扰•内设延迟时间定时器和封锁时间定时器，结构新颖，稳定可靠，调节范围宽•内置参考电压•工作电压范围+3V—+5V•采用16脚DIP封装或SOP封装•VDD—工作电源正端。范围为3~5V•Vss—工作电源负端。一般接0V•IB—运算放大器偏置电流设置端。经RB接VS