紅外線傳感器的發(fā)展與應用

1、I I y /L1J LJ/人IJ一、弓1言宇宙間的任何物體只要其溫度超過零度就能產(chǎn)生紅外輻射，事實上同可見光一樣， 其輻射能夠進行折射和反射，這樣便產(chǎn)生了紅外技術(shù)利用紅外光探測器因其獨有的優(yōu)越 性而得到廣泛的重視，并在軍事和名用領(lǐng)域得到了廣泛的應用。軍事上，紅外探測用于 制導、火控跟蹤、警戒、目標偵查、武器熱瞄準器、艦船導航等。在民用領(lǐng)域，廣泛應 用于工業(yè)設備監(jiān)控、安全監(jiān)視、救災、遙感、交通管理以及醫(yī)學診斷技術(shù)等。紅外探測 就是用儀器接受被探測物發(fā)出或者反射的紅外線從而掌握被測物所處位置的技術(shù)。作為 紅外探測系統(tǒng)的核心期間，紅外傳感器（也稱為紅外探測器）的研究成為一個熱點。二、紅外傳感器的綜

2、述2.1紅外傳感器的定義紅外線傳感器（n frared tran sducer ）是用紅外線的物理性質(zhì)來進行測量的 傳 感器。紅外線又稱紅外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。它是一種不可 見光，其光譜位于可見光中紅色以外，所以稱紅外線。工程上把紅外線占據(jù)在電磁波譜中 的位置（波段）分為：近紅外、中紅外、遠紅外、極遠紅外四個波段。任何物質(zhì)，只要它 本身具有一定的濕度（高于絕對零度），都能輻射紅外線。2.2特點紅外線傳感器測量時不與被測物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，響 應快等優(yōu)點。2.3 可測量的物理量紅外線傳感器常用于無接觸溫度測量，氣體成分分析和無損探傷，在醫(yī)學、軍

3、事、空 間技術(shù)和環(huán)境工程等領(lǐng)域得到廣泛應用。2.4紅外傳感器的原理紅外線傳感器是利用物體產(chǎn)生紅外輻射的特性，實現(xiàn)自動檢測的傳感器。在物理學中， 我們已經(jīng)知道可見光、不可見光、紅外光及無線電等都是電磁波，它們之間的差別只是波 長（或頻率）的不同而已。下面是將各種不同的電磁波按照波（或頻率）排成如下圖所示 的波譜圖，稱之為電磁波譜。#LJ*Aft #LJ*Aft 1、M1Jr嚴謠對大* 材匚茲4站MO 410 衣 J-10*MT8 10MO-麗鼻；中任” :17*,4fr i If i U # Jt M-iTbisIJ上.曰0 MflAKO.+SPM T/7Qfri oil電磁波波譜圖從圖中可以看

4、出，紅外線屬于不可見光波的范疇，它的波長一般在0.76 -600 P m 之間(稱為紅外區(qū)。而紅外區(qū)通常又可分為近紅外(0.731.5 Pm)、中紅外(1.5 10 Pm)和遠紅外(10 P m以上)300 P m以上的區(qū)域 又 稱為“亞毫米波。近年來，紅外輻射技術(shù)已成為一門發(fā)展迅速的新興學科。 他已經(jīng)廣泛應用于生產(chǎn)、科研、軍事、醫(yī)學等各個領(lǐng)域。2.4.1紅外輻射的產(chǎn)生及其性質(zhì)紅外輻射是由于物體(固體、液體和氣體)內(nèi)部分子的轉(zhuǎn)動及振動而產(chǎn)生的。這類 振動過程是物體受熱而引起的，只有在絕對零度(-273.16 C)時，一切物體的分子才會停止運動。所以在絕對零度時，沒有一種物體會發(fā)射紅外線。換言之

5、， 在一般的常溫下，所有的物體都是紅外輻射的發(fā)射源。例如火焰、軸承、汽車、飛機、 動植物甚至人體等都是紅外輻射源。紅外線和所有的電磁波一樣，具有反射、折射散射 干涉及吸收等性質(zhì)，但它的持點是熱如非常大，紳b線在真空中傳播的速度c=3X108nZ s，而在介質(zhì)中傳播時，由于介質(zhì)的吸收和散射作用使它產(chǎn)生衰減。紅外傳感器的組成紅外線傳感器包括光學系統(tǒng)、檢測元件和轉(zhuǎn)換電路，主要有兩部分組成：紅外輻射 源，有紅外輻射的物體就可以視為紅外輻射源；紅外探測器，能將紅外輻射能轉(zhuǎn)換為電 能的光敏器件。紅外傳感系統(tǒng)的分類紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測量系統(tǒng)，按照功能能夠分成五類：(1)輻射計，用于輻射和光譜測量

6、；(2)搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標，確 定其空間位置并對它的運動進行跟蹤；(3)熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個目標紅外輻射的 分布圖象；(4)紅外測距和通信系統(tǒng)；(5)混合系統(tǒng)，是指以各類系統(tǒng)中的兩個或者 多個的組合。2.4.4紅外傳感器工作原理：(1 )待側(cè)目標。根據(jù)待側(cè)目標的紅外輻射特性可進行紅外系統(tǒng)的設定。#LJ大氣衰減。待測目標的紅外輻射通過地球大氣層時，由于氣體分子各種氣 體以及各種溶膠粒的散射和吸收，將使得紅外源發(fā)出的紅外輻射發(fā)生衰減。才城wxem。 匕城wx臼t小口丫口|。/丁紅刀、干田與ymp刊k紅砂白m。于由達天線，常用是物鏡。輻射調(diào)制器。對來自待測目標的輻射調(diào)制成交變的

