第五章CCD 图像传感器

1、第五章第五章 CCD 图像传感器图像传感器 图像传感器图像传感器( (Imaging Sensor ,缩写为缩写为IS，又称成像，又称成像器件、摄像器件器件、摄像器件) )作为现代视觉信息获取的一种基作为现代视觉信息获取的一种基础器件，因其能实现信息的获取、转换和视觉功能础器件，因其能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展的扩展( (光谱拓宽、灵敏度范围扩大光谱拓宽、灵敏度范围扩大) )，能给出直观、，能给出直观、真实、层次最多、内容最丰富的可视图像信息，所真实、层次最多、内容最丰富的可视图像信息，所以在现代社会中得到了越来越广泛的应用。以在现代社会中得到了越来越广泛的应用。 图像传感器的功能是

2、把光学图像转换为电信号，图像传感器的功能是把光学图像转换为电信号，即把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息即把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息( (可见光和非可见光可见光和非可见光) )、转换为按时序串行输出的电、转换为按时序串行输出的电信号信号 视频信号，而视频信号能再现入射的光视频信号，而视频信号能再现入射的光辐射图像。把空间图像转换为按时序变化的电信号辐射图像。把空间图像转换为按时序变化的电信号的过程称为扫描。的过程称为扫描。 50年代前，摄像的任务主要都是用各种电子束年代前，摄像的任务主要都是用各种电子束摄像管摄像管( (如光导摄像管、飞点扫描管等如光导摄像管、飞点扫描管等

3、) )来完成。来完成。60年代后期，随着半导体集成电路技术，特别是年代后期，随着半导体集成电路技术，特别是MOS集成电路工艺的成熟，各种固体图像传感器得到迅集成电路工艺的成熟，各种固体图像传感器得到迅速发展，到速发展，到70年代末期。已有一系列产品在军事、年代末期。已有一系列产品在军事、民用各方面得到广泛应用。民用各方面得到广泛应用。 固体图象传感器固体图象传感器(Solid State Imaging Sensor 缩缩写为写为SSIS)主要有三大类型、一种是电荷耦合器件主要有三大类型、一种是电荷耦合器件(Charge Coupled Device简称简称CCD)，第二种是，第二种是MOS图

4、象传感器，又称自扫描光电二极管列阵图象传感器，又称自扫描光电二极管列阵(Self Scanned Photodiode Array，简称，简称SSPA)，第三种是，第三种是电荷注入器件电荷注入器件(Charge Injection Device，简称，简称CID)。目前，前两种用得比较多。目前，前两种用得比较多。同电子束摄像管相比，固体图象传感器有以下显著优点：同电子束摄像管相比，固体图象传感器有以下显著优点： (1)全固体化，体积很小，重量轻，工作电压和功耗都全固体化，体积很小，重量轻，工作电压和功耗都很低；耐冲击性好可靠性高，寿命长。很低；耐冲击性好可靠性高，寿命长。 (2)基本上不保留残

5、象，无象元烧伤、扭曲，不受电磁基本上不保留残象，无象元烧伤、扭曲，不受电磁干扰。干扰。 (3)红外敏感性。硅的红外敏感性。硅的SSPA光谱响应：光谱响应：0.201.0；CCD可作成红外敏感型；可作成红外敏感型；CID主要用于光谱响应大于主要用于光谱响应大于35微米的微米的红外敏感器件。红外敏感器件。 (4)象元尺寸的几何位置精度高象元尺寸的几何位置精度高(优于优于1微米微米)，因而可用，因而可用于不接触精密尺寸测量系统。于不接触精密尺寸测量系统。 (5)视频信号与微机接口容易视频信号与微机接口容易 主要应用领域：小型化黑白主要应用领域：小型化黑白/彩色彩色TV摄象机；传真摄象机；传真通讯系统

6、；光学字符识别（通讯系统；光学字符识别（OCR: Optical Character Recognition）；工业检测与自动控制；医疗仪器；）；工业检测与自动控制；医疗仪器；多光谱机载和星载遥感；天文应用；多光谱机载和星载遥感；天文应用；军事应用。军事应用。 CCD摄像器件由光敏（光积摄像器件由光敏（光积分）单元和电荷转移单元（读出移分）单元和电荷转移单元（读出移位寄存器）组成，每个光敏单元对位寄存器）组成，每个光敏单元对应一个象素如下图所示。各单元的应一个象素如下图所示。各单元的基本结构如右图所示，由金属、绝基本结构如右图所示，由金属、绝缘层、半导体构成。缘层、半导体构成。VG加正向偏加正

