2022年热释电红外传感器的类别特性及应用 .pdf

文章编号 : 1009- 3907(2004)06- 0022- 03热释电红外传感器的类别特性及应用闫军,庄乾章( 长春大学电子信息工程学院,吉林长春130022)摘要 : 热释电红外传感器具有许多光电型传感器无法比拟的优点, 因此获得极为广泛的应用。不但用于国防军事,而且在工业和民用电子电器产品中都得到广泛应用。本文介绍这类传感器类别、 特性以及应用 。关键词 : 热释电传感器 ;类别 ; 特性 ;应用中图分类号 : TP212 114文献标识码 :B收稿日期 : 2004 208 223作者简介 : 闫军 (1946-) ,男,吉林省大安市人 ,长春大学 电子信息工程学院教授,中国电工技术学会高级会员 , 主要从事电专业基础教学和应用电子技术方面的教学与研究。0引言热释电器件是利用某些材料的热释电效应制成的红外检测元件。早在1938 年就曾有人提出过利用热释电效应探测红外辐射的想法, 但长期没有得到重视。直到20世纪 60年代才开始认真研究这个问题。尤其是近20 年来 ,无论从材料还是器件的研究方面都得到迅速发展。特别是陶瓷热释电材料,不但有良好的热释电特性,而且可以大批量生产,成本低。同时 ,随着技术的不断改进,使热释电红外传感器的结构日臻完善,体积越来越小。而且灵敏度和可靠性都得到提高,应用更方便。从而使当今热释电红外传感器的应用不断扩大,不但用于国防军事 , 而且在工业和民用电子电器产品中都得到广泛应用。由于应用的广泛,国外厂商一直在克服器件的缺点上进行卓有成效的努力。过去 , 欧美曾是热释电红外传感器的主要生产者和主要应用市场,近些年日本奋起直追,迎头赶上。现在 , 日本多家公司正努力研究和开发多种热释电红外传感器。例如,陶瓷公司、 Hokuriku 电气工业公司等。一些产品已占领国外市场1。红外传感器主要分两大类,一类是光电型 ,一类是热敏型2。前者利用光电效应工作, 响应速度快,检测特性好。但需要冷却,使用不方便。而且器件的检测灵敏度与红外波长有关。而热释电器件属于后者 ,它工作在室温条件下 , 检 测灵敏度很高 , 而且与辐射波长无关,可探测功率只受背景辐射的限制。而且热释电器件响应也很快,应用又方便。因此 ,热释电红外传感器是光电型传感器无法取代的。1热释电材料目前已发现的热释电材料有许多种,但最常用的不过 10 种。这些热释电材料可分成三类:(1)单晶材料 , 例 如,硫酸三 甘肽(TGS)或铌 酸锂 ;( 2) 陶瓷材料 , 例如 ,锆钛酸铅(PZ T)和钛酸铅 ;( 3) 高分子薄膜材料,如, 聚偏二氟乙烯。这三类材料中 ,性能最好的是陶瓷材料。它的居里点高,自发极化强度高,能大批量生产, 成本低。表1 给出几种常用热释电材料的特性比较。表 1热释电材料特性材料居里温度( e )介电常数热 释电系数( e / cm2k)TGS50383 1 510-8DTGS61182 1 710-8LiTiO3618542 1 310-8Pb TiO32752204 1 310-8PZ T2203805 1 010-8PV F2120110 1 210-8第 14卷第 6 期2004年 12月长春大学学报JO URNAL O F CHANGCHUN UNIVERSITYVol114No 16Dec.2004名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 3 页 - - - - - - - - - 当研制者首次开始研究热释电材料时,就曾意识到这类传感器的研制关键取决于薄膜技术。然而,市场已有的钛酸铅都较脆,易断裂 , 经不住实际应用的考验。为此, 日本 Hokuriku 公司曾决定研制坚固的钛酸铅材料。经过一系列实验, 曾试制了这种材料 , 但由于成本高而不得不放弃薄膜热释电器件的研制。而把注意力转到体型器件研制上,并希望利用已有的技术生产这种产品3。钛酸铅的确是一种杰出的热释电材料,因为它热释电常数大,而介电常数小。但缺点是难以烧结,而且烧结过程中产生铅蒸发,会使陶瓷成为单一成分的压电元件。此外, 极化电压太高。为克服这些缺点 , 研制人员通过在铅和钛中加入各种金属氧化物的方法进行改进。结果发现一种以钛酸铅为主要成分 , 另有钛酸钙和锑的三元陶瓷。它不但具有很好的热释电特性, 而且容易极化。由于钛酸铅的居里点很高 ,因此温度稳定性好。是目前理想的热释电材料3。2热释电传感器的结构、类别及特性热释电红外传感器是由陶瓷热释电元件, 氧化铝基底 ,场效应管前置电路, 窗口材料和外壳等部分组成的。