【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 著激光、紅外技術(shù)的迅速發(fā)展，才又推動(dòng)了對(duì)熱釋電效應(yīng)的研究和對(duì)熱釋電晶體的應(yīng)用。熱釋電晶體已廣泛用 于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測(cè)器，它可以作為紅外激光的一種較理想的探測(cè)器。它正在被廣泛的應(yīng)用到各種自動(dòng)化控制裝置中。除了在我們熟知的摟道自動(dòng)開(kāi)關(guān)、防盜報(bào)警上得到應(yīng)用外，在更多的領(lǐng)域應(yīng)用前景看好。比如：在房間無(wú)人時(shí)會(huì)自動(dòng)停機(jī)的空調(diào)機(jī)、飲水機(jī)。電視機(jī)能判斷無(wú)人觀看或觀眾已經(jīng)睡覺(jué)后自動(dòng)關(guān)機(jī)的機(jī)構(gòu)。開(kāi)啟監(jiān)視器或自動(dòng)門(mén)鈴上的應(yīng)用。結(jié)合攝影機(jī)或數(shù)碼照相機(jī)自動(dòng)記錄動(dòng)物或人的活動(dòng)等等 ?? 熱釋電人體紅外線(xiàn)傳感器的基本結(jié)構(gòu)和原理 最廣義地來(lái)說(shuō)，傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號(hào)的器件，紅 外傳感器就是其中的一種。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，紅外線(xiàn)傳感器的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，下面結(jié)合幾個(gè)實(shí)例，簡(jiǎn)單介紹一下紅外線(xiàn)傳感器的應(yīng)用。人體熱釋電紅外傳感器和應(yīng)用介紹 一般人體都有恒定的體溫，一般在 37 度，所以會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng) 10UM 左右的紅外線(xiàn)，被動(dòng)式紅外探頭就是靠探測(cè)人體發(fā)射的 10UM 左右的紅外線(xiàn)而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的 10UM 左右的紅外線(xiàn)通過(guò)菲尼爾濾光片增強(qiáng)后聚集到紅外感應(yīng)源上。紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，電后續(xù)電路經(jīng)檢驗(yàn)處理后即可產(chǎn) 生報(bào) 14 警信號(hào)。 熱釋電人體紅外線(xiàn)傳感器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)：傳感器）由敏感單元、阻抗變換器和濾光窗等三大部分組成。 熱釋電效應(yīng)同壓電效應(yīng)類(lèi)似，是指由于溫度的變化而引起晶體表面荷電的現(xiàn)象。熱釋電傳感器是對(duì)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(jiān)測(cè)范圍內(nèi)溫度有 ΔT 的變化時(shí)，熱釋電效應(yīng)會(huì)在兩個(gè)電極上產(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(yīng)管進(jìn)行阻抗變換。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷 ΔQ 會(huì)被空氣中的離子所結(jié)合而消失，即當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時(shí) ， ΔT=0 ，則傳感器無(wú)輸出。當(dāng)人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)，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(cè)區(qū)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(cè)人體或者動(dòng)物的活動(dòng)傳感。 由實(shí)驗(yàn)證明，傳感器不加光學(xué)透鏡 (也稱(chēng)菲涅爾透鏡 )，其檢測(cè)距離小于 2m，而加上光學(xué)透鏡后，其檢測(cè)距離可大于 7m。 1) 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)生數(shù)量相等而符號(hào)相反的電荷，這種由于熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象，被稱(chēng)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(lái)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(lái)。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(duì)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 表示了熱釋電效應(yīng)形成的原理。能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的晶體稱(chēng)之為熱釋電體或熱釋電元件，其常用的材料有單晶 (LiTaO3 等 )、壓電陶瓷（ PZT 等）及高分子薄膜（ PVFZ 等 ） 圖 熱釋電效應(yīng)的形成原理 15 熱釋電傳感器利用的正是熱釋電效應(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(cè)范圍內(nèi)溫度有ΔT 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 ΔQ ，即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱電壓 ΔV 。