热释电红外传感器的应用 浅谈热释电红外传感器在物联网中的应用

　　本文主要是关于热释电红外传感器的相关介绍，并着重对热释电红外传感器的应用进行了详尽的阐述。

　　热释电红外传感器

　　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。

　　主要是由一种高热电系数的材料，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。

　　结构

　　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。

　　优缺点

　　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

　　热释电红外传感器的应用

　　热释电红外传感器利用专用晶体材料产生的热释电效应来检测红外线辐射的变化。通过检测红外线辐射的变化来实现检测人体运动的目的。产品的主要应用领域为家电、玩具、防盗报警、感应门、感应灯具、感应开关等。

　　炜盛热释电产品集合：

　　

　　红外自动感应灯、感应开关能感应人体红外线，人来灯亮，人离灯灭，实现自动照明。有采用LED做光源，最大限度节约电能；有使用电池供电无需接线，可方便地即用即放在玄关、卫生间、走廊等需要临时照明的场所。也可使用感应开关接驳灯具，实现自动照明。

　　感应开关

　　产品应用到高性能红外探测器，利用热释电红外传感器来检测移动人体的红外辐射，只要人体在其探测范围内横切走过，红外自动开关就会产生电信号，启动负载。

　　

　　防盗报警

　　无线智能红外探测报警器。它使用了先进的信号分析处理技术。当有入侵者通过探测区域时，探测器将自动探测区域内人体的活动。如有动态移动现象，它则向控制主机发送报警信号。产品适合家庭住宅区、楼盘别墅、厂房、商场、仓库、写字楼等场所的安全防范。

　　

　　人来灯亮、人走灯灭是LED红外感应要最大的特点，开关全自动，省事，杜绝了有人开，无人关的用电浪费。采用高亮LED灯作为发光光源，光效高，寿命长，省电率比相同亮度下的白炽灯和荧光灯高60%和40%。

　　感应灯具

　　相比较声光控的产品而言，抗干扰效果好！不会受到声音的干扰，只感应人体的温度的，人来灯亮，人走灯灭，就是夏天的灵敏度会降低一点，环境的温度与人体的温度越相近，灵敏度越低！正常时感应距离是5-8m左右！

　　

　　晚上偶尔起床，灯自动点亮，免除频繁开关电灯和强光刺眼。是现代居家不可或缺的新颖节能产品。

　　特点：发光效率高、使用寿命长久、耗电量更低。

　　红外迎宾器

　　

　　“感应”是指自动门中的一种开门模式。感应门是广泛用于商店、酒店、企事业单位等场所的一种玻璃门，利用热释电红外人体感应传感器特性，当有人靠近门口时，它会自动感应到人体，发出指令及时将门打开。

　　热释电红外传感器在物联网中的应用

　　物联网是把所有物品通过射频识别、红外感应器等信息传感设备与互联网连接起来的技术，以实现智能化识别和管理，是继计算机、互联网和移动通信网之后的又一次信息产业革命。文章首先介绍了物联网的定义内涵、基本特征及研究现状，然后探讨了物联网关键技术之一传感器技术；接着阐述了红外传感器结构、原理及特点，最后对红外传感器在物联网技术中的应用进行了初步探索，指出其广阔的应用前景。

　　红外传感器的结构原理与特点

　　红外传感器是将红外辐射能转换成电能的一种光敏元件，根据具体工作原理的不同，可分为光子型和热释电型两种。热释电红外传感器是利用红外辐射的热效应引起元件本身的温度变化来实现某些参数的检测的，其探测率、响应速度都不如光子型传感器。但由于其可在室温下使用，灵敏度与波长无关，所以应用领域很广［5］。利用铁电体热释电效应的热释电型红外传感器灵敏度很高，获得了广泛应用。

　　热释电效应某些绝缘物质受热时，随着温度的上升，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷。这种由于热变化而产生的电极化现象称为热释电效应。热释电效应在近十年被用于热释电红外传感器中。能产生热释电效应的晶体称为热释电体，又称为热电元件。热电元件常用的材料有单晶、压电陶瓷及高分子薄膜等。

　　热释电红外传感器的结构热释电红外传感器由以下四个主要部分构成：①构成电路的铝基板、场效应晶体管（FET）；②具有热释电效应的陶瓷材料；③限制入射红外波长的窗口材料；④外壳TO—5型管帽和管座。

