【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 時(shí) 輸出有效信號(hào) 。 當(dāng)使用較多的 傳感 器進(jìn)行防范布局時(shí)應(yīng)該注意消除射束的交叉誤射 。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 （ 2）被動(dòng)式紅外傳感器 我們之所以稱為被動(dòng) 式 紅外 傳感器 ，即 傳感 器本身不發(fā)射任何能量而只被動(dòng)接收、探測(cè)來自環(huán)境的紅外輻射 。傳感 器安裝后數(shù)秒種已適應(yīng)環(huán)境， 在無人或動(dòng)物進(jìn)入探測(cè)區(qū)域時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)的紅外輻射穩(wěn)定不變，一旦有人體紅外線輻射進(jìn)來，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)聚焦就使熱釋電器件產(chǎn)生突變電信號(hào)，而發(fā)出警報(bào)。被動(dòng)紅外 傳感 器形成的警戒線一般可以達(dá)到數(shù)十米。 被動(dòng)式紅外 傳感 器主要由光學(xué)系統(tǒng)、熱傳感器 （ 或稱為紅外傳感器）等部分組成。其核心是紅外探測(cè)器件，通過關(guān)學(xué)系統(tǒng)的配合作用可以探測(cè)到某個(gè)立體防范空間內(nèi)的熱輻射的變化。紅外傳感器的探測(cè)波長(zhǎng)范圍是 8～ 14μm，人體輻射的紅外峰值波長(zhǎng)約為 10μm，正好在范圍以內(nèi) 被動(dòng)式紅外 傳感 器（ Passive Infared Detector， PIR）根據(jù)其結(jié)構(gòu)不同、警戒范圍及探測(cè)距離也有所不同，大致可以分為單波束型和多波束型兩種。單波束 PIR 采用反射聚焦式光學(xué)系統(tǒng)，利用曲面反射鏡將來自目標(biāo)的紅外輻射匯聚在紅外傳感器上。這種方式的 傳感 器境界視場(chǎng)角較窄，一般在 5176。以下，但作用距離較遠(yuǎn)，可長(zhǎng)達(dá)百米。因此又稱為直線遠(yuǎn)距離控制型被動(dòng)紅 外傳感 器，適合保護(hù)狹長(zhǎng)的走廊、通道以及封鎖門窗和圍墻。多波束型采用透鏡聚焦式光學(xué)系統(tǒng)，目前大都采用紅外塑料透鏡 —— 多層光束結(jié)構(gòu)的菲涅爾透鏡。這種透鏡是用特殊塑料一次成型，若干個(gè)小透鏡排列在一個(gè)弧面上。警戒范圍在不同方向呈多個(gè)單波束 狀態(tài)，組成立體扇形感熱區(qū)域，構(gòu)成立體警戒。菲涅爾透鏡自上而下分為幾排，上面透鏡較多，下邊較少。因?yàn)槿四槻?、膝部、手臂紅外輻射較強(qiáng)，正好對(duì)著上邊的透鏡。下邊透鏡較少，一是因?yàn)槿梭w下部紅外輻射較弱，二是為防止地面小動(dòng)物紅外輻射干擾。多波束型 PIR 的警戒視場(chǎng)角比單波束型大得多，水平可以大于 90176。，垂直視場(chǎng)角最大也可以達(dá)到 90176。 ，但作用距離較近。所有透鏡都向內(nèi)部設(shè)置的熱釋電器件聚焦，因此靈敏度較高，只要有人在透鏡視場(chǎng)內(nèi)走動(dòng)就會(huì) 輸出有效信號(hào) 。 為了解決物品遮擋問題，又發(fā)明了吸頂式被動(dòng)紅外 傳感 器。安裝在頂棚上向下 360176。范圍內(nèi)進(jìn)行 探測(cè)。 只要在防護(hù)范圍內(nèi)，無論從哪個(gè)方向 進(jìn)入 都會(huì)觸發(fā) 電路 ，在銀行營(yíng)業(yè)大廳，商場(chǎng)的公共活動(dòng)區(qū)等空間較大的地方得到廣泛使用。 被動(dòng)式 紅外傳感 器由于探測(cè)性能好、易于布防、價(jià)格便宜而被廣泛應(yīng)用。