【導(dǎo)讀】熱釋電紅外線傳感器是80年代發(fā)展起來(lái)的一種新型高靈敏度探測(cè)元件。它能以非接觸形式檢測(cè)出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出。將這個(gè)電壓信號(hào)加以放大，便可驅(qū)動(dòng)各種控制電路，以熱釋電紅外傳感器為核心的自動(dòng)門系統(tǒng)就是其中之一。
熱釋電紅外傳感器是基于熱電效應(yīng)原理的熱電型紅外傳感器。其內(nèi)部的熱電元由高熱電系數(shù)的鐵鈦酸鉛汞陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘鐵等配合慮光鏡片窗口組成，其極化隨溫度的變化而變化。熱釋電紅外傳感器由傳感探測(cè)元、干涉濾光片和場(chǎng)效應(yīng)管匹配器三部分組成。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將高熱電材料制成一定厚度的薄片，并在它的兩面鍍上金屬電極，然后加電對(duì)其進(jìn)行極化，這樣便制成了熱釋電探測(cè)元。
1、熱釋電紅外傳感器原理
1.1熱釋電紅外傳感器的原理特性
熱釋電紅外傳感器和熱電偶都是基于熱電效應(yīng)原理的熱電型紅外傳感器。不同的是熱釋電紅外傳感器的熱電系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于熱電偶，其內(nèi)部的熱電元由高熱電系數(shù)的鐵鈦酸鉛汞陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘鐵等配合濾光鏡片窗口組成，其極化隨溫度的變化而變化。為了抑制因自身溫度變化而產(chǎn)生的干擾該傳感器在工藝上將兩個(gè)特征一致的熱電元反向串聯(lián)或接成差動(dòng)平衡電路方式，因而能以非接觸式檢測(cè)出物體放出的紅外線能量變化并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。熱釋電紅外傳感器在結(jié)構(gòu)上引入場(chǎng)效應(yīng)管的目的在于完成阻抗變換。由于熱電元輸出的是電荷信號(hào)，并不能直接使用因而需要用電阻將其轉(zhuǎn)換為電壓形式該電阻阻抗高達(dá)104MΩ，故引入的N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)接成共漏形式即源極跟隨器來(lái)完成阻抗變換。熱釋電紅外傳感器由傳感探測(cè)元、干涉濾光片和場(chǎng)效應(yīng)管匹配器三部分組成。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將高熱電材料制成一定厚度的薄片，并在它的兩面鍍上金屬電極，然后加電對(duì)其進(jìn)行極化，這樣便制成了熱釋電探測(cè)元。由于加電極化的電壓是有極性的，因此極化后的探測(cè)元也是有正、負(fù)極性的。
1.2 被動(dòng)式熱釋電紅外傳感器的工作原理與特性
人體都有恒定的體溫，一般在37度，所以會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)10UM左右的紅外線，被動(dòng)式紅外探頭就是靠探測(cè)人體發(fā)射的10UM左右的紅外線而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的10UM左右的紅外線通過(guò)菲泥爾濾光片增強(qiáng)后聚集到紅外感應(yīng)源上。紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測(cè)處理后就能產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。
1）這種探頭是以探測(cè)人體輻射為目標(biāo)的。所以熱釋電元件對(duì)波長(zhǎng)為10UM左右的紅外輻射必須非常敏感。
2）為了僅僅對(duì)人體的紅外輻射敏感，在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的菲泥爾濾光片，使環(huán)境的干擾受到明顯的控制作用。
3）被動(dòng)紅外探頭，其傳感器包含兩個(gè)互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元。而且制成的兩個(gè)電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對(duì)兩個(gè)熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應(yīng)相互抵消，于是探測(cè)器無(wú)信號(hào)輸出。
4）一旦人侵入探測(cè)區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過(guò)部分鏡面聚焦，并被熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也不同，不能抵消，經(jīng)信號(hào)處理而報(bào)警。
5）菲泥爾濾光片根據(jù)性能要求不同，具有不同的焦距（感應(yīng)距離），從而產(chǎn)生不同的監(jiān)控視場(chǎng)，視場(chǎng)越多，控制越嚴(yán)密。
被動(dòng)式熱釋電紅外探頭的優(yōu)缺點(diǎn)：
優(yōu)點(diǎn)：
本身不發(fā)任何類型的輻射，器件功耗很小，隱蔽性好。價(jià)格低廉。
缺點(diǎn)：
1、容易受各種熱源、光源干擾
2、被動(dòng)紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收。
