热释红外线传感器:热释电人体红外线传感器

2021/10/30 06:35 · 传感器知识资讯 ·  · 热释红外线传感器:热释电人体红外线传感器已关闭评论
摘要:

热释红外线传感器:热释电人体红外线传感器???年代末期出现的一种新型传感器件。现在,已得到越热释电人体红外线传感器是上世纪80一些书刊只简要介绍了被动式热释电人体红外线传感器的基本应用。来越广泛的应用。目前,?本文就主动式和被动式两方面的基本应用原理作一大致介绍。???一、?热释电人体红外线传感器的基本结构和原理??,德国产的SD02PH5324、目前,市场上出现的热释电人体红外线传感

热释红外线传感器:热释电人体红外线传感器

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?
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年代末期出现的一种新型传感器件。现在,已得到越热释电人体红外线传感器是上世纪
80
一些
书刊只简要介绍了被动式热释电人体红外线传感器的基本应用。来越广泛的应用。目前,
?
本文
就主动式和被动式两方面的基本应用原理作一大致介绍。
?
?
?
一、
?
热释电人体红外线传感器的基本结构和原理
?
?
,德国产的
SD02PH5324
、目前,市场上出现的热释电人体红外线传感器主要有上海产的公司

CERAMICP2288
,日本
NIPPON?LH1954

LH1958
,美国
HAMAMATSU
公司产等。虽然它
们的型号不一样,但其结构、外型和电参数大致相同,大部
RS02DSCA02
-
1

?
分可以彼此互
换使用。
?
?
由敏感单元、阻抗变换器和滤光窗等三大部(以下简称:传感器)
热释电人体红外线传感器为它
们的顶视图,
其中较大的
1a
的外形图。

P2288
分组成。

1
为、
SD02

SCA02
-
1

1b1mm

图矩形部分为滤光窗,两个虚线框矩形为敏感单元,面积约
2x1mm2?
,间距的数据,
,其中参
数为
SCA02
-
11c
为底视图;它们的监视、探测角度如图
1a
、侧视图;图
d?
其它两种的参数大
致相同。
?
?
?
1.
敏感单元
?
?
SD02
对不同的传感器来说,
敏感单元的制造材料有所不同。
其内部结构见图
1a
及图
2
如,


成。这些材料再做成很薄的薄片,每一由
LiTaO3?P2288
的敏感单元由锆钛酸铅制成;

P12

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,
如图中的。
因为这两个
小电容是做在同一硅晶片上的,而它们形成的等效小电容能自身产生极化,
P2
但这两个电容的
极性是相反串联负电荷。极化的结果是,在电容的两端产生极性相反的正、
?
的。这正是传感器
的独特设计之处,因而使得它具有独特的抗干扰性。
?
?
P1

P2
当传感器没有检测到人体辐射出的红外线信号时,由于自身产生极化,在电容的两端产
生极性相反、电量相等的正、负电荷,而这两个电容的极性是相反串联的,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
P1

P2
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。
同理,
在灯光或阳
光下,因阳光移动的速度非常缓慢,
P1

P2
上的红外线光能能量仍然可以看作是相等的,且在
回路中相互抵消;再加上传感器的响应频率很低(一般为
0.1~10Hz

,即传感器对红外光的波
长的敏感范围很窄(一般为
5~15um

,因此,传感器对它们不敏感。
?
?
?
?
当环境温度变化而引起传感器本身的温度发生变化时,

P1

P2
做在同一硅晶片上的,
它所产
生的极性相反、能量相等的光电流在回路中仍然相互抵消,传感器无输出。
?
?
?
?
从原理上讲,
任何发热体都会产生红外线,
热释电人体红外线传感器对红外线的敏感程度主要表
现在传感器敏感单元的温度所发生的变化,
而温度的变化导致电信号的产生。
环境与自身的温度
变化由其内部结构决定了它不向外输出信号;而传感器的低频响应(一般为
0.1~10Hz
)和对特
定波长红外线(一般为
5~15um
)的响应决定了传感器只对外界的红外传感所以,而这种变化对
人体而言就是移动。线的辐射而引起传感器的温度的变化而敏感,
?
它可以抗可见光和大部分器对人体的移动或运动敏感,对静止或移动很缓慢的人体不敏感;
?

外线的干扰。
?
?
?
2.
滤光窗
?
?
,滤光窗能有效地滤除
2
中的
M
它是由一块薄玻璃片镀上多层滤光层薄膜而成的,如图,
热释红外线传感器:热释电人体红外线传感器  第1张