7、向偏压后在半导体内形成压后在半导体内形成“电子势阱电子势阱（耗尽区）（耗尽区）”，势阱的深度由，势阱的深度由VG的大小来控制。电子势阱可以用来的大小来控制。电子势阱可以用来存放电子，这些电子的注入方式既存放电子，这些电子的注入方式既可用可用“光注入光注入”（光敏单元采用光（光敏单元采用光注入），也可以用注入），也可以用“电注入电注入”（转（转移电荷时采用电注入）。移电荷时采用电注入）。 对于光敏单元，当受到光线照射时，在光子的作用下，对于光敏单元，当受到光线照射时，在光子的作用下，半导体内产生电子空穴对，空穴被排斥，电子被电子势阱半导体内产生电子空穴对，空穴被排斥，电子被电子势阱俘获。这种光生

8、电子作为反映光强的载体俘获。这种光生电子作为反映光强的载体电荷包被收电荷包被收集，成为光电荷注入，这就是集，成为光电荷注入，这就是CCD摄像器件的光电变换过摄像器件的光电变换过程。势阱内电荷包的大小与光照强度和光照时间成正比。程。势阱内电荷包的大小与光照强度和光照时间成正比。 光敏单元电子势阱的电荷包可以通过转移栅的作用并光敏单元电子势阱的电荷包可以通过转移栅的作用并行地转移到读出移位寄存器（电荷转移单元）中，读出移行地转移到读出移位寄存器（电荷转移单元）中，读出移位寄存器在读出脉冲（三相或四相脉冲）的作用下把各个位寄存器在读出脉冲（三相或四相脉冲）的作用下把各个来自光敏单元的电荷包读出，从而

9、获得各个像素的亮度值。来自光敏单元的电荷包读出，从而获得各个像素的亮度值。 光线光线 读出移位寄存器的读出移位寄存器的工作原理工作原理是依靠是依靠MOS电容电容与其电子势阱的存储电荷作用，以及改变栅压高与其电子势阱的存储电荷作用，以及改变栅压高低可以使势阱内电荷包逐个势阱转移的效应。当低可以使势阱内电荷包逐个势阱转移的效应。当MOS电容栅压电容栅压VG增高时，在半导体内部被排斥增高时，在半导体内部被排斥的电荷数也增加，耗尽层厚度增加，半导体内电的电荷数也增加，耗尽层厚度增加，半导体内电势越低，电子则向耗尽层移动、存储象对电子的势越低，电子则向耗尽层移动、存储象对电子的陷阱一样，称为电子势阱。陷

10、阱一样，称为电子势阱。电子势阱可以用来存电子势阱可以用来存放电子。其特点是：当放电子。其特点是：当VG增加，势阱变深；当增加，势阱变深；当VG减小，势阱变浅，电子向势阱深处移动。减小，势阱变浅，电子向势阱深处移动。 n在栅极加正偏压之前，在栅极加正偏压之前，P型半导体中的空穴（多子）的分布是均匀的。型半导体中的空穴（多子）的分布是均匀的。n加正偏压后，空穴被排斥而产生耗尽区，偏压增加，耗尽区向内延伸。加正偏压后，空穴被排斥而产生耗尽区，偏压增加，耗尽区向内延伸。n当当UG Uth时，半导体与绝缘体界面上的电势变得非常高，以致于将半导时，半导体与绝缘体界面上的电势变得非常高，以致于将半导体内的电

11、子体内的电子(少子少子)吸引到表面，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。吸引到表面，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。n反型层电荷的存在表明了反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能。结构存储电荷的功能。电荷存储电荷存储5.1 CCD图像传感器图像传感器电荷的转移（耦合）电荷的转移（耦合）n第一个电极保持10V，第二个电极上的电压由2V变到10V，因这两个电极靠得很紧(间隔只有几微米)，它们各自的对应势阱将合并在一起。原来在第一个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有。n若此后第一个电极电压由10V变为2V，第二个电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第二个电极下的势阱中。这样，深势阱