为了获得很高的灵敏度, 热释电元件本身必须足够薄 ,尽量减小热容量。同时, 制成的传感器也必须是体积小、热容量小的特定结构。日本 Hokuriku 公司研制的用导电胶将热释电元件与引脚相固定的热释电红外传感器, 不但可保证热释电元件与氧化铝(FET 装在其上 ) 的间距恒定不变 ,而且也避免了热消耗。一般热释电元件本身厚度为 50 100Lm 4。由于热释电元件阻抗很高( 约 10118) , 所以易受外来噪声的影响。为解决这一问题, 在内部插入一个 FET 前置 级作为阻抗变换电路。其信噪比很高 , 灵敏度极高。表2是日本 Hokuriku 公司几种有代表性的热释电红外传感器元件的指标。热释电红外传感器主要有双元型、四元型和温补单元型三种。双元型和四元型广泛用于防盗装置中检测人的出现。温补单元型用于辐射高温计、气体分析设备、火焰检测器等。这三种热释电红外传感器中 ,应用最广泛的是双元型。因为它能检测目标的出现和目标的运动方向3。表 2三种典型传感器的指标名称、型号尺寸(mm)、电极数电 压响应度探测率工作温度( e )电源电压( V)视场双元型 Pyso112214001 1410-8- 20 + 704 1555/55四元型 Pyso311414001 1410-8- 20 + 705 1555/55温补单元 型 Pyso2 11 61 015 2214001 1410-8- 20 + 704 1545由于热释电红外传感器的灵敏度与辐射波长无关,所以检测范围宽。这对于辐射高温计是一大优点。而对于检测人的应用则会造成误动作。为此,检测人的传感器都带有选择性窗口材料。这种窗口材料只允许人体辐射波长通过( 7 15Lm)。日本公司研制出5 种窗口材料 ,其中 3 种是用于检测人的传感器,另两种用于其它场合。将这5种窗口材料与3 种传感器组合 ,可构成多种用途的传感器 ,满足用户不同的需要。3热释电红外传感器装置由于热释电元件本身的检测能力有限,而且需要辅助电路 , 所以实用性差。因此, 通常厂家大都提供完整的传感器装置 ,而不 是简单的传感器元件。热释电红外传感器装置通常是由热释电传感器元件、透镜系统, 辅助电路( 放大和信号处理 )和屏蔽盒组成。整个装置的体积很小。多功能传感器为 59 312115mm, 通用型为 35 3520mm4。选用传感器时主要根据应用对象来确定。多功能传感器 内部有定时器;通用型的体积小、价格低 ; 检测人的传感器内部设有滤波电路,可避免误报警。这些装置用户可通过电阻电容的调节任意设定灵敏度和定时时间。这些传感器装置都很容易安装到照明装置上,使它只在晚间工作, 或用于灯具控制。检测人的传感器检测距离为5m。只要人体温度大于环境温度4 e 即可 , 在有空调的房间,检测距离可达10m远2。4热释电红外传感器的应用热释电红 外传感 器除了 用于遥 感、制 导、夜视、主动雷达、热成像、气体分析、辐射计、测温等军事和工业场合外,近些年来 , 在消费电子电器产品中的应用正迅猛增长。目前应用最多的是检测人的传感器。广泛用于防盗报警系统、房间自助开第 6期闫军等 :热释电红外传感器的类别特性及应用23名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 3 页 - - - - - - - - - 灯控制、自动门和其它安全及自动化装置中。国外有把热释电传感器安装在售货机上, 当有人接近时机器可以说话。类似的重要应用是安装在工厂危险性机械系统上 ,防止人太靠近造成危险。5结语十几年来 ,热释电红外传感器的销量每年增长30% 以上。国外厂家正不断开发新产品以满足未来的市场需求。目前主要开发多功能多元智能传感器以及其它种类的产品。可以预见,热释电红外传感器在家用电器设备中的应用还将迅速增长。参考文献 : 1 闫军 . 国 外热释 电红 外传 感器的 开发 应用J.世界产品与技术 , 1993, 71 (6) : 15. 2 肖景和 ,赵健 . 红 外 热释 电与 超 声遥 控电 路 M.北京 : 人民邮电出版社, 2003. 9. 3 Takanori Kitao. New Techniq ues Enable pyroelectricIRSensors to pertormMultiple Functions M.JEE, 1992.8. 