3、易受射頻輻射的干擾。
4、環(huán)境溫度和人體溫度接近時(shí)，探測(cè)和靈敏度明顯下降，有時(shí)造成短時(shí)失靈。
抗干擾性能：
1、防小動(dòng)物干擾
探測(cè)器安裝在推薦地使用高度，對(duì)探測(cè)范圍內(nèi)地面上地小動(dòng)物，一般不產(chǎn)生報(bào)警。
2、抗電磁干擾
探測(cè)器的抗電磁波干擾性能符合GB10408中4.6.1要求，一般手機(jī)電磁干擾不會(huì)引起誤報(bào)。
3、抗燈光干擾
探測(cè)器在正常靈敏度的范圍內(nèi)，受3米外H4鹵素?zé)敉高^(guò)玻璃照射，不產(chǎn)生報(bào)警。
紅外線熱釋電傳感器的安裝要求：
紅外線熱釋電人體傳感器只能安裝在室內(nèi)，其誤報(bào)率與安裝的位置和方式有極大的關(guān)系。正確的安裝應(yīng)滿足下列條件：
1、紅外線熱釋電傳感器應(yīng)離地面2.0-2.2米。
2、紅外線熱釋電傳感器遠(yuǎn)離空調(diào)， 冰箱，火爐等空氣溫度變化敏感的地方。
3、紅外線熱釋電傳感器探測(cè)范圍內(nèi)不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔離物。
4、紅外線熱釋電傳感器不要直對(duì)窗口，否則窗外的熱氣流擾動(dòng)和人員走動(dòng)會(huì)引起誤報(bào)，有條件的最好把窗簾拉上。紅外線熱釋電傳感器也不要安裝在有強(qiáng)氣流活動(dòng)的地方。
紅外線熱釋電傳感器對(duì)人體的敏感程度還和人的運(yùn)動(dòng)方向關(guān)系很大。紅外線熱釋電傳感器對(duì)于徑向移動(dòng)反應(yīng)最不敏感， 而對(duì)于橫切方向 （即與半徑垂直的方向）移動(dòng)則最為敏感。 在現(xiàn)場(chǎng)選擇合適的安裝位置是避免紅外探頭誤報(bào)、求得最佳檢測(cè)靈敏度極為重要的一環(huán)。
1.3 熱釋電效應(yīng)
當(dāng)一些晶體受熱時(shí)，在晶體兩端將會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)相反的電荷，這種由于熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象，被稱為熱釋電效應(yīng)。通常，晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被來(lái)自空氣中附著在晶體表面的自由電子所中和，其自發(fā)極化電矩不能表現(xiàn)出來(lái)。當(dāng)溫度變化時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)中的正負(fù)電荷重心相對(duì)移位，自發(fā)極化發(fā)生變化，晶體表面就會(huì)產(chǎn)生電荷耗盡，電荷耗盡的狀況正比于極化程度。
能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的晶體稱之為熱釋電體或熱釋電元件，其常用的材料有單（LiTaO3 等）、壓電陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）。
根據(jù)菲涅耳原理制成，把紅外光線分成可見(jiàn)區(qū)和盲區(qū)，同時(shí)又有聚焦的作用，使熱釋電人體紅外傳感器 （PIR） 靈敏度大大增加。菲涅耳透鏡折射式和反射式兩種形式，其作用一是聚焦作用，將熱釋的紅外信號(hào)折射（反射）在PIR上；二是將檢測(cè)區(qū)內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入檢測(cè)區(qū)的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號(hào)，這樣PIR就能產(chǎn)生變化電信號(hào)。
如果我們?cè)跓犭娫由线m當(dāng)?shù)碾娮瑁?dāng)元件受熱時(shí)，電阻上就有電流流過(guò)，在兩端得到電壓信號(hào)。
2、 熱釋電紅外傳感器應(yīng)用-自動(dòng)門
2.1 自動(dòng)門設(shè)計(jì)原理
在自動(dòng)門領(lǐng)域中，被動(dòng)式人體熱釋電紅外線感應(yīng)開(kāi)關(guān)的應(yīng)用非常廣泛，因其性能穩(wěn)定且能長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠工作而受到廣大用戶的歡迎，這種開(kāi)關(guān)主要由人體熱釋電紅外線傳感器、信號(hào)處理電路、控制及執(zhí)行電路、電源電路等幾部分組成。
熱釋電紅外感自動(dòng)門電路結(jié)構(gòu)框圖
熱釋電紅外自動(dòng)門主要由光學(xué)系統(tǒng)、熱釋電紅外傳感器、信號(hào)濾波和放大、信號(hào)處理和自動(dòng)門電路等幾部分組成。菲涅爾透鏡可以將人體輻射的紅外線聚焦到熱釋電紅外探測(cè)元上，同時(shí)也產(chǎn)生交替變化的紅外輻射高靈敏區(qū)和盲區(qū)，以適應(yīng)熱釋電探測(cè)元要求信號(hào)不斷變化的特性；熱釋電紅外傳感器是報(bào)警器設(shè)計(jì)中的核心器件，它可以把人體的紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)以供信號(hào)處理部分使用；信號(hào)處理主要是把傳感器輸出的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、延遲、比較，為報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。