其缺點(diǎn)是相對(duì)于主動(dòng)式 傳感器 誤報(bào)率較高。 感應(yīng)式門鈴的應(yīng)用范圍和設(shè)計(jì)要求決定了它應(yīng)該是具有一個(gè)面的探測(cè)范圍，而且應(yīng)該只對(duì)人體產(chǎn)生有效信號(hào)，這就排除了 主動(dòng)式紅外傳感器。再根據(jù)單波束和多波束 PIR 的比較，綜合考慮， 決定使用被動(dòng)式多波束型紅外傳感器。熱釋電紅外傳感器就是這種類型的傳感器。 熱釋電紅外傳感器概述 熱釋電紅外傳感器也稱熱釋電傳感器，是一種被動(dòng)式調(diào)制型溫度敏感器。在電路原理圖中，通常采用字母“ PIR”表示。 熱釋電器件是利用某些材料的熱釋電效應(yīng)制成的紅外檢測(cè)元件。早在 1938 年就曾有武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 人提出過利用熱釋電效應(yīng)探測(cè)紅外輻射的想法，但長(zhǎng)期沒有得到重視。直到 20 世紀(jì) 60年代才開始認(rèn)真研究這個(gè)問題。尤其是 20 年來 ， 無論從材料還是器件的研究方面都得到迅速發(fā)展。特別是陶瓷熱釋電材料，不但有良好的熱釋電特性，而且可以大批量生產(chǎn)，成本低。同時(shí)，隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，使熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)日臻完善，體積越來越小，而且靈敏度和 可靠性都得到提高，應(yīng)用更方便，從而使當(dāng)今熱釋電紅外傳感器的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，不但用于國(guó)防軍事，而且在工業(yè)和民用電子電器產(chǎn)品中都得到廣泛應(yīng)用。由于應(yīng)用的廣泛 ， 國(guó)外廠商一直在克服器件的缺點(diǎn)上進(jìn)行卓有成效的努力。過去，歐美曾是熱釋電紅外傳感器的主要生產(chǎn)者和主要應(yīng)用市場(chǎng)。近些年日本奮起直追，迎頭趕上?，F(xiàn)在，日本多家公司正努力研究和開發(fā)多種熱釋電紅外傳感器。例如，陶瓷公司、 Hokuriku 電氣工業(yè)公司等，一些產(chǎn)品已占領(lǐng)國(guó)外市場(chǎng)。 紅外傳感器主要分兩大類，一類是光電型，一類是熱敏型。前者利用光電效應(yīng)工作，響應(yīng)速度快，檢 測(cè)特性好。但需要冷卻，使用不方便。而且器件的檢測(cè)靈敏度與紅外波長(zhǎng)有關(guān)。而熱釋電器件屬于后者，它工作在室溫條件下，檢測(cè)靈敏度很高，而且與輻射波長(zhǎng)無關(guān)，可探測(cè)功率只受背景輻射的限制。而且熱釋電器件響應(yīng)也很快，應(yīng)用又方便。因此，熱釋電紅外傳感器是光電型傳感器無法取代的 [2]。 紅外輻射，熱釋電效應(yīng) 紅外輻射：紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射，它是由于物體內(nèi)部分子的轉(zhuǎn)動(dòng)及振動(dòng)而產(chǎn)生。這類振動(dòng)是由物體受熱引起的，在一般常溫下，所有物體都是紅外輻射的發(fā)射源，但發(fā)射的紅外波長(zhǎng)不同。實(shí)踐證明，溫度愈低的物體輻射的紅外 線波長(zhǎng)愈長(zhǎng)，人體表面輻射出波長(zhǎng)約為 10μm。紅外線和所有電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉和吸收等性質(zhì)，但它的特點(diǎn)是熱效應(yīng)最大。 熱釋電效應(yīng)：因紅外線具有很強(qiáng)的熱效應(yīng)，當(dāng)交互變化的紅外線照射到晶體表面時(shí)，晶體溫度迅速變化，這時(shí)會(huì)發(fā)生電荷的變化，從而形成一個(gè)明顯的外電場(chǎng)，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。