热释红外线传感器:热释电红外传感器

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热释电红外传感器
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热释电红外传感器在结构上引入场效应管,其目的在于完成阻抗变换。由于热释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。故引入的N沟道结型场效应管应接成共漏形式来完成阻抗变换。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。
中文名
热释电红外传感器
外文名
PassiveInfrared Ray,简称PIR
优 点
本身不发任何类型的辐射
缺 点
容易受各种热源、光源干扰
性 质
一种高热电系数的材料
目录
1
简介
2
结构
3
优缺点
4
抗干扰性能
5
注意事项
热释电红外传感器简介
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语音
主要是由一种高热释电系数的材料,如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件,并将两个探测元件以反极性串联,以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号,经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离,一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜,该透镜用透明塑料制成,将透镜的上、下两部分各分成若干等份,制成一种具有特殊光学系统的透镜,它和放大电路相配合,可将信号放大70分贝以上,这样就可以测出20米范围内人的行动。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,从而强化其能量幅度。人体辐射的红外线中心波长为9~10--um,而探测元件的波长灵敏度在0.2~20--um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片的窗口,这个滤光片可通过光的波长范围为7~10--um,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。
热释电红外传感器结构
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语音
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。该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起,目的是消除因环境和自身变化引起的干扰。它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿。对于辐射至传感器的红外辐射,热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上,从而使传感器输出电压信号。制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料,它的探测波长范围为0.2-20um。为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏度,该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片。这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外,还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外。
[1]
热释电红外传感器优缺点
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语音
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:◆容易受各种热源、光源干扰◆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。◆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。PIR管脚分配
PIR管脚分配
热释电红外传感器抗干扰性能
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①防小动物干扰:探测器安装在推荐的使用高度,对探测范围内地面上的小动物,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GB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。
热释电红外传感器注意事项
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检测器应避开日光、汽车头灯、白炽灯直接照射,也不能对着热源(如暖气片、加热器)或空调,以避免环境温度较大的变化而造成误报;检测器安装必须牢固,避免因风吹晃动而造成误报;传感器表面不允许用手摸;光学透镜外表面要定期用湿软布或棉花擦净,避免尘土影响灵敏度;安装高度2m。要特别提出的是该检测器电路板在工厂已调试好,保证检测距离大于6m。若整个报警系统有问题,请不要调整或改动这部分电路,否则检测距离就不能保证。
[1]
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参考资料
1.

热释电红外传感器的结构和应用前景
.传感器之家.2012-11-23[引用日期2013-04-30]
热释红外线传感器:热释电人体红外线传感器  第2张

热释红外线传感器:热释电红外传感器工作原理及结构说明

  热释电红外传感器的基本工作原理
  自动门一般是靠热释电红外传感器(亦有采用微波多普勒模块的)来检测人体发出的红外线信号工作的,并不会向外发射对人体有害的射线,故没有什么伤害。下面我们来介绍一下热释电红外传感器的基本工作原理。

  热释电红外传感器的外形如上图所示。其可以检测人体发出的红外线信号,并将其转换成电信号输出。传感器顶部的长方形窗口加有滤光片,可以使人体发出的9~10μm波长的红外线通过,而其它波长的红外线被滤除,这样便提高了抗干扰能力。

  上图是一款热释电红外传感器模块,工作时,若有人靠近自动门,热释电红外传感器便会接收到人体发出的9~10μm的红外线信号,并输出相应的电信号送至模块上的放大电路处理,该信号经放大、整形等处理后驱动电机及机械装置使门自动打开。这就是自动门的工作原理,整个工作过程并没有向外发射什么射线,故不会对人体有伤害。为了提高探测灵敏度,这种红外感应模块一般都配有上图所示的菲涅尔透镜。
  热释电红外传感器的结构
  热释电红外传感器由滤光片、热释电探测元和前置放大器组成,补偿型热释电传感器还带有温度补偿元件,图所示为热释电传感器的内部结构。为防止外部环境对传感器输出信号的干扰,上述元件被真空封装在一个金属营内。

  热释电传感器的滤光片为带通滤光片,它封装在传感器壳体的顶端,使特定波长的红外辐射选择性地通过,到达热释电探测元+在其截止范围外的红外辐射则不能通过。
  热释电探测元是热释电传感器的核心元件,它是在热释电晶体的两面镀上金属电极后,加电极化制成,相当于一个以热释电晶体为电介质的平板电容器。当它受到非恒定强度的红外光照射时,产生的温度变化导致其表面电极的电荷密度发生改变,从而产生热释电电流。
  前置放大器由一个高内阻的场效应管源极跟随器构成,通过阻抗变换,将热释电探测元微弱的电流信号转换为有用的电压信号输出。

热释红外线传感器:热释红外传感器

PIR sensor(Passive Infra-Red sensor 被动红外传感器),下文简称为 PIR。
?
PIR 的原理是「热释电效应」。这种介质的极化会随温度而改变,于是可以将温度变化信号转化成电荷信号。
人体是一个恒温的热源,发出的红外线会影响 PIR。人体进入 PIR 检测区,产生电荷信号,离开检测区后电荷又恢复平衡。
上面讲到,PIR 可以检测温度的变化、人体的移动,这里都是作一个动作的检测。而如果温度恒定不变或人体不移动,PIR 是检测不到的。
PIR sensor 的结构
?
滤光片的作用
热电元件
?
场效应管
菲涅尔透镜
上面介绍完的 PIR 只能检测到距离有限。如果在外面加上一个菲涅尔透镜,把外部的光线会聚到 PIR 上,增加进光量,则可大大增加 PIR 的检测距离和角度。
同时,通过控制菲涅耳透鏡内部的角度,可以控制焦距,制作出检测距离不同的 PIR。
做完这些工作之后,有了一定的检测距离和角度。但是人体必须经过整个检测区域才能产生两次变化(进入检测区和离开检测区)。我们希望能够检测到更小幅度的移动,捕获更多的变化信号。在菲涅尔透镜上做点变化,把检测区分成若干个小格,间隔的区域会把光反射出去。这样整个检测区就变成若干个相邻的灵敏区和盲区。当人体移动时,会经过一个灵敏区,又进入一个盲区…… 最后产生连续的脉冲信号。
?
?
总结一下,菲涅尔透镜的两个作用:
后级放大电路
PIR 输出的电压信号太微弱,需经过放大电路,过滤掉噪声干扰,提取有用的信号放大。
后级放大电路包括:带通滤波、两级高增益放大、比较电路。
最终输出信号的频率,有几个影响的因素:
最终输出信号的频率约为 0.1~8Hz 。
应用
红外报警器
红外迎宾器
红外线自动门感应器
小结
优点:
缺点:
安装要求:
参考链接
热释电人体红外传感器的原理和应用
How PIRs Work
Passive infrared sensor

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