在該探測(cè)技術(shù)中，所謂“被動(dòng)”是指探測(cè)器本身不發(fā)出任何形式的能量，只是靠接收自然界能量或能量變化來(lái)完成探測(cè)目的。被動(dòng)紅外自動(dòng)門的特點(diǎn)是能夠響應(yīng)人體在探測(cè)區(qū)域內(nèi)移動(dòng)時(shí)所引起的紅外輻射變化，并能使監(jiān)控報(bào)警器產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，從而完成報(bào)警功能。圖6所示是該報(bào)警器的工作電路原理圖。
當(dāng)人體輻射的紅外線通過(guò)菲涅爾透鏡被聚焦在熱釋電紅外傳感器的探測(cè)元上時(shí)，電路中的傳感器將輸出電壓信號(hào)，然后使該信號(hào)先通過(guò)一個(gè)由C1、C2、R1、R2組成的帶通濾波器，該濾波器的上限截止頻率為16Hz，下限截止頻率為0．16Hz。由于熱釋電紅外傳感器輸出的探測(cè)信號(hào)電壓十分微弱（通常僅有1mV左右），而且是一個(gè)變化的信號(hào)，同時(shí)菲涅爾透鏡的作用又使輸出信號(hào)電壓呈脈沖形式（脈沖電壓的頻率由被測(cè)物體的移動(dòng)速度決定，通常為0．1～10Hz左右），所以應(yīng)對(duì)熱釋紅外傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行放大。本設(shè)計(jì)運(yùn)用集成運(yùn)算放大器LM324來(lái)進(jìn)行兩級(jí)放大，以使其獲得足夠的增益。當(dāng)傳感器探測(cè)到人體輻射的紅外線信號(hào)并經(jīng)放大后送給窗口比較器時(shí)，若信號(hào)幅度超過(guò)窗口比較器的上下限，系統(tǒng)將輸出高電平信號(hào)；無(wú)異常情況時(shí)則輸出低電平信號(hào)。在該比較器中，R9、R10、R11用做參考電壓，兩個(gè)運(yùn)算放大器用做比較，兩個(gè)二極管的主要作用是使輸出更穩(wěn)定。窗口比較器的上下限電壓即參考電壓分別為3.8V和1。2V。將這個(gè)高低電平變化的信號(hào)上升沿信號(hào)作為單穩(wěn)電路HEF4538B的觸發(fā)信號(hào)，并讓其輸出一個(gè)脈寬大約為10s的高電平信號(hào)。再用這一脈寬信號(hào)作為報(bào)警電路KD9561的輸入控制信號(hào)，來(lái)使電路產(chǎn)生10s的報(bào)警信號(hào)，最后用三極管VT1和VT2再一次對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大，以便有足夠大的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)喇叭使其連續(xù)發(fā)出10s的報(bào)警聲。
前兩個(gè)LM324是兩級(jí)放大器。傳感器檢測(cè)到人體紅外線后產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)很微弱，電路中設(shè)置了諸多旁路電容都是為了抑制干擾，避免誤動(dòng)作。后兩個(gè)LM324是上、下限電壓比較器。只有傳感器感應(yīng)產(chǎn)生的交變信號(hào)經(jīng)放大達(dá)到足夠電平才能使其輸出為高電平，以控制后面繼電器K1是否得電。K1得電，此時(shí)將進(jìn)入自動(dòng)門控制部分。K1得電則KA2得電吸合，KA2常開(kāi)閉合自鎖，電機(jī)開(kāi)始正轉(zhuǎn)，門就慢慢打開(kāi)。當(dāng)接觸到行程開(kāi)關(guān)QS1后，之前動(dòng)作的觸點(diǎn)復(fù)位，電機(jī)停止，門也不動(dòng)了，一直處于開(kāi)啟狀態(tài)。同時(shí)行程開(kāi)關(guān)的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，時(shí)間繼電器KT得電延時(shí)5S。5S后KT常開(kāi)閉合， KA得電，KA3常開(kāi)閉合自鎖，電機(jī)開(kāi)始反轉(zhuǎn)，直到碰到行程開(kāi)關(guān)QS2，門已關(guān)上，電機(jī)停止反轉(zhuǎn)。以上為電路運(yùn)行的所有過(guò)程。
2.2 安裝：
元件選擇與參數(shù)確定：
這次設(shè)計(jì)中主要選擇LM324作為主要芯片，因是這兩塊芯片在以前學(xué)過(guò)的書本中都有所接觸，運(yùn)用起來(lái)相對(duì)比較熟悉。LM324是一個(gè)具有兩極放大的比較器。而在自動(dòng)門控制電路中，我使用了繼電器、時(shí)間繼電器、行程開(kāi)關(guān)等一些強(qiáng)電器件來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)門的正常工作。
3.結(jié) 論
隨著相關(guān)信號(hào)處理器性能和可靠性的不斷提高，熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測(cè)器，因其價(jià)格低廉、技術(shù)性能穩(wěn)定而受到廣大用戶和專業(yè)人士的歡迎，廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化控制裝置中，既可作為紅外激光的一種較理想的探測(cè)器，又可適用于防盜報(bào)警、自動(dòng)門等紅外領(lǐng)域。
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