热释电传感器的原理与应用!一种非常有应用潜力的传感器

发表于 2019-04-16 13:55:56 收藏 已收藏
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热释电传感器的原理与应用!一种非常有应用潜力的传感器

发表于 2019-04-16 13:55:56
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热释电红外传感器是一种非常有应用潜力的传感器。它能检测人或某些动物发射的红外线并转换成电信号输出,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。

早在1938年,有人就提出利用热释电效应探测红外辐射,但并未受到重视。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究和对热释电晶体的应用开发。

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的电极化现象,被称为热释电效应。

通常,晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和,其自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时,晶体结构中的正负电荷重心相对移位,自发极化发生变化,晶体表面就会产生电荷耗尽,而电荷耗尽情况正比于极化程度。

能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件。热释电元件常用的材料有单晶(LiTaO3 等)、压电陶瓷(PZT等)及高分子薄膜(PVFZ等)。

热释电传感器利用的正是热释电效应,这是一种对温度敏感的传感器。它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ΔT的变化时,热释电效应会在两个电极上会产生电荷ΔQ,即在两电极之间产生一微弱的电压ΔV。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ΔQ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,ΔT=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ΔT,则有ΔT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。所以这种传感器检测人体或者动物的活动传感。

热释电红外线传感器结构

普通热释电人体红外线传感器的外形如图所示,D脚和S脚分别为内部场效应管的漏极和源极的引出端,G脚为内部敏感元件的接地引出端。因S和G之间悬空,故使用时其间应接输出电阻R,才能输出传感信号。为了增强抗干扰能力,在此电阻上应并一个电容C。传感器由敏感单元、滤光窗和菲涅尔透镜组成。

敏感单元

敏感单元的等效电路如图所示,内部敏感材料做成很薄的薄片,每一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,且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。但这两个电容的极性是相反串联的。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。

当传感器没有检测到人体辐射出的红外线信号时,由于C1、C2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,回路中不产生电流,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C1、C2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,C1、C2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,因C1、C2做在同一硅晶片上,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。

只有当人体移动时,红外辐射引传感器敏感单元的两个等效电容产生不同的极化电荷时,才会向外输出电信号。所以,这种传感器只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,且对可见光和大部分红外线具有良好的抗干扰能力。

滤光窗

它是由一块薄玻璃片镀上多层滤光层薄膜而成的,滤光窗能有效地滤除7.0~14μm波长以外的红外线。例如,SCA02-1对 7.5~14μm波长的红外线的穿透量为70%,在6.5μm处时下降为65%,而在5.0μm处时陡降为0.1%,有效地保证了对人体红外线的选择性。

因为,物体发射出的红外线辐射能,最强波长和温度的关系满足λm×T=2989(μmk)(其中λm为最大波长,T为绝对温度)。人体的正常体温为 36~37.5℃,即309~310.5K,其最强红外线的波长为λm=2989/(309~310.5)=9.67~9.64μm,中心波长为9.65μm。因此,人体辐射的最强红外线的波长正好落在滤光窗的响应波长(7~14μm)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通过,以免引起干扰。

菲涅尔透镜

不使用菲涅尔透镜时传感器的探测半径不足2米,只有配合菲涅尔透镜使用才能发挥最大作用。配上菲涅尔透镜时传感器的探测半径可达到10米。

菲涅尔透镜用聚乙烯塑料片制成,颜色为乳白色或黑色,呈半透明状,但对波长为10um左右的红外线来说却是透明的。其外形为半球,透镜在水平方向上分成3 个部分,每一部分在竖直方向上又等分成若干不同的区域。最上面部分的每一等份为一个透镜单元,它们由一个个同心圆构成,同心圆圆心在透镜单元内。中间和下半部分的每一等份也为分别一个透镜单元,同样由同心圆构成,但同心圆圆心不在透镜单元内。

当光线通过这些透镜单元后,就会形成明暗相间的可见区和盲区。由于每一个透镜单元只有一个很小的视角,视角内为可见区,视角外为盲区。任何两个相邻透镜单元之间均以一个盲区和可见区相间隔,它们断续而不重叠和交叉。这样,当把透镜放在传感器正前方的适当位置时,运动的人体一旦出现在透镜的前方,人体辐射出的红外线通过透镜后在传感器上形成不断交替变化的阴影区(盲区)和明亮区(可见区),使传感器表面的温度不断发生变化,从而输出电信号。

也可以这样理解,人体在检测区内活动时,一离开一个透镜单元的视场,又会立即进入另一个透镜单元的视场,(因为相邻透镜单元之间相隔很近),传感器上就出现随人体移动的盲区和可见区,导致传感器的温度变化,而输出电信号。

菲涅尔透镜不仅可以形成可见区和盲区,还有聚焦作用,其焦点一般为5厘米左右,实际应用时,应根据实际情况或资料提供的说明调整菲涅尔透镜与传感器之间的距离,一般把透镜固定在传感器正前方1~5厘米的地方。

被动式热释电红外传感器的工作原理与特点

在自然界,任何高于绝对温度(-273K)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,因此红外波长与温度的高低是相关的。而且辐射能量的大小与物体表面温度有关。

人体都有恒定的体温,一般在37度,所以会发出10微米左右特定波长的红外线,被动式红外探头就是靠探测人体发射的红外线而进行工作的。红外线通过菲涅耳滤光片增强后聚集到热释电元件,这种元件在接收到人体红外辐射变化时就会失去电荷平衡,向外释放电荷,后经检测处理后就能产生报警信号。被动红外探头,其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元件。而且制成的两个电极化方向正好相反,环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用,使其产生释电效应相互抵消,于是探测器无信号输出。

被动式热释电红外探头的优缺点:

优点:

1、被动红外传感器本身不发任何类型的辐射,隐蔽性好;

2、器件功耗很小;

3、价格低廉。

缺点:

1、信号幅度小,容易受各种热源、光源干扰;

2、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。

3、易受射频辐射的干扰。

4、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。

5、被动红外探测器的主要检测的运动方向为横向运动方向,对径向方向运动的物体检测能力比较差。

热释电红外传感器的应用

热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感、热辐射探测器等。除了在楼道自动开关、防盗报警上得到应用外,在更多的领域得到应用。例如:在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机;电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的电路;人靠近时自动开启监视器或自动门铃;摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动;……

自动门

在自动门领域中,被动式人体热释电红外线感应开关的应用非常广泛,因其性能稳定且能长期稳定可靠工作而受到广大用户的欢迎,这种开关主要由人体热释电红外线传感器、信号处理电路、控制及执行电路、电源电路等几部分组成。

热释电红外自动门主要由光学系统、热释电红外传感器、信号滤波和放大、信号处理和自动门电路等几部分组成。菲涅尔透镜可以将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外探测元上,同时也产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区,以适应热释电探测元要求信号不断变化的特性;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,为功能的实现打下基础。

人体感应灯

智能空调

智能空调能探测出室内是否有人及人是静止还是活动,据此自动控制开关机、制冷(热)量及室温,以达到节能和人性化的目的。

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