熱釋電紅外傳感器就是根據(jù)這種原理制成的。 熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理 眾所周知，只要物體本身溫度高于熱力學(xué)溫度 0 K（約 273℃），則都會(huì)發(fā)射出相當(dāng)于某一個(gè)溫度的輻射線，人體都有恒定的體溫，一般 為 37℃ ，所以會(huì)從人體表面輻射出波長(zhǎng)約為 10μm 的紅外線?？衫妹骁R或透鏡將人體所輻射出來的紅外線有效地集中于熱釋電紅外傳感器上，通過熱釋電紅外傳感器將收集到的紅外線能量轉(zhuǎn)換為電氣信號(hào)。 熱釋電紅外傳感器內(nèi)部由光學(xué)濾鏡、場(chǎng)效應(yīng)管、紅外感應(yīng)源（熱釋電元件）、偏置電阻、 EMI 電容等元器件組成。其結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路分別如圖 1 和圖 2 所示 [3] [4]。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 圖 1 熱釋電紅外傳感器結(jié)構(gòu) 圖 2 熱釋電紅外傳感器結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路 光學(xué)濾鏡的主要作用是只允許波長(zhǎng)在 10μm 左右的紅外線（人體發(fā)出的紅外線波長(zhǎng)）通過，而將燈光 、太陽(yáng)光及其他輻射濾除掉，以抑制外界干擾。紅外感應(yīng)源通常由兩個(gè)串聯(lián)或者并聯(lián)的熱釋電元件組成。這兩個(gè)熱釋電元件的電極相反，環(huán)境背景輻射對(duì)兩個(gè)熱釋電元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生的熱釋電效應(yīng)相互抵消，輸出信號(hào)接近為零。一旦有人進(jìn)入探測(cè)區(qū)域內(nèi)，人體輻射的紅外線就會(huì)通過部分鏡面聚焦，并被熱釋電元件接收。不過由于角度不同，兩片熱釋電元件接收到的熱量不同，熱釋電能量也不同，不能抵消，經(jīng)處理電路處理后輸出控制信號(hào)。熱釋電元件輸出的是微弱電信號(hào)，不能直接使用，需要用電阻將其轉(zhuǎn)換為電壓形式 ， 該電阻阻抗高達(dá) 104MΩ，故引入 N 溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管接成共漏形式來完成阻抗變換。 熱釋電紅外傳感器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△ T 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△ Q，即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱的電壓△ V。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷△ Q 會(huì)被空氣中的離子所武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 結(jié)合而消失，即當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時(shí)， △ T= 0，傳感器無輸出。 我們一般口中所述的紅外探頭中有兩個(gè)關(guān)鍵性的器件： 一個(gè)是熱釋電紅外傳感器。它能將波長(zhǎng)為 8～ 12μm 之間的紅外信號(hào)的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并對(duì)自然界中的可見光信號(hào)具有抑制作用。 