12、及电荷包向右移动了一个位置。nCCD电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地自一个电极转移到相邻电极。对绝大多数CCD，1m的间隙长度是足够了。n主要由三部分组成：信号输入、电荷转移、信号输出。n输入部分：将信号电荷引入到的第一个转移栅极下的势阱中，称为电荷注入。n电荷注入的方法主要有两类：光注入和电注入 电注入：用于滤波、延迟线和存储器等。通过输入二极管给输入栅极施加电压。 光注入：用于摄像机。用光敏元件代替输入二极管。当光照射CCD硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。的工作原理的工作原理P-Si输入栅输入二极管输出二

13、极管输出栅SiO2n在栅极上施加按一定规律变化、大小超过阈值的电压，则在半导体表面形成不同深浅的势阱。势阱用于存储信号电荷，其深度同步于信号电压变化，使阱内信号电荷沿半导体表面传输，最后从输出二极管送出视频信号。n为了实现电荷的定向转移，在CCD的MOS阵列上划分成以几个相邻MOS电荷为一单元的循环结构。一位CCD中含的MOS个数即为CCD的像数。n以电子为信号电荷的CCD称为N型沟道CCD，简称为N型CCD。而以空穴为信号电荷的CCD称为P型沟道CCD，简称为P型CCD。由于电子的迁移率远大于空穴的迁移率，因此N型CCD比P型CCD的工作频率高得多。的工作原理的工作原理 为确保为确保CDD的

14、转移功能，对时钟脉冲的要求的转移功能，对时钟脉冲的要求是：是：1 1）三相时钟脉冲有一定的交叠，在交）三相时钟脉冲有一定的交叠，在交叠区内，电荷包的源势阱与接收势阱同时共存，叠区内，电荷包的源势阱与接收势阱同时共存，以保证在这两个势阱间进行充分转移；以保证在这两个势阱间进行充分转移；2 2）时钟脉冲的低电平必须保证沟道表）时钟脉冲的低电平必须保证沟道表面处于耗尽状态；面处于耗尽状态；3 3）时钟脉冲幅度选取得当。）时钟脉冲幅度选取得当。 CCD的特性参数的特性参数作为成像器件，作为成像器件，CCD的主要特性参数仍然是的主要特性参数仍然是灵敏度、分辨力、光谱响应以及信噪比等。灵敏度、分辨力、光谱

15、响应以及信噪比等。但但CCD还起着电荷传输的作用，故还应包还起着电荷传输的作用，故还应包括转移效率、噪声、功耗等参数。括转移效率、噪声、功耗等参数。 主要参数：主要参数：1 转移效率转移效率 和损耗率和损耗率2 时钟频率的上、下限时钟频率的上、下限3 光谱特性和光电特性光谱特性和光电特性CCDCCD的特性参数的特性参数n像素数量，CCD尺寸，最低照度，信噪比等n像素数是指CCD上感光元件的数量。4444万（万（768768* *576576）、）、100100万（万（10241024* *10241024）、）、200200万（万（16001600* *12001200）、）、600600万万

16、（28322832* *21282128）n信噪比：典型值为典型值为46分贝分贝n感光范围感光范围 可见光、红外可见光、红外n CCD按电荷存储的位置分有两种基本类型1、电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输 表面沟道CCD(简称SCCD)。2、电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输， 体沟道或埋沟道器件(简称BCCD)。的类型的类型n线阵：光敏元排列为一行的称为线阵，象元数从128位至5000位以至7000位不等，由于生产厂家象元数的不同，市场上有数十种型号的器件可供选用。n面阵CCD：器件象元排列为一平面，它包含若干行和列的结合。n目前达到实用阶段

17、的象元数由25万至数百万个不等，按照片子的尺寸不同有13英寸、l2英寸、23英寸以至1英寸之分。5.2 CCD图像测量的二值化图像测量的二值化CCD图像测量的基本原理是：光学系统把被图像测量的基本原理是：光学系统把被测对象的光信息投射在测对象的光信息投射在CCD的光敏面元上，的光敏面元上，形成了光学图像。由形成了光学图像。由CCD器件把光敏元上的器件把光敏元上的光信息转换成与光强成比例的电荷量，积累光信息转换成与光强成比例的电荷量，积累起来的光电荷在一定频率的时钟脉冲的驱动起来的光电荷在一定频率的时钟脉冲的驱动下，在下，在CCD 输出端得到被测对象的视频信号。输出端得到被测对象的视频信号。视频

