热释电人体红外传感器原理及应用

热释电红外传感器原理及应用热释电红外传感器原理及应用 ( (测控技术与仪器测控技术与仪器 10021002 班，刘建军发班，刘建军发) ) 【摘摘 要要】：随着社会的发展，各种方便于生活的自动控制系统开始进入了人们的生活，以热 释电红外传感器为核心的自动门系统就是其中之一。热释电红外传感器是基于热电效应原理的热电 型红外传感器。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锂、硫酸三甘铁等配合虑 光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。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。设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片， 并在它的两面镀上金属 电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。 【关键词关键词】：热释电、红外线、自动控制、自动门。 1 热释电红外传感器原理 1.1 热释电红外传感器的原理特性 热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。不同的是热释电红外 传感器的热电系数远远高于热电偶，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锂、 硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。为了抑制因自身温度变化而产 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，因而能 以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化 并将其转换为电信号输出。热释电红外传感器在结 构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。由于热电元输出的是电荷信号，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 104，故引入的沟道结型场效应管应接 成共漏形式 即源极跟随器 来完成阻抗变换。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。设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极， 然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。由于加电极化的电压是有极性的，因此极化 后的探测元也是有正、负极性的。 1.2 被动式热释电红外传感器的工作原理与特性 人体都有恒定的体温，一般在 37 度，所以会发出特定波长 10UM 左右的红外线，被动式红外探 头就是靠探测人体发射的 10UM 左右的红外线而进行工作的。人体发射的 10UM 左右的红外线通过菲 2 泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体 红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警 信号。 1)这种探头是以探测人体辐射为目标的。所以热释电元件对波长为 10UM 左右的红外辐射必须 非常敏感。 2)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泥尔滤光片，使环境 的干扰受到明显的控制作用。 3)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。而且制成的两个电极化方向 正好相反，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。 4)一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热 释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而报警。 5)菲泥尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离） ，从而产生不同的监控视场， 视场越多，控制越严密。 被动式热释电红外探头的优缺点： 优点： 本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好。价格低廉。 缺点： 1、容易受各种热源、光源干扰 2、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。 3、易受射频辐射的干扰。 4、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。 抗干扰性能： 1、防小动物干扰 探测器安装在推荐地使用高度，对探测范围内地面上地小动物，一般不产生报警。 2、抗电磁干扰 探测器的抗电磁波干扰性能符合 GB10408 中 4.6.1 要求，一般手机电磁干扰不会引起误报。 3、抗灯光干扰 探测器在正常灵敏度的范围内，受 3 米外 H4 卤素灯透过玻璃照射，不产生报警。 红外线热释电传感器的安装要求： 红外线热释电人体传感器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系。正确 3 的安装应满足下列条件： 1、红外线热释电传感器应离地面 2.0-2.2 米。 2、红外线热释电传感器远离空调, 冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方。 3、红外线热释电传感器探测范围内不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。 