2022年热释电大全 .pdf

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1、3.3.2 热释电红外传感器热释电红外 (PIR) 传感器，亦称为热红外传感器，是一种能检测人体发射的红外线的新型高灵敏度红外探测元件。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。将输出的电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路，如作电源开关控制、防盗防火报警等。目前市场上常见的热释电人体红外线传感器主要有上海赛拉公司的SD02、PH5324，德国 Perkinelmer 公司的 LHi954 、LHi958 ，美国 Hamastsu 公司的 P2288，日本 Nippon Ceramic 公司的 SCA02-1、RS02D 等。虽然它们的型号不一样，但其结构、外

2、型和特性参数大致相同，大部分可以彼此互换使用。热释电红外线传感器由探测元、滤光窗和场效应管阻抗变换器等三大部分组成，如图3-29 所示。对不同的传感器来说，探测元的制造材料有所不同。如SD02 的敏感单元由锆钛酸铅制成； P2288 由 LiTaO3 制成。将这些材料做成很薄的薄片，每一片薄片相对的两面各引出一根电极， 在电极两端则形成一个等效的小电容。因为这两个小电容是做在同一硅晶片上的，因此形成的等效小电容能自身产生极化，在电容的两端产生极性相反的正、负电荷。传感器中两个电容是极性相反串联的。图 3-29 双探测元热释电红外传感器当传感器没有检测到人体辐射出的红外线信号时，在电容两端产生极

3、性相反、电量相等的正、负电荷，所以，正负电荷相互抵消，回路中无电流，传感器无输出。当人体静止在传感器的检测区域内时，照射到两个电容上的红外线光能能量相等，且达到平衡，极性相反、能量相等的光电流在回路中相互抵消，传感器仍然没有信号输出。当人体在传感器的检测区域内移动时，照射到两个电容上的红外线能量不相等，光电流在回路中不能相互抵消，传感器有信号输出。综上所述， 传感器只对移动或运动的人体和体温近似人体的物体起作用。滤光窗是由一块薄玻璃片镀上多层滤光层薄膜而成的，能够有效地滤除7.014um 波长以外的红外线。人体的正常体温为3637.5，即 309310.5K ，其辐射的最强的红外线的波长为 m

4、=2989/（ 309310.5）=9.679.64um ，中心波长为9.65um，正好落在滤光窗的响应波长的中心。所以，滤光窗能有效地让人体辐射的红外线通过，而最大限度地阻止阳光、灯光等可见光中的红外线的通过，以免引起干扰。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。由于探测元输出的是电荷信号， 不能直接使用， 因而需要将其转换为电压形式。场效应管输入阻抗高达104M ，接成共漏极形式来完成阻抗变换。使用时 D 端接电源正极， G 端接电源负极， S 端为信号输出。对于移动速度非常缓慢的物体，如阳光， 两个电容上的红外线光能能量仍然可以看作是相等的，在回路中相互抵消；再加上传

5、感器的响应频率很低(一般为 0.110Hz) ，即传感器对红外光的波长的敏感范围很窄(一般为 515um)，因此，传感器对它们不敏感，因而无输出。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 10 页 - - - - - - - - - 被动式红外报警器主要由光学系统、热释电红外传感器、信号滤波和放大、信号处理和报警电路等几部分组成，其结构框图如图3-30 所示。图中，菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测

6、接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区” ，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而加强其能量幅度。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。图 3-30 报警器的结构框图图 3-31 是将待测目标、菲涅尔透镜、热释电红外传感器相结合使用时的工作原理示意图。人体辐射的红外线中心波长为910um，而探测元件的波长灵敏度在0.220um 范围内几乎稳定不变。 在传感器顶端开设了一个装有滤光镜

7、片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为 710um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。图 3-31 人体通过传感器产生的信号BISS0001 是一款高性能的传感信号处理集成电路。静态电流极小，配以热释电红外传感器和少量外围元器件即可构成被动式的热释电红外传感器，广泛用于安防、 自控等领域能。BISS0001 是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路，内部电路如图3-32 所示。使用时， 根据实际需要，利用运放 OP1组成传感信号预处理电路，将信号放

8、大。然后耦合给运放OP2 ，再进行第二级放大，同时将直流电位抬高为VM( 0.5VDD)后，将输出信号V2送到由比较器COP1和 COP2组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号Vs。由于 VH0.7VDD、VL0.3VDD，所以，当 VDD=5V时，可有效抑制1V的噪声干扰，提高系统的可靠性。COP3是一个条件比较器。当输入电压 VcVR时， COP3 输出为高电平，进入延时周期。当A端接“ 0”电平时，在Tx 时间内任何V2的变化都被忽略，直至Tx 时间结束，即所谓不可重复触发工作方式。当Tx 时间结束时，Vo 下跳回低电平，同时启动封锁时间定时器而进入封锁周期Ti 。在 Ti 时间内，任何V2

9、 的变化都不能使Vo 跳变为有效状态（高电平）, 可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 10 页 - - - - - - - - - 图 3-32 BISS0001内部电路图 BISS0001的典型应用电路如图3-33 所示。运算放大器OP1将热释电红外传感器的输出信号作第一级放大，然后由C3耦合给运算放大器OP2进行第二级放大，再经由电压比较器COP1和 COP2构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号Vs 去启动延迟时

10、间定时器，输出信号 Vo经晶体管 T1 放大驱动继电器去接通负载。R3为光敏电阻，用来检测环境照度。当作为照明控制时，若环境较明亮，R3的电阻值会降低，使 9 脚的输入保持为低电平，从而封锁触发信号Vs。SW1 是工作方式选择开关，当SW1 与 1 端连通时，芯片处于可重复触发工作方式；当SW1 与 2 端连通时，芯片则处于不可重复触发工作方式。输出延迟时间Tx 由外部的 R9和 C7的大小调整，值为Tx24576xR9C7；触发封锁时间Ti 由外部的 R10和 C6的大小调整，值为Ti 24xR10C6。图 3-33 BISS0001典型应用电路名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 -

11、- - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 10 页 - - - - - - - - - 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

12、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1

13、0m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(热释电名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 10 页 - - - - - - - - - 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

14、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

15、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，因此红外波长名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 10 页 - - - - - - - - - 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

16、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、PD632 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(

17、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; 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 10 页 - - - - - - - - - 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

18、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 :10 40。- 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

19、discussed in this paper .Two typicat application circuits with 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 10 页 - - - - - - - - - pyroelectric infrared sensors are provided, including infraredalarm circuit and automatic water supply system circuit in washroo

20、m ，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，

21、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O 36m 到O 76m 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名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 -

22、 - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 10 页 - - - - - - - - - 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

23、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

24、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 沟道场名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 10 页 - - - - - - - - - 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

25、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。此滤波片只允许某些波长范围的红外光通过，而阻止灯光、阳光和其它红外光通过。5 结束语热释电红外传感器具有价格低廉、技术性能稳定、开发使用简单等特点，除了以上的监控报警和自动开关典型应用外，在众多其它领域有广泛应用，如自动开停的空调机、饮水机、电视机、自动拍摄人和动物活动的摄像机或数码相机等，随着电子技术发展，热释电红外传感器必将更加广泛地应用在自动控制领域。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 10 页 - - - - - - - - -