18、信号中每一个离散电压信号的大小对应视频信号中每一个离散电压信号的大小对应着该光敏元所接收的光强强弱，而信号输出着该光敏元所接收的光强强弱，而信号输出的时序则对应着的时序则对应着CCD光敏元位置的顺序。通光敏元位置的顺序。通过后续处理线路对过后续处理线路对CCD输出的视频信号进行输出的视频信号进行二值化或量化处理后，将被测对象从背景中二值化或量化处理后，将被测对象从背景中分离出来，为下一步的数据处理做好准备。分离出来，为下一步的数据处理做好准备。图7-5-12 二值化处理二值化处理电路二值化处理电路5.2 CCD图像测量的基本原理图像测量的基本原理二值化处理是把图像和背景作为分离的二值图二值化处

19、理是把图像和背景作为分离的二值图像对待。光学系统把被测对象成像在像对待。光学系统把被测对象成像在CCD光敏光敏元上，由于被测对象与背景在光强上的强烈变元上，由于被测对象与背景在光强上的强烈变化，反映在化，反映在CCD视频信号中所对应的图像尺寸视频信号中所对应的图像尺寸边界处会有急剧的电平变化，通过二值化处理边界处会有急剧的电平变化，通过二值化处理把把CCD视频信号中图像尺寸部分与背景部分分视频信号中图像尺寸部分与背景部分分离成二值电平。实现离成二值电平。实现CCD视频信号二值化的处视频信号二值化的处理由硬件电路完成，常采用电压比较器，即将理由硬件电路完成，常采用电压比较器，即将视频信号与某一电

20、平阈值比较，视频信号电平视频信号与某一电平阈值比较，视频信号电平高于阈值的部分输出高电平，而低于阈值部分高于阈值的部分输出高电平，而低于阈值部分输出低电平，形成具有一定宽度的二值化电平输出低电平，形成具有一定宽度的二值化电平的脉冲信号，该脉冲宽度对应被测对象的图像的脉冲信号，该脉冲宽度对应被测对象的图像尺寸大小，如上图所示。尺寸大小，如上图所示。线阵线阵CCD：一行，扫描；：一行，扫描；体积小，价格低；体积小，价格低；面面阵阵CCD: 整幅图像；直观；价格高，体积大；整幅图像；直观；价格高，体积大；面阵面阵CCDCCD芯片芯片CCDCCD在检测方面的应用在检测方面的应用n几何量测量 测宽、测长

21、、测径。n光谱测量 光谱仪输出信号测量。5.3 CCD玻管尺寸测控仪玻管尺寸测控仪CCD尺寸测量技术是一种非常有效的非接触检测方法，广泛应用于在线检测工件的尺寸。CCD玻管尺寸测控仪就是测量的一个应用实例，它对玻管外圆直径及壁厚尺寸进行实时监测，并根据测量结果对生产过程进行控制。光源照射被测玻管，经光学系统成像在CCD光敏阵列面上。由于各处透射率的不同，玻管的像在上下边缘处形成两条暗带，中间部分的透射光相对较强而形成亮带。两条暗带最外的边界距离是玻管外径成像的大小，中间亮带是玻管内径像的大小，暗带则是玻管壁厚像的大小，如图所示，CCD视频信号上出现了两个谷 5.3 CCD玻管尺寸测控仪玻管尺寸

22、测控仪图7-5-14 系统结构框图系统结构框图系统结构框图5.3 CCD玻管尺寸测控仪玻管尺寸测控仪图7-5-13 CCD视频信号CCD视频信号视频信号5.3 CCD玻管尺寸测控仪玻管尺寸测控仪把视频信号中的外径尺寸部分和壁厚部分进行二值化处理，填入标准时钟脉冲，该时钟脉冲对应CCD空间分辨率，由计算机采集这两个尺寸对应的脉冲数，经数据处理后可得到被测玻管的尺寸。本系统被测玻管的直径尺寸为20mm，光学系统的放大率为0.8倍，则玻管像的大小为16mm，被测玻管的测量精度要求达到0.05mm，他在像面上对应精度为0.04mm。根据CCD测量灵敏度的要求， 0.04mm要大于2个CCD像素的空间尺

