热释电传感器原理与应用

热释电传感器原理与应用热释电传感器原理与应用 PrinciplePrinciple ofof pyroelectricpyroelectric infraredinfrared sensorsensor andand itsits applicationapplication 百利通电子上海有限公司邮编 200233 china 李建 摘要摘要 文章主要介绍热释电传感器及百利通电子有限公司的人体感应处理芯片 PT8A26XXP 的工作原理,同时， 结合其原理及特点介绍在安全防盗、节能开关、自动控制等领域中，热释电红外传感器及相关处理芯片 的广泛应用。 Abstract This article mainly introduces operational principles of Pyroelectric Infrared(PIR) sensor and PTIs PIR processing chip PT8A26XXP, meanwhile, with their principles and features, this article also shows widely application of PIR sensor and the related chip in safety and protection, energy-saving switch and automatic control field. 关键词：关键词：热释电效应，被动式热释电红外传感器，菲涅耳透镜 Keywords: pyroelectric effect, passive pyroelectric infrared sensor, fresnel lens 中图分类号 TN219文献标识码 B 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而 输出电信号。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。近年来，伴随着集成电路技术的飞速发 展，以及对该传感器的特性的深入研究，相关的 专用集成电路处理技术也迅速增长。本文先介绍 传感器的原理，然后再描述相关的专用集成电路 处理技术。 1.1.热释电效应热释电效应 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。 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。当温度变化时，晶 体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发 生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，而电荷耗 尽情况正比于极化程度，图一表示了热释电效应 形成的原理。 能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或 热释电元件。热释电元件常用的材料有单晶 (LiTaO3 等)、压电陶瓷（PZT 等）及高分子薄膜 （PVFZ 等）2 2。 热释电传感器利用的正是热释电效应，这是 一种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 传感器 图一、热释电效应的形成原理 1 1 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。所以这种传感器检测人体或者动 物的活动传感。 图二、热释电红外传感器的结构及内部电路 1 1 热释电红外传感器的结构及内部电路见图二所示。 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。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 6 微米多层膜 干涉滤光片，对太阳光和荧光灯光的短波长（约 5 微米以下）可很好滤除。热释电元件 PZT 将波长 为 8 一 12um 之间的红外信号的微弱变化转变为电 信号，为了仅仅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。菲涅耳透镜根据 菲涅耳原理制成，把红外光线分成可见区跟盲区， 同时又有聚焦的作用，使热释电人体红外传感器 (PIR) 的灵敏度大大增加。菲涅耳透镜有两种形 式，即折射式和反射式。菲涅耳透镜作用有两个： 一是聚焦作用，即将热释的红外信号折射（反射） 在 PIR 上， 第二个作用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 就能产生变化的电信号。 如果我们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。 图三、菲涅耳透镜 1 1 2.2.被动式热释电红外传感器的工作原理与特性：被动式热释电红外传感器的工作原理与特性： 在自然界，任何高于绝对温度（-273K）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 温度的高低是相关的。而且辐射能量的大小与物 体表面温度有关。 人体都有恒定的体温，一般在 37 度，所以会 发出 10 微米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。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（如图 2C） ，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 3 3。 3.3.被动式热释电红外探头的优缺点：被动式热释电红外探头的优缺点： 优点：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。 缺点：信号幅度小，容易受各种热源、光源干 扰；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。易受射频辐射的干 扰。 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。 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。 4.4.热释电红外探头处理芯片原理及应用热释电红外探头处理芯片原理及应用 虽然被动式热释电红外探头有些缺点，但是 利用特殊的信号处理方法后，仍然使它在某些领 域具有广阔的应用前景。因此，有很多公司根据 PIR 传感器的特性设计了专用的信号处理器，比如 HOLTEK HT761X,PTI PT8A26XXP,WELTREND WT8072,BISS0001。这里对 PTI（百利通电子有限 公司）的专用芯片 PT8A26XXP 作一个应用实例的 介绍。 图四、人体感应开关方框图 上图中的黄色部分是 PIR 信号处理部分，有 两个运算放大器、一个窗口比较器、一个稳压器、 一个系统振荡器和一个逻辑控制器。其它是依赖 处理结果的控制部分,这里重点介绍 PIR 信号处理 部分，控制部分就简单掠过。 我们知道，对任何信号的处理都要先了解它 的特点。由于 PIR 信号变化缓慢、幅值小，所以 针对该特点，专用信号处理器一般分为三步进行 处理。首先作滤波放大处理。然后通过窗口比较 器初步检出满足幅度要求的信号再转换成数字脉 冲信号。最后进行噪声抑制数字信号处理。下面 是信号处理过程的形象简图。 图五、人体感应开关的信号处理过程 信号的具体处理步骤如下： 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 72.5dB，通带 0.3Hz7Hz。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。 窗口比较器 经过放大后的信号通过窗口比较器后变成一系列 数字脉冲信号。 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 4 4： 判别操作限制在 2 秒内 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 340 ms 双脉冲，其中宽的必须大于 160 ms，窄的大 于 24ms 三个脉冲有效，每个都必须大于 24ms 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。百利通的 PT8A26XX 系列主要是用于做自动延时开关，人 来即开，人走延时关闭，其中延时可调，还可设 定白天不工作。前面谈及的其它几个公司的处理 器功能都基本类似，目前它们在节能领域应用较 广。 5.5.结论结论 现在，随着相关信号处理器的性能、可靠性 不断提高，热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、 红外遥感以及热辐射探测器，在高端领域，它可 以作为红外激光的一种较理想的探测器。低端， 它适用于防盗报警、来客告知及非接触开关等红 外领域。目前因其价格低廉、技术性能稳定而受 到广大用户和专业人士的欢迎，正被广泛的应用 到各种自动化控制装置中。除了在我们熟知的搂 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