热释电人体传感器

简介

　　热释电红外线传感器是 80 年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件. 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.将这个电压信号加以放大,便可驱动各种控制电路,如作电源开关控制,防 盗防火报警,自动览测等.

结构

　　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 10~20 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.

原理

　　热释电人体红外线传感器由敏感单元、阻抗变换器和滤光窗等三大部分组成。

　　1.敏感单元

　　对不同的传感器来说，敏感单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。这些材料再做成很薄的薄片，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，如图2中的P1、P2。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，极化的结果是，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P1、P2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，因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线的辐射而引起传感器的温度的变化而敏感，而这种变化对人体而言就是移动。所以，传感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；它可以抗可见光和大部分红外线的干扰。

　　2.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7.0~14um波长以外的红外线。例如，SCA02-1对7.5~14um波长的红外线的穿透量为70%，在6.5um处时下降为65%，而在5.0um处时陡降为0.1%；P2288的响应波长为6~14um，中心波长为10um。

　　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（um.k）（其中λm为波长，T为温度）。人体的正常体温为36~37.5。C ，即309~310.5K，其辐射的最强的红外线的波长为λm=2989/（309~310.5）=9.67~9.64um，中心波长为9.65um。因此，人体辐射的最强的红外线的波长正好落在滤光窗的响应波长（7~14um）的中心。所以，滤光窗能有效地让人体辐射的红外线通过，而限度地阻止阳光、灯光等可见光中的红外线的通过，以免引起干扰。

　　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。

　　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作用。配上菲涅尔透镜时传感器的探测半径可达到10米。例如，一些传感器对远在20米处快速行驶的汽车里的人体也能可靠地检测到。菲涅尔透镜采用塑料片制作而成。图3为它的平面图。从图中可以看出，透镜在水平方向上分寸成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，如图3b。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。

　　菲涅尔透镜一般采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。

应用

　　1.“有电，危险”安全警示电路用于有电的场合，当有人进入这些场合时，通过发出语音和声光提醒人们注意安全。

　　2.自动门主要用于银行、宾馆。当有人来到时，大门自动打开，；人离开后又自动关闭。

　　3.红外线防盗报警器用于银行、办公楼、家庭等场合的防盗报警。

　　4.高速公路车辆车流计数器

　　5.自动开、关的照明灯，人体接近自动开关等。