23、寸。选择TCD102C型号CCD可满足上述测量范围和精度的要求。该器件的技术指标为： 2048感光像素元，14微米相邻像素中心距， 工作时钟1MHz，两相驱动， 同步脉冲宽度128微秒，同步周期：7.5ms。5.4 线阵线阵CCD在线测量棒状物尺寸在线测量棒状物尺寸棒状物长度的非接触式精密在线测量，是采用平行光源对被测物垂直照射，形成被测物的轮廓图像并把它投影在CCD图像传感器上，轮廓图像转变成CCD图像传感器的输出信号，该信号经二值化处理后，再由单片机进行数据采集及信号处理，最后由计算机的屏幕显示出来。整个测量系统如图所示 图中，平行光源、棒图中，平行光源、棒状物参比端及状物参比端及CCD图

24、像传感器必须置于图像传感器必须置于同一基准面上。棒状同一基准面上。棒状物被测端、平行光中物被测端、平行光中心轴线和心轴线和CCD的中的中心点要大致位于同一心点要大致位于同一直线上。直线上。平行光源的作用是产平行光源的作用是产生一束高平行度的光生一束高平行度的光线，以使棒状物经平线，以使棒状物经平行光垂直照射后在行光垂直照射后在CCD上形成上形成1：1的的高精度像。高精度像。5.4 线阵线阵CCD在线测量棒状物尺寸在线测量棒状物尺寸7-5-16 棒状物成像系统及CCD输出波形5.4 线阵线阵CCD在线测量棒状物尺寸在线测量棒状物尺寸平行光源是本系统中的一个关键设备，它采用高亮度白平行光源是本系统

25、中的一个关键设备，它采用高亮度白炽灯作为光源，经组合透镜后形成平行光束，因而具有炽灯作为光源，经组合透镜后形成平行光束，因而具有结构简便、平行度高及亮度均匀等特点。结构简便、平行度高及亮度均匀等特点。本系统中使用的本系统中使用的CCD型号为型号为TCD141C，像点尺寸为，像点尺寸为7m，共共5000个像点，测量长度范围为个像点，测量长度范围为35mm。由平行光源、。由平行光源、CCD图像传感器及棒状物构成的成像系统以及图像传感器及棒状物构成的成像系统以及CCD视频视频输出信号的波形如上图所示。输出信号的波形如上图所示。图中，棒状物挡住了部分平行光，未被挡住的平行光照图中，棒状物挡住了部分平行

26、光，未被挡住的平行光照射在射在CCD上成像。上成像。OS1和和OS2分别为分别为CCD奇数位和偶数位奇数位和偶数位像点的脉冲输出波形。奇、偶位像点脉冲有一个相位差。像点的脉冲输出波形。奇、偶位像点脉冲有一个相位差。利用这个相位差可以很方便地对成像信号进行二值化处利用这个相位差可以很方便地对成像信号进行二值化处理。理。SHSH为周期扫描信号脉冲，利用为周期扫描信号脉冲，利用SH可作为计数的定可作为计数的定位脉冲。位脉冲。5.4 线阵线阵CCD在线测量棒状物尺寸在线测量棒状物尺寸信号处理首先对CCD成像信号进行二值化处理。在光源照射下，CCD的成像电平在对应于棒状物被测端应有明显的电平变化，通过二

27、值化处理可以把CCD视频信号中对应的图像尺寸边界分离出来，CCD视频信号二值化处理的硬件电路如图所示。5.4 线阵线阵CCD在线测量棒状物尺寸在线测量棒状物尺寸CCD图像传感器的奇数位和偶数位输出的信号OS1和OS2经放大后和同一个阈值电平进行电压比较，根据这两路视频信号脉冲相位错叠的特点，通过逻辑电路合成一个方波 0 0, ,该方波的该方波的前沿代表棒状物被测端的位置前沿代表棒状物被测端的位置(即图中的即图中的h1)。实。实践证明，我们只要选择合适的阈值，可以满足践证明，我们只要选择合适的阈值，可以满足测量精度的要求。测量精度的要求。单片机的功能主要有两个，一是完成棒状物参单片机的功能主要有