　　由于热释电红外传感器中电容的电流发生器输出阻抗高，且输出电压信号又极其微弱，故在管内的敏感转换元件FET上加一层黑色氧化膜以提高其转换效率。其等效电路如图2所示，在负载电阻上并联一个放大器及厚膜电阻，以达到阻抗变换的目的。在管壳的顶部设有滤光镜（TO一5封装），而树脂封装的则设在侧面。

　　红外组合件的构造由于探测器元件单独使用时，存在着探测距离较短、获得的信号后续电路不易处理的不足，所以目前多选用红外组合件来探测。红外组合件由热释电红外传感器、透镜、测量转换电路和密封管壳构成［6］。透镜可以扩大探测范围，提高测量的灵敏度；测量转换电路可以完成滤波、放大等信号处理过程；密封管壳能防止因外界噪声引起的错误动作。这种组合件体积小、成本低、功能多样，所以应用广泛。

　　滤光镜材料在热释电红外传感器的窗口上装有不同材料的滤光镜，阻止不需要的红外线进入传感器。一般热释电红外传感器在0．2～20um光谱范围内的灵敏度比较好，不受可见光影响。由于不同的检测要求（如医学或气体成分分析等）光谱响应范围不同，因此可选择不同材料的滤光镜使其满足不同场合需求。

　　热释电红外传感器使用时，一般前级需要先用菲涅尔透镜滤光，后级接带通放大器，放大器的中心频率一般取1．2Hz左右，放大器带宽对灵敏度、可靠性的影响比较大。使用时要根据具体要求来合理选择。

　　物联网中可以大量使用红外传感器（也叫红外感应器）来实现物体信息的获取，尽管目前尚未研发生产出成熟的产品，但是红外传感器已经有很多成熟的应用领域，可以借鉴。以热释电红外传感器为核心构成的热释电红外开关，在民用领域可作为蜂鸣器、白炽灯、烘干机、自动门、和自动洗手池等装置的自动感应开关，特别适用于工矿企业、高档酒店、大型商场等区域。

　　此外，热释电红外传感器还可用于遥感、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。比如在2008年5．12汶川特大地震救援过程中，就使用了红外传感器实现无光条件下（夜间和阴雨天）灾区照片的拍摄，为救援工作提供了帮助。红外传感器价格经济、测量电路简单、常温下可使用、非接触式测量、精度较高等优点决定了其在物联网中具有广泛的应用前景。

　　在物联网中可以使用红外传感器获取物品信息，使用电子标签记录、实现物品的精确定位。比如用红外传感器检测超市货架是否具有足够的商品待售，当检测到货物不足时，通过后续信号处理、滤波、放大，驱动扬声器提醒超市工作人员及时补货。

　　特别是在物联网消费电子电器产品中，热释电红外传感器具有极其广泛的应用前景。目前用得最多的是检测物品有无，实现自动控制。红外传感器已广泛用于防盗报警系统中，市场上有成熟的商品。一个典型的周界入侵检测报警系统本身就是一个物联网在安全方面的应用，比如上海浦东机场入侵检测系统，就是一个小型的物联网，其中使用了大量的红外传感器，作为智能节点，获取周边信息，与其他类型传感器采集得到的信息一起准确及时地提供给中央处理系统进行信息融合，作为自动控制决策的依据。国外已有把安装在售货机上，当有人接近时，机器可以说话，实现自动销售，我们也可以借鉴应用。再比如可以把红外传感器安装在工厂危险性机械系统上，能够进行非接触测量，当超过预定的安全距离时给出警示，防止人太靠近造成危险，保护工人健康、实现安全生产，节约生产成本。

　　小结

　　近年来物联网的研究与发展引起了人们的广泛关注，国内外政府和企业都积极采取行动参与物联网的构建，广大学者也对物联网展开深入研究，国内不少高校先后申报了物联网专业，培养物联网方面的人才，这将对未来全球经济发展产生深远影响。与此同时，热释电红外传感器的销量近几年也是每年增长30％以上。国内外厂家正在不断开发新产品以满足未来的市场需求。可以预见，红外传感器在物联网中具有广阔的应用前景。

　　结语

　　关于热释电红外传感器的相关介绍就到这了，如有不足之处欢迎指正。

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