【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)溫度有 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆專科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 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)。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。 如圖 所示 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 懸浮電荷 溫度變化 熱平衡條件 T[K] 極化 溫度變化造成極化 T+ △ T[K] 熱能 圖 熱釋電效應(yīng)的形成原理 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆?？粕厴I(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 圖 熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路 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，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 ~10Hz）和對(duì)特定波長(zhǎng)紅外線（一般為 5~15um）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河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆?？粕厴I(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 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)光和大部分紅外線的干擾。 濾光窗 表 SCA021的主要電參數(shù)。 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 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。例如， SCA021 對(duì) ~14um 波長(zhǎng)的紅外線的穿透量為 70%，在 處時(shí)下降為 65%，而在 %； P2288 的響應(yīng)波長(zhǎng)為 6~14um，中心波長(zhǎng)為 10um。 物體發(fā)射出的紅外線輻射能，最強(qiáng)波長(zhǎng)和溫度的關(guān)系滿足λ m*T=2989（ um k）（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)的紅外線的波長(zhǎng)正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)光中的紅外線的通過(guò)，以免引起干擾。 河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆?？粕厴I(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 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。 熱釋電紅外線傳感器的優(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： ，容易受各種熱源、光源干擾； ，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收； ； ，探測(cè)和靈敏度明顯下降，有時(shí)造成短時(shí)失靈； ，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： 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。 探測(cè)器的抗電磁波干擾性能符合 GB10408 中 4 6 1 要求，一般手機(jī)電磁干擾不會(huì)引起誤報(bào)。 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。 紅外線熱釋電傳感器的安裝要求 ： 紅外線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)滿足下列條件： 米。 ,冰箱，火爐等空氣溫度變化敏感的地方。 、家具、大型盆景或其他隔離物。 ，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 (即與半徑垂直的方河北工業(yè)大學(xué) 2021 屆?？粕厴I(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 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)。 圖 菲涅爾透鏡 根據(jù)菲涅耳原理制成，把紅外光線分成可見(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?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。上圖為它的平面圖。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)，視角外為盲河北工業(yè)大學(xué)