28、两个，一是完成棒状物参与成像的长度的定时计数功能，二是完成棒状与成像的长度的定时计数功能，二是完成棒状物整个长度物整个长度h=h1+h0的数据转换，并送给计算机的数据转换，并送给计算机进行处理，进行处理， 其中其中h0代表棒状物未参与成像的固代表棒状物未参与成像的固定长度。定长度。第六章、第六章、 热释电红外传感器及其应用热释电红外传感器及其应用 热释电红外传感器是一种被动式调制型温度热释电红外传感器是一种被动式调制型温度敏感器件，利用热释电效应工作，它是通过目标敏感器件，利用热释电效应工作，它是通过目标与背景的温差来探测目标的。其响应速度虽不如与背景的温差来探测目标的。其响应速度虽不如光子型

29、，但由于它可在室温下使用、光谱响应宽、光子型，但由于它可在室温下使用、光谱响应宽、工作频率宽，灵敏度与波长无关，容易使用。这工作频率宽，灵敏度与波长无关，容易使用。这种探测器，灵种探测器，灵敏度高，探测面广，是一种可靠性敏度高，探测面广，是一种可靠性很强的探测器。因此广泛应用于各类入侵报警器，很强的探测器。因此广泛应用于各类入侵报警器，自动开关、非接触测温、火焰报警器等，目前生自动开关、非接触测温、火焰报警器等，目前生产有单元、双元、四元、产有单元、双元、四元、180等传感器和带有等传感器和带有PCB控制电路的传感器。常用的热释电探测器如：控制电路的传感器。常用的热释电探测器如：硫酸三甘钛（硫

30、酸三甘钛（TGS）探测器、铌酸锶钡（）探测器、铌酸锶钡（SBN）探测器、钽酸锂（探测器、钽酸锂（LiTaO3）探测器、锆钛酸铅）探测器、锆钛酸铅（PZT）探测器等。）探测器等。热释电效应：当一些晶体受热时，在晶体两端将会热释电效应：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数量相等而符号相反的电荷。这种由于热变化而产生的电极化现象称为热释电效应。而产生的电极化现象称为热释电效应。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被空气中通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被空气中附集在晶体外表面的自由电子所中和，其自发极化附集在晶体外表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能

31、显示出来。当温度变化时，晶体结构中的电矩不能显示出来。当温度变化时，晶体结构中的正、负电荷重心产生相对位移，晶体自发极化值就正、负电荷重心产生相对位移，晶体自发极化值就会发生变化，在晶体表面就会产生电荷，对外显示会发生变化，在晶体表面就会产生电荷，对外显示电性。电性。 若温度对时间的变化率为若温度对时间的变化率为Dt/dt，极化强度，极化强度PS 对对时间的变化率为时间的变化率为dPs/dt，它相当于外电路上流动的，它相当于外电路上流动的电流。射电极面积为电流。射电极面积为A，则信号电压的大小为：，则信号电压的大小为：U=ARL dPs/dt=ARL dPs/dT dT/dt，A为敏感元面积，

32、为敏感元面积，RL为负载电阻；为负载电阻；dPs/dT为常数。为常数。1. 热释电红外传感器的结构热释电红外传感器的结构n 常见的热释电红外传感常见的热释电红外传感器的外形如图所示。器的外形如图所示。n热释电红外传感器由敏感热释电红外传感器由敏感元、场效应管、高阻电阻元、场效应管、高阻电阻等组成，并向壳内充入氮等组成，并向壳内充入氮气封装起来，内部结构如气封装起来，内部结构如下图所示。下图所示。常见热释电红外传感器的外形热释电传感器的内部结构n 敏感元敏感元n敏感元用红外热释电材料敏感元用红外热释电材料 锆钛酸铅锆钛酸铅(PZT)制成制成，经极化处理后，其剩余极化强度随温度，经极化处理后，其剩