4 ShinLchiroMori. AS PyroelectricSensors shrink.Their Ap2plicationpotential widensJ .JEE,1993,( 8):32- 45.Pyroelectric infrared sensor ps classification characteristic and applicationsYAN Jun, ZHUANG Qian2zhang( Electronic InformationEngineeringCollege, ChangchunUniversity, Changchun130022, China)Abstract: Pyro electric infrared sensorshavemany advantages that surpasspho to infrared sensors, therefore, py roelectric infrared senso rshavewide 2rangingapplicati ons, not only in nationaldefenceandmilitary,but alsoin industrial andcivil electro nic productsand electric e2quipments. This article introducespyroelectricinfraredsensor ps chassfications,characteristicandapplications.Key words: pyroelectricsenso r;classfication; characteris tic;application(上接第 21页 )P217置 1,使 8255空闲 ;6264 脱离单片 机控制。8255的 PC5由 0 变 1;门控电路使 8237的存储器读写线与 6264 的读写线接通 ,完成 DMA 通道的连接;同时 , 8255 的 PC5作 为 CP U 请求 的回应 ,启动了 DMA 传送过程。( 2)8237 输 出 DACK 回答信号 , 开始 DMA 传送。( 3) 传送结束 , 8237输出 EOP信号 , 单片机检测到 2 次中断的发生 ,使 8255的 PC5置 0,恢复控制系统的原有工作状态。同时为下次D MA 传送做好了准备 , 并通知外设DMA 传送结束。3结论通过存储器扩展, 在仅占用单片机几十个存储空间和一个中断源的情况下, 实现了单片机控制系统的数据 DMA 传送 , 保证了单片机能在DMA 传送期间正常工作。实践证明,该系统可方便用于信号的高速采集 , 并可作为单片机控制系统与软盘驱动器的接口。参考文献 :1张洪润 , 蓝清华 . 单片机 应用技 术教 程 M . 北京 :清华大学出版社, 1997.2胡汉才 . 单 片机 原 理及 接口 技 术 M . 北 京: 清 华大学出版社 , 1998.3武庆生 , 仇梅 .单片机及 接口实 用教 程 M . 北京 :电子科技大学出版社, 1991.4李凯学 . 单 片机 原 理及 应用 M .重庆 :重庆 大 学出版社 , 1998.Realize data transfer of DMA in 51 serial single 2chip microcomputerWANG Hui,YANG hai( Economicsand InformationInstitute, ChangchunTaxationCollege, Changchun130000, China)Abstract: The 51 serial single 2chip microco mputer is o bviouslyinadequatecapaci ty in datatransfer. By extending the memory, thedata canbe transferredby usingthe interfaceto expandthecircuit andthe DMA controllerwith little sharein the single 2chipmircrocmputer psresources.This methodcanbeusedto designthe interfaceof thefloppy diskdriver or the high 2speedsamplingcircuit.Key words: memo ry expansio n; single 2chip microco mputer; DMA24长春大学学报第 14卷名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 3 页 - - - - - - - - -