热释电效应原理简述

热释电效应原理简述 热释电红外传感器通过目标与背景的温差来探测目标，其工作原理 是利用热释电效应，即在钛酸钡一类晶体的上、下表面设置电极， 在上表面覆以黑色膜，若有红外线间歇地照射，其表面温度上升 T，其晶体内部的原子排列将产生变化，引起自发极化电荷，在上下 电极之间产生电压U。常用的热释电红外线光敏元件的材料有陶 瓷氧化物和压电晶体，如钛酸钡、钽酸锂、硫酸三甘肽及钛铅酸铅 等。 实质上热释电传感器是对温度敏感的传感器。它由陶瓷氧化物或压 电晶体元件组成，在元件两个表面做成电极。在环境温度有 T 的 变化时，由于有热释电效应，在两个电极上会产生电荷 Q，即在 两电极之间产生一微弱的电压 V。由于它的输出阻抗极高，在传 感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷 Q 会被空气中的离子所结合而消失，即当环境温度稳定不变时， T=0，则传感器无输出。当人体进入检测区，因人体温度与环境 温度有差别，产生 T，则有 T 输出；若人体进入检测区后不动， 则温度没有变化，传感器也没有输出了。所以这种传感器也称为人 体运动传感器。由实验证明，传感器不加光学透镜(也称菲涅尔透镜)， 其检测距离小于 2m，而加上光学透镜后，其检测距离可增加到 10m 左右。 热释电红外感应传感器内部电路及工作原理 热释电红外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，其内部电路如图 1 所示。 光学滤镜的主要作用是只允许波长在 10m 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。 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。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。 热释电效应同压电效应类似，是指由于温度的变化而引起晶体表 面电荷的现象。热释电红外传感器由陶瓷氧化物或压电晶体元件组 成，在元件两个表面做成电极，在传感器监测范围内温度有T 的 变化时，热释电效应会在两个电极上产生电荷Q，即在两电极之 间产生一微弱的电压V。由于它的输出阻抗极高，在传感器中有 一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷Q 会被空 气中的离子所结合而消失，即当环境温度稳定不变时，T=O，传 感器无输出。在自然界，任何高于绝对温度(-273)时物体都将产生 红外光谱，不同温度的物体，其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有关。 人体或者体积较大的动物都有恒定的体温，一般在 37 度，所以 会发出特定波长 10m 左右的红外线，当人体进入检测区，因人体 温度与环境温度有差别，人体发射的 10m 左右的红外线通过菲涅 耳透镜滤光片增强后聚集到红外感应源(热释电元件)上，红外感应 源在接收到人体红外辐射时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，进 而产生T 并将T 向外围电路输出，后续电路经检测处理后就能 产生报警信号。 若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有信号输 出，所以这种传感器适合检测人体或者动物的活动情况。 热释电红外传感器常用型号 目前常用的热释电红外传感器型号主要有 P228、LHl958、LHI954、RE200B、KDS209、PIS209、LHI878、P D632 等。热释电红外传感器通常采用 3 引脚金属封装，各引脚分别 为电源供电端(内部开关管 D 极，DRAIN)、信号输出端(内部开关管 S 极，SOURCE)、接地端(GROUND)。常见的热释电红外传感器外 形如图 2 所示。 热释电红外传感器的主要参数: 热释电红外传感器的主要工作参数有: 工作电压:常用的热释电红外传感器工作电压范围为 315V; 工作波长:通常为 7.514 m; 源极电压:通常为 0.41.1V，R=47k; 输出信号电压:通常大于 2.0V; 检测距离:常用热释电红外传感器检测距离约为 610m； 水平角度:约为 120； 工作温度范围:1040。 - 热释电红外传感器及其典型应用 摘要：介绍了热释电红外传感器的结构、工作原理、给出了热释电 红外传感器的两种典型应用电路一一红外报警电路和洗手间自动出 水系统电路，分析了电路功能和原理。 关键词：热释电红外传感器：BISS0001 防盗报警：红外开关 The typical application of pyroelectric infrared sensors Abstract：The principle of pyroelectdc infrared sensors is discussed in this paper .Two typicat application circuits with pyroelectric infrared sensors are provided, including infraredalarm circuit and automatic water supply system circuit in washroom，the function and the theory are also discussed. Key words：Pyroelectric Infrared Sensors；BISS0001;Infrared-alarm：Infrared-switch 1 引言 热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出 电信号的传感器。早在1938年，有人提出过利用热释电效应探测 红外辐射但并末受到重视，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宄和对热释电晶体的应 用。热释电晶体己广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测 器它可以作为红外激光的一种较理想的探测器， 目前已广泛应用 于各种自动化系统中。 2 红外辐射基本原理 太阳光经二棱镜能分成红、橙 、黄、绿、青、蓝、紫等七种颜 色，它们是可见光。其波长范围在O36m到O76m之间。在红 和紫两端的外面还有人眼感觉不到的光，称为不可见光。红外光就 是介乎可见红光和微波之间的电磁彼它的波长范围在0.76m到 1000m (10mm)之间， 频率为41014 Hz到3l011 Hz。在红 外光谱学中把115m称为近红外波段 1550m为中红外波 段501000m为远红外波段。在自然界中，任何高于绝对零度 (一273)的物体都是红外辐射源。热释电红外传感器正是根据物 质表丽温度不同而发出不同波段的红外光而进行温度检测的。 3 热释电红外传感器的工作原理和结构 人体具有约37的恒定体温所以会发出波长约lOm左右 的红外线热释电红外传感器就是靠探测人体发射的10m左右的 红外线而进行工作的。热释电红外传感器是一种具有极化现象的热 晶体或称为“铁电体”其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅 汞陶瓷以及钽酸钾、硫酸三甘铁等配合绿光镜片窗口组成。这种铁 电体的极化强度(单位面积的电荷)随温度变化而变化。当红外光 照射到已经极化的电铁体薄片表面上时，引起薄片温度升高。使其 极化强度降低表面电荷减少。这相当于释放一部分电荷，所以叫 做热释电红外传感器。如果将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载 电阻上便产生一个电信号输出。输出信号的大小取决于薄片温度变 化的快慢，从而反映出入射的红外光的强度。从而，热释电红外传 感器的电压响应率正比于入射红外光的变化率。当恒定的红外光照 射在热释电红外传感器上时，传感器没有电信号输出，而只有铁电 体处于变化过程中才有电信号输出。所以，必须有交变的红外光照 射，不断引起传感器的温度变化，才能导致热释电产生并输出交变 信号。 为抑制因环境和自身温度变化而产生的干扰，该传感器在工艺 上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式。由 于热电元输出的是电信号并不能直接使用，因而需要用电阻将其 转换为电压形式，该电阻阻抗高达104M，故将引入的N沟道场 效应管接成共漏(即源极跟随器)完成阻抗变换。热释电红外传感 器由传感探测元干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成，其结 构图如图l。使用时D端接电源正极，G端接电源负极， S端为 信号输出。 图1 热释电红外传感器结构图 制造热释电红外探测元件的高热村科是一种广谱村料，它的探 测波长范围为0.220m。为了对某一波长范围的红外辐射有较高 的敏感度，该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片