33、余极化强度随温度T升高升高而下降。制作敏感元件时，将热释电材料制成很而下降。制作敏感元件时，将热释电材料制成很小的薄片，再在薄片两面镀上电极，构成两个串小的薄片，再在薄片两面镀上电极，构成两个串联的、有极性的小电容。把两个极性相反的热释联的、有极性的小电容。把两个极性相反的热释电敏感元做在同一晶片上，由于温度的变化影响电敏感元做在同一晶片上，由于温度的变化影响整个晶片产生温度变化时，两个敏感元产生的热整个晶片产生温度变化时，两个敏感元产生的热释电信号互相抵消，起到补偿作用。释电信号互相抵消，起到补偿作用。n使用热释电传感器时，通常要在使用菲涅尔透镜使用热释电传感器时，通常要在使用菲涅尔透镜将外

34、来红外辐射通过透镜会聚光于一个传感元上将外来红外辐射通过透镜会聚光于一个传感元上，它产生的信号不会被抵消。，它产生的信号不会被抵消。n 热释电传感器的特点是它只在由于外界的辐射而热释电传感器的特点是它只在由于外界的辐射而引起它本身的温度变化时，才会给出一个相应的引起它本身的温度变化时，才会给出一个相应的电信号，当温度的变化趋于稳定后，就再没有信电信号，当温度的变化趋于稳定后，就再没有信号输出，即热释电信号与它本身的温度的变化率号输出，即热释电信号与它本身的温度的变化率成正比。因此，热释电传感器只对运动的人体或成正比。因此，热释电传感器只对运动的人体或物体敏感。物体敏感。 传感器内部接线图 场效

35、应管及高阻值电阻场效应管及高阻值电阻Rg 敏感元的阻值可达敏感元的阻值可达1013，因此需用场效应管进行阻，因此需用场效应管进行阻抗变换才能应用。场效应管常用抗变换才能应用。场效应管常用2SK303V3，2SK94X3等等型号，用来构成源极跟随器。高阻值电阻型号，用来构成源极跟随器。高阻值电阻Rg的作用是释放的作用是释放栅极电荷，使场效应管安全正常工作，源极输出接法时，栅极电荷，使场效应管安全正常工作，源极输出接法时，源极电压约源极电压约0.4一一1.0V。如传感器内部接线图如下图所示。如传感器内部接线图如下图所示。 红外滤光片透射曲线 滤光片滤光片(FT) PZT制成的敏感元件是一种光谱材料

36、，能探测各种制成的敏感元件是一种光谱材料，能探测各种 波长辐射。波长辐射。为了使传感器对人体最敏感，而对太阳、电灯光等有抗干扰性，为了使传感器对人体最敏感，而对太阳、电灯光等有抗干扰性，传感器采用了滤光片作窗口。滤光片是在传感器采用了滤光片作窗口。滤光片是在Si基片上镀多层膜制成基片上镀多层膜制成的。每个物体都能发出红外辐射，其辐射峰值波长满足维恩位移的。每个物体都能发出红外辐射，其辐射峰值波长满足维恩位移定律。定律。对于人体体温对于人体体温(约约36)，辐射的最长波长为，辐射的最长波长为 m=2898309=9.4m，也就是说，人体辐射在，也就是说，人体辐射在9.4m处最强，红外滤光片处最强

37、，红外滤光片选取了选取了6.514m波段，能有效地选取人体的红外辐射。红外滤波段，能有效地选取人体的红外辐射。红外滤光片透射曲线如上图所示。由图可见，小于光片透射曲线如上图所示。由图可见，小于6.0m的光锐减至的光锐减至0，6.515.0m的辐射，其透射率达的辐射，其透射率达60以上，因此，以上，因此，FT可以有效可以有效地防止、抑制电灯、太阳光的干扰，但对电灯发热引起的红外辐地防止、抑制电灯、太阳光的干扰，但对电灯发热引起的红外辐射光有时也能产生误动作。热释电传感器常用于防盗报警、自动射光有时也能产生误动作。热释电传感器常用于防盗报警、自动门、自动灯等。门、自动灯等。 2. 热释电红外传感器

38、的应用热释电红外传感器的应用 人体探测防盗报警器人体探测防盗报警器 菲涅尔透镜菲涅尔透镜(FRESNEL LENS) 热释电传感器的前面要加菲涅尔透镜才能增加探测距离。热释电传感器的前面要加菲涅尔透镜才能增加探测距离。菲涅尔透镜是一种由塑料制成的特殊设计的透镜组，它上面菲涅尔透镜是一种由塑料制成的特殊设计的透镜组，它上面的每个单元透镜一般都只有一个不大的视场，而相邻的两个的每个单元透镜一般都只有一个不大的视场，而相邻的两个单元透镜的视场既不连续，也不重叠，都相隔一个盲区。它单元透镜的视场既不连续，也不重叠，都相隔一个盲区。它的外型如下图所示。的外型如下图所示。菲涅尔透镜的外形 CE-024型菲