4、红外线热释电传感器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条 件的最好把窗帘拉上。红外线热释电传感器也不要安装在有强气流活动的地方。 红外线热释电传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。红外线热释电传感器对于 径向移动反应最不敏感, 而对于横切方向 (即与半径垂直的方向)移动则最为敏感. 在现场选择合 适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环。 1.31.3 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，电荷耗尽的状况正比于极化程度。 能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件，其常用的材料有单(LiTaO3 等)、 压电陶瓷（PZT 等）及高分子薄膜（PVFZ 等） 。 根据菲涅耳原理制成，把红外光线分成可见区和盲区，同时又有聚焦的作用，使热释电人体红 外传感器 (PIR) 灵敏度大大增加。菲涅耳透镜折射式和反射式两种形式，其作用一是聚焦作用，将 热释的红外信号折射（反射）在 PIR 上；二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。 4 2 热释电红外传感器应用-自动门 2.1 自动门设计原理 在自动门领域中，被动式人体热释电红外线感应开关的应用非常广泛，因其性能稳定且能长期 稳定可靠工作而受到广大用户的欢迎，这种开关主要由人体热释电红外线传感器、信号处理电路、 控制及执行电路、电源电路等几部分组成。 待测 目标 光学系统 （菲涅尔透镜） 热释电红 外传感器 信号 处理 自动门控 制电路 热释电红外感自动门电路结构框图 热释电红外自动门主要由光学系统、热释电红外传感器、信号滤波和放大、信号处理和自动门 电路等几部分组成。菲涅尔透镜可以将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外探测元上，同时也产生 交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区，以适应热释电探测元要求信号不断变化的特性；热释电红外 传感器是报警器设计中的核心器件，它可以把人体的红外信号转换为电信号以供信号处理部分使用； 信号处理主要是把传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、延迟、比较，为报警功能的实现打下 基础。 在该探测技术中，所谓“被动”是指探测器本身不发出任何形式的能量，只是靠接收自然界能 量或能量变化来完成探测目的。被动红外自动门的特点是能够响应人体在探测区域内移动时所引起 的红外辐射变化，并能使监控报警器产生报警信号，从而完成报警功能。图 6 所示是该报警器的工 作电路原理图。 当人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜被聚焦在热释电红外传感器的探测元上时，电路中的传 感器将输出电压信号，然后使该信号先通过一个由、组成的带通滤波器，该 滤波器的上限截止频率为，下限截止频率为。由于热释电红外传感器输出的 探测信号电压十分微弱（通常仅有左右） ，而且是一个变化的信号，同时菲涅尔透镜的作用 又使输出信号电压呈脉冲形式（脉冲电压的频率由被测物体的移动速度决定，通常为 左右） ，所以应对热释红外传感器输出的电压信号进行放大。本设计运用集成运 算放大器来进行两级放大，以使其获得足够的增益。 5 当传感器探测到人体辐射的红外线信号并经放大后送给窗口比较器时，若信号幅度超过窗口比较器 的上下限，系统将输出高电平信号；无异常情况时则输出低电平信号。在该比较器中， 、用做参考电压，两个运算放大器用做比较，两个二极管的主要作用是使输出 更稳定。窗口比较器的上下限电压即参考电压分别为 3.8和。将这个高低电平变化的信 号上升沿信号作为单稳电路的触发信号，并让其输出一个脉宽大约为的高 电平信号。再用这一脉宽信号作为报警电路的输入控制信号，来使电路产生的 报警信号，最后用三极管和再一次对电信号进行放大，以便有足够大的电流来驱动喇 叭使其连续发出的报警声。 前两个 LM324 是两级放大器。传感器检测到人体红外线后产生的感应信号很微弱，电路中设置 了诸多旁路电容都是为了抑制干扰，避免误动作。后两个 LM324 是上、下限电压比较器。只有传感 器感应产生的交变信号经放大达到足够电平才能使其输出为高电平，以控制后面继电器 K1 是否得 电。K1 得电，此时将进入自动门控制部分。K1 得电则 KA2 得电吸合，KA2 常开闭合自锁，电机开 始正转，门就慢慢打开。当接触到行程开关 QS1 后，之前动作的触点复位，电机停止，门也不动了， 一直处于开启状态。同时行程开关的常开触点闭合，时间继电器 KT 得电延时 5S。5S 后 KT 常开闭 合， KA 得电，KA3 常开闭合自锁，电机开始反转，直到碰到行程开关 QS2，门已关上，电机停止 反转。以上为电路运行的所有过程。 2.2 安装： 元件选择与参数确定：元件选择与参数确定： 这次设计中主要选择 LM324 作为主要芯片，因是这两块芯片在以前学过的书本中都有所接触， 运用起来相对比较熟悉。LM324 是一个具有两极放大的比较器。而在自动门控制电路中，我使用了 继电器、时间继电器、行程开关等一些强电器件来实现自动门的正常工作。 3 结 论 随着相关信号处理器性能和可靠性的不断提高，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，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， 广泛应用于各种自动化控制装置中，既可作为红外激光的一种较理想的探测器，又可适用于防 盗报警、自动门等红外领域。 6 参考文献 【1】 张岳.自动控制原理M.清华大学出版社.2005.8 【2】