由于它的輸出阻抗極高，所以傳感器中有一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行阻抗變換。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷 ΔQ 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)， ΔT=0 ，傳感器無(wú)輸出。當(dāng)人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)時(shí)，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產(chǎn)生 ΔT ，則有信號(hào)輸出；若人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)后不動(dòng)，則溫度沒(méi)有變化，傳感器也沒(méi)有輸出，所以這種傳感器能檢測(cè)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)部電路見(jiàn)圖 所示。傳感器主要有外殼、濾光片、熱釋電元件 PZT、場(chǎng)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(xiàn)通過(guò)的窗口。濾光片為 6mm 多層膜干涉濾光片，對(duì)太陽(yáng)光和熒光燈光的短波長(zhǎng)（約 5mm 以下）可很好濾除。熱釋電元件 PZT 將波長(zhǎng)在 8mm12mm 之間的紅外信號(hào)的微弱變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，為了只對(duì)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。 對(duì)不同的傳感器來(lái)說(shuō)，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 ，例P 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 圖 熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路 16 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。 當(dāng)傳感器沒(méi)有檢測(cè)到人體輻射出的紅外線(xiàn)信號(hào)時(shí)， 由于 PP2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(wú)電流，傳感器無(wú)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 P P2上的紅外線(xiàn)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(méi)有信號(hào)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，P P2 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(yīng)頻率很低（一般為 ~10Hz），即傳感器對(duì)紅外光的波長(zhǎng)的敏感范圍很窄（一般為 5~15um），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 P 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(wú) 輸出。從原理上講，任何發(fā)熱體都會(huì)產(chǎn)生紅外線(xiàn)，熱釋電人體紅外線(xiàn)傳感器對(duì)紅外線(xiàn)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 ~10Hz）和對(duì)特定波長(zhǎng)紅外線(xiàn)（一般為 5~15um）的響應(yīng)決定了傳感器只對(duì)外界的紅外線(xiàn)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；它可以抵抗可見(jiàn)光和大部分紅外線(xiàn)的干擾。 2) 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~14um 波長(zhǎng)以外的紅外線(xiàn)。例如， SCA021 對(duì) ~14um 波長(zhǎng)的紅外線(xiàn)的穿透量為 70%，在 處時(shí)下降為 65%，而在 處時(shí)陡降為 %； P2288 的響應(yīng)波長(zhǎng)為 6~14um，中心波長(zhǎng)為 10um。 物體發(fā)射出的紅外線(xiàn)輻射能，最強(qiáng)波長(zhǎng)和溫度的關(guān)系滿(mǎn)足λ m*T=2989（ ）（其中λ m為最大波長(zhǎng)， T為絕對(duì)溫度）。人體的正常體溫為 36~。 C ，即309~，其輻射的最強(qiáng)的紅外線(xiàn)的波長(zhǎng)為 λ m=2989/（ 309~）=~，中心波長(zhǎng)為 。因此，人體輻射的最強(qiáng)的紅外線(xiàn)的波長(zhǎng)正 17 好落在濾光窗的響應(yīng)波長(zhǎng)（ 7~14um）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)的通過(guò)，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 根據(jù)菲涅耳原理制成，把紅外光線(xiàn)分成可見(jiàn)區(qū)和盲區(qū)，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。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(hào)折射（反射）在 PIR 上；二是將檢測(cè)區(qū)內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入檢測(cè)區(qū)的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式在 PIR 上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號(hào)，這樣 PIR 就能產(chǎn)生變化電信號(hào)。 