39、涅尔透镜的视场的侧视图和俯视图如下图型菲涅尔透镜的视场的侧视图和俯视图如下图所示。当人体在这一监视范围内运动时，顺次地进入某一单所示。当人体在这一监视范围内运动时，顺次地进入某一单元透镜的视场，又走出这一视场，热释电传感器对运动的人元透镜的视场，又走出这一视场，热释电传感器对运动的人体一会儿看到，一会儿看不到，再过一会又看到，之后又看体一会儿看到，一会儿看不到，再过一会又看到，之后又看不到，于是人体的红外辐射不断地改变热释电不到，于是人体的红外辐射不断地改变热释电菲涅尔透镜的视场的温度，使它输出一个又的温度，使它输出一个又一个相应的信号。从图示一个相应的信号。从图示的视场图可以看出，菲涅的视场

40、图可以看出，菲涅尔透镜是有防盗盲区的，尔透镜是有防盗盲区的，安装在安装在2m高处的菲涅尔透高处的菲涅尔透镜存在着小于镜存在着小于1m的盲区，的盲区，在图示的黑影之下。在图示的黑影之下。 不加菲涅尔透镜，探不加菲涅尔透镜，探测距离仅为测距离仅为2m左右，加上左右，加上菲涅尔透镜后，其探测距菲涅尔透镜后，其探测距离可达离可达10米，若采用双重米，若采用双重反射型菲涅尔透镜，其探反射型菲涅尔透镜，其探测距离可达测距离可达20m以上。以上。 探测电路探测电路 人体进入探测范围内，传感器的输出信号频率大人体进入探测范围内，传感器的输出信号频率大约为约为0.110Hz，这频率范围是由菲涅尔送人体运动，这频

41、率范围是由菲涅尔送人体运动速度和热释电传感器本身的特性决定的。其探测电速度和热释电传感器本身的特性决定的。其探测电路由检测、放大、比较电路、延时电路与驱动电路路由检测、放大、比较电路、延时电路与驱动电路组成。组成。 检测放大电路：检测放大电路由热释电传感器检测放大电路：检测放大电路由热释电传感器SD02及滤波放大器及滤波放大器A1、A2等组成，具有等组成，具有4000多多倍的放大能力。倍的放大能力。 比较器电路：比较器电路：A3组成电压比较组成电压比较器，无报警信号时输出低电平；当有人入侵时，器，无报警信号时输出低电平；当有人入侵时，比较器翻转比较器翻转LED亮，当人体运动时则输出一串脉亮，当

42、人体运动时则输出一串脉冲。冲。 延时驱动电路：延时驱动电路： 555，555和和VT2组成组成延时、驱动电路。当延时、驱动电路。当A3输出一个正脉冲，输出一个正脉冲，C12充充电，无脉冲电，无脉冲C12将通过将通过R17放电；若人在报警区移放电；若人在报警区移动，动，C12不断允电，当达到一定电压时，不断允电，当达到一定电压时，VT1触发触发555，使，使VT 2导通，吸合继电器，使其控制报警导通，吸合继电器，使其控制报警器。器。 555组成延时电路。避免开机瞬间的误报组成延时电路。避免开机瞬间的误报警。警。 集成红外探测报警器集成红外探测报警器 被动红外探测控制集成电路被动红外探测控制集成电路TWH9511 TWH系列系列PIR(热释电传感器热释电传感器)控控制电路采用大规模制电路采用大规模CMOS数字电路及数字电路及微型元件固化封装，具有性能指标高，微型元件固化封装，具有性能指标高，一致性好，外围电路简单，安装方便，一致性好，外围电路简单，安装方便，无需调试等特点。无需调试等特点。该电路按信该电路按信表表10.1.1号输出号输出方式方式可分为三种：可分为三种：交流供电继交流供电继电器输出型电器输出型TWH9511；交流供电可交流供电可控硅输出型控硅输出型TWH