因此在紅外探測(cè)器的有效感應(yīng)區(qū)內(nèi)，當(dāng)無人體移動(dòng)時(shí)，熱釋電紅外傳感器感應(yīng)到的只是背景溫度，沒有信號(hào)變化，所以不能產(chǎn)生電信號(hào)；當(dāng)人體進(jìn)人感應(yīng)區(qū)，通過菲涅爾透鏡，熱釋電紅外傳感器感應(yīng)到的是人體溫度與背景溫度的差異信號(hào)，此時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)。 另外一個(gè)器件就是菲涅爾透鏡。菲涅爾透鏡一般固定在紅外傳感器正前方 1～ 5cm 的地方。它具有聚焦，即將熱釋電的紅外信號(hào)反射在紅外傳感器上的作用，還能將感應(yīng)區(qū)內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入感應(yīng)區(qū)的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式在熱釋電紅外傳感器上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號(hào)，這樣熱釋電紅外傳感器產(chǎn)生變 化的電信號(hào)，后續(xù)電路經(jīng)檢測(cè)處理后產(chǎn)生可用信號(hào) [5]。 熱釋電紅外傳感器的材料、類別及特性 熱釋電紅外傳感器的制作材料以陶瓷氧化物和壓電晶體為最多，如 PbTiO3（ 鈦酸鉛 ） 、LiTaO3（鉭酸鋰）、 LATGS（硫酸三甘肽）、 PZT（鋯鈦酸鉛）等。這類材料具有強(qiáng)烈的自發(fā)極化特性，平時(shí)靠捕獲大氣中的浮游電荷保持平衡，當(dāng)受到熱輻射而產(chǎn)生溫度變化時(shí)，介質(zhì)的極化狀態(tài)將隨之變化。由于表面電荷的變化速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于內(nèi)部電荷的變化速度，內(nèi)、外層電荷會(huì)出現(xiàn)“失步”現(xiàn)象，即在表面電荷重新達(dá)到平衡的短暫時(shí)間內(nèi)，將出現(xiàn)獨(dú)立的電荷。這就是電介質(zhì)的熱釋電效應(yīng)。 熱釋電紅外傳感器按內(nèi)部安裝敏感元件個(gè)數(shù)多少，又可分為單元件、雙元件、四元件及特殊形式等幾種，最常見的為雙元件型。所謂雙元件就是在一個(gè)傳感器中有兩個(gè)反相串聯(lián)的敏感元件，其特點(diǎn)是： （ 1）當(dāng)入射能量順序地射到兩個(gè)元件上時(shí)，其輸出要比單元件高一倍； （ 2）由于兩個(gè)元件逆向串聯(lián)，對(duì)于同時(shí)輸 入 的能量會(huì)相互抵消，可防止太陽(yáng)或燈頭等紅外線引起誤動(dòng)作； （ 3）可防止因環(huán)境溫度變化引起的檢測(cè)誤差； （ 4）常用的敏感元件還具有壓電效應(yīng)，所以雙敏感元件還可以消除因振動(dòng)引起的檢測(cè)誤差。 上文圖 2 就 是雙元型元件。 特殊形式有溫補(bǔ)單元型，主要用于輻射高 溫計(jì)、氣體分析設(shè)備、火焰檢測(cè)器等 [6]。 目前常用的熱釋電紅外傳感器型號(hào)主要有 P22 LHl95 LHI95 RE200B、 KDS20PIS20 LHI87 PD632 等。熱釋電紅外傳感器通常采用 3 引腳金屬封裝，各引腳分別為電源供電端 （ 內(nèi)部開關(guān)管 D 極， DRAIN） 、信號(hào)輸出端 （ 內(nèi)部開關(guān)管 S 極， SOURCE） 、接地端 （ GROUND） 。常見的熱釋電紅外傳感器外形及各引腳功能如圖 3 所示。 熱釋電紅外傳感器的主要工作參數(shù)有：工作電壓（常用的熱釋電紅外 傳感器工作電武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 壓范圍為 3～ 15V）、工作波長(zhǎng)（通常為 ～ 14 μm）、源極電壓（通常為 ～ ，R=47KΩ）、輸出信號(hào)電壓（通常大于 ）等。 