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(chē)?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(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(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(jiàn)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(jiàn)區(qū)相間隔，它們 圖 菲涅爾透鏡工作原理圖 18 斷續(xù)而不重疊和交叉，如圖 ，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(xiàn)通過(guò)透鏡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(jiàn)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(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?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(jiàn)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(jiàn)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(shuō)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 1~5 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(zhǎng)為 10um 左右的紅外線(xiàn)來(lái)說(shuō)卻是透明的。 項(xiàng)目 參數(shù) 條件 電源電壓 ~ 源極電壓 ~ 25． C 源極阻抗 47KΩ Id=6~43uA 電 平 衡 10%Max） 頻率響應(yīng) ~30Hz 12db（ Max） 響應(yīng)波長(zhǎng) ~14um 平均大于 70% 工作溫度 10~+50。 C 表 熱釋電人體紅外線(xiàn)傳感器 SCA021 的主要電參數(shù) 熱釋電紅外線(xiàn)傳感器的 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(lèi)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： 19 1） 信號(hào)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(cè)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(cè)器的主要檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)闄M向運(yùn)動(dòng)方向，對(duì)徑向方向運(yùn)動(dòng)的物體檢測(cè)能力比較差 抗干擾性能： 1） 防小動(dòng)物干擾 探測(cè)器安裝在推薦地使用高度，對(duì)探測(cè)范圍內(nèi)地面上地小動(dòng)物，一般不產(chǎn)生報(bào)警。 2） 抗燈光干擾 探測(cè)器在正常靈敏度的范圍內(nèi)，受 3 米外 H4鹵素?zé)敉高^(guò)玻璃照射，不產(chǎn)生報(bào)警。 紅外線(xiàn)熱釋電傳感器的安裝要求： 紅外線(xiàn)熱釋電人體傳感器只能安裝在室內(nèi)，其誤報(bào)率與安裝的位置和方式有極大的關(guān)系 .。正確的安裝應(yīng)滿(mǎn)足下列條 件： 1） 紅外線(xiàn)熱釋電傳感器應(yīng)離地面 米。 2） 紅外線(xiàn)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。 3） 紅外線(xiàn)熱釋電傳感器探測(cè)范圍內(nèi)不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔離物。 4） 紅外線(xiàn)熱釋電傳感器不要直對(duì)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(xiàn)熱釋電傳感器也不要安裝在有強(qiáng)氣流活動(dòng)的地方。 紅外線(xiàn)熱釋電傳感器對(duì)人體的敏感程度還和人的運(yùn)動(dòng)方向關(guān)系很大。紅外線(xiàn)熱釋電傳感器對(duì)于徑向移動(dòng)反應(yīng)最不敏感 , 而對(duì)于橫切方向 (即與半徑垂直的方向 )移動(dòng) 則最為敏感 . 在現(xiàn)場(chǎng)選擇合適的安裝位置是避免紅外探頭誤報(bào)、求得最佳檢測(cè)靈敏度極為重要的一環(huán) 。 20 CDS 傳感器 硫化鎘（ Cds）光敏電阻器，這是目前最常見(jiàn)的光敏電阻器。光敏電阻器是利用半導(dǎo)體光致導(dǎo)電的原理制造的。這種光敏電阻器的基座是陶瓷片，上面涂有硫化鎘多晶體，再經(jīng)燒結(jié)制成。光敏電阻器的表面還涂有防潮樹(shù)脂。光敏電阻器的光譜特性曲線(xiàn)與人眼對(duì)可見(jiàn)光的響應(yīng)曲線(xiàn)比較接近。光敏電阻器的電阻值隨光照強(qiáng)度而變化。在暗光條件下它的電阻值可達(dá) 10MΩ ，在強(qiáng)光下它的電阻值僅為數(shù)百歐姆或數(shù)千歐姆。光敏電阻器的光照特性在多 數(shù)情況下是非線(xiàn)性的，只有在微小區(qū)域內(nèi)呈線(xiàn)性。光敏電阻器的電阻值有較大的離散性。光敏電阻器的靈敏度是指光敏電阻器不受光照時(shí)的電阻值 (暗阻 )和受光照時(shí)的電阻值 (亮阻 )的相對(duì)變化值。在一般情況下，照度越低，單位照度改變時(shí)的電阻值變化越大。即在低照度下光敏電阻器的靈敏度較高。 光敏電阻器是電路的關(guān)鍵元件，它對(duì)光線(xiàn)的強(qiáng)弱有敏感的反應(yīng)，在本電路中要求光敏電阻器受到光照時(shí)的阻值應(yīng)小于 5kΩ ，在暗光情況下