圖 3 常見的熱釋電紅外傳感器外形及各引腳功能 熱釋電紅外傳感器的輸出信號(hào)特性及優(yōu)缺點(diǎn) 熱釋電紅外傳感器輸出電信號(hào)的幅度和頻率主要 決定于：目標(biāo)人體的溫度、探測(cè)區(qū)域背景、人體離傳感器的距離、人體移動(dòng)的速度、光學(xué)透鏡系統(tǒng)的焦距和設(shè)計(jì)樣式。人體溫度和探測(cè)區(qū)域背景的溫差越大，離傳感器越近，輸出電信號(hào)的幅值將越大。雙敏感元熱釋電傳感器配合菲涅 爾 光學(xué)透鏡使用時(shí)，輸出信號(hào)波形電壓峰峰值約為 1mV， 頻率可由下列公式計(jì)算： Ls2 fVf bb ??? ?? （ 1） 其中： f 是輸出信號(hào)頻率 （ Hz） ， Vb 是人體移動(dòng)速度 （ m/s） ， fb 是光學(xué)系 統(tǒng)焦距（ mm），s 是傳感器敏感元的面積 （ mm2） ， L 是人體離傳感器距離 （ m） 。 對(duì)于雙敏感元傳感器 ， 標(biāo)準(zhǔn)尺寸為 2（ mm） *1（ mm）， 人體移動(dòng)速度范圍為 （ m/s） ～ 5（ m/s） ，常用探測(cè)器 上使用的菲涅 爾 透鏡焦距為 25（ mm） ，我們可計(jì)算出傳感器輸出信號(hào)的頻率范圍為 ～ 8Hz[7]。 由于傳感器輸出的信號(hào)非常微弱， 因此需要外接放大電路，也有些傳感器生產(chǎn)廠家直接將后續(xù)信號(hào)處理電路內(nèi)置在傳感器中，用戶直接就可以使用。 熱釋電 紅外傳感器其優(yōu)點(diǎn)是本身不發(fā)出各種類型的輻射，該器件的功耗小、隱蔽性好、價(jià)格低。 其缺點(diǎn)是容易受各種熱源、光源及射頻輻射的干擾；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；當(dāng)環(huán)境溫度和人體溫度接近時(shí)，探測(cè)和靈敏度下降，有時(shí)還會(huì)短時(shí)失靈 [8]。 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 菲涅爾透鏡 熱釋電紅外傳感器不加光學(xué)透鏡（也稱菲涅爾透鏡），其檢測(cè)距離通常不大于 2m，而加上菲涅爾透鏡后，其檢測(cè)距離可大于 7m。因此在實(shí)際應(yīng)用中，熱釋電紅外傳感器通常與菲涅爾透鏡配合使用。 菲涅爾透鏡是由法國(guó)物理學(xué)家奧古斯汀菲涅爾（ Augustin Fresnel）發(fā)明的，他在1822 年最初使用這種透鏡設(shè)計(jì)用于建立一個(gè)玻璃菲涅爾透鏡系統(tǒng) —— 燈塔透鏡。菲涅爾透鏡（ Fresnel Lense）是一種微細(xì)結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件，從正面看其象一個(gè)飛鏢盤，由一環(huán)一環(huán)的同心園組成，是依托菲涅爾理論由平凸透鏡演變而來的，是平凸 透鏡的一種異化。它具有短焦距、大孔徑及厚度小的特點(diǎn)，用菲涅爾透鏡可以獲得更為柔和、均勻的光分布照明狀態(tài)。菲涅爾透鏡有兩種形式，即折射式和反射式。 其工作原理十分簡(jiǎn)單，它有兩種理解方式： （ 1）假設(shè)一個(gè)透鏡的折射能量?jī)H僅發(fā)生在光學(xué)表面 （ 如：透鏡表面），拿掉盡可能多的光學(xué)材料，而保留表面的彎曲度。如圖 4 所示。 圖 4 菲涅爾透鏡 1 另外一種理解就是，透鏡連續(xù)表面部分“坍陷”到一個(gè)平面上。從剖面看，其表面由一系列鋸齒型凹槽組成，中心部分是橢圓型弧線。每個(gè)凹槽都與相鄰凹槽之間角度不同，但都將光線集中一處，形成中 心焦點(diǎn)，也就是透鏡的焦點(diǎn)。每個(gè)凹槽都可以看做一個(gè)獨(dú)立的小透鏡，把光線調(diào)整成平行光或