7、輻射光，提供目標方位 信息，并可濾除大面積的干擾信號。又稱調(diào)制盤和斬波器，它具有多種結(jié)構(gòu)。紅外探測器。這是紅外系統(tǒng)的核心。它是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所 呈現(xiàn)出來的物理效應探測紅外輻射的傳感器，多數(shù)情況下是利用這種相互作用所呈現(xiàn)出 來的電學效應。此類探測器可分為光子探測器和熱敏感探測器兩大類型。探測器制冷器。由于某些探測器必須要在低溫下工作，所以相應的系統(tǒng)必 須有制冷設備。經(jīng)過制冷，設備可以縮短響應時間，提高探測靈敏度。信號處理系統(tǒng)。將探測的信號進行放大、濾波，并從這些信號中提取出信 息。然后將此類信息轉(zhuǎn)化成為所需要的格式，最后輸送到控制設備或者顯示器中。顯示設備。這是紅外設備的終端設備。常

8、用的顯示器有示波器、顯象管、 紅外感光材料、指示儀器和記錄儀等。三、產(chǎn)品介紹一一熱釋電紅外傳感器3.1簡介熱釋電紅外傳感器簡稱熱釋電傳感器，通常用字胃“ PIR ”表示。熱釋電紅外傳 感器是一種非常有應用潛力的傳感器它能檢測人或某些動物發(fā)射的紅外線并轉(zhuǎn)換成電信 號輸出。早衽1938年，有人就提出利用熱釋電效應探測紅外輻射，但并未受到重視。直 到六十年代，隨著激光、紅外技術(shù)的迅速發(fā)展，才又推動了對熱釋電效應的研究和對熱 釋電晶體的應用開發(fā)。近年來，伴隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，以及對該傳感器的特性的深入研究，相尖的專用集成電路處理技術(shù)也迅增 長。3.2熱釋電效應當一些晶體受熱時，在晶體兩端將會產(chǎn)

9、生數(shù)量相等而符號相反的電荷，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。通常，晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷 被來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。當溫度變化時，晶體結(jié)構(gòu)中的正負電荷重心相對移位，自發(fā)極化發(fā)生變 化，晶體表面就會產(chǎn)生電荷耗盡，電荷耗盡的狀況正比于極化程度，圖1表示了熱釋電 效應形成的原理。I IAMkTIK熱釋電敢應的形成熄理Ino/I Wl-Tdo |/十、I2 ”WI、十十u I I，I I J/ IJ LJ I P l-T mno/H曰 單晶（LiTaO3 ）、壓電陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）熱釋電傳感器利用的正 是熱

10、釋電效應，是一種溫度敏感傳感器。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，元件兩 個表面做成電極，當傳感器監(jiān)測范圍內(nèi)溫度有AT的變化時，熱釋電效應會在兩個 電極上會產(chǎn)生電荷 Q,即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱電壓 V。由于它的 輸出阻抗 極 高，所以傳感器中有一個場效應管進行阻抗變換。熱釋電效應所產(chǎn)生的電荷。會跟空氣中的離子所結(jié)合而消失，當環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時， T=0,傳感器無輸出。當人體進入檢測區(qū)時，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產(chǎn)生則有信 號輸出；若人體進入檢測區(qū)后不動，則溫度沒有變化，傳感器也沒有輸出，所以 這種傳感器能檢測人體或者動物的活動。熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路如下圖所 示。傳感器主要有外

11、殼、濾光片、熱釋電元件PZT場效應管FET等組成。其中，濾光片設置在窗口處，組成紅外線通過的窗口。濾光片為6mn多層膜干涉 濾光片，對太陽光和熒光燈光的短波長（約5mm以下）可很好濾除。熱 釋電元件PZT將波長在8mml加之間的紅外信號的微弱變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，為了?對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涅耳濾光片，使環(huán)境的 干擾受到明顯的抑制作用。菲涅耳透鏡菲涅耳透鏡日匚/土n咫琬氐土nrw必，于匚紅刀兒紜刀可兀心/pLi目心, 馮心乂日丞床 口丫 * 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

12、折射（反射）在PIR上；二正/|寸t少次干I 次心叩口口日心,I丈近/t少次ugcu個夕wj物I令閂匕然皿/又又 rbcun 工3工 PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號這樣PIR就能產(chǎn)生變化電信號。如果我們在熱電元件接上 適當?shù)碾娮?，當元件受熱時，電阻上就有電流流過，在兩端得到電壓信 號。四、具體應用一一被動式熱釋電紅外傳感器4.1被動式熱釋電紅外傳感器的工作原理與特性在自然界，任何高于絕對溫度(-273K)的物體都將產(chǎn)生紅外光譜，不同溫度的物體釋放的 紅外能量的波長是不一樣的，因此紅外波長與溫度的高低是相矢的，而且輻射能量的大 小與物體表面溫度有尖。人體都有恒定的體溫，一般在37(左右，會發(fā)出10

13、 .左右特定波長的紅外線，被動式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的 紅外線而進行工作的。紅外線通過菲涅耳濾光片增強后聚集到熱釋電元件，這種元件在接 收到人體紅外輻射變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后檢測處理后就能產(chǎn)生報警 信號。被動紅外探頭，其傳感器包含兩個互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元件，而且制成的兩個 電極化方向正好相反(見熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路圖)環(huán)境背景輻射對兩個熱 釋元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應相互抵消，于是探測器無信號輸出。4.2抗干擾f生能：1、防小動物干擾：探測器安裝在推薦地使用高度，對探測范圍內(nèi)地面上地小動物， 一般不產(chǎn)生報警。2、抗電磁干擾：探測器的抗電磁波

14、干擾性能符合GB10408中461要求，一般手機電 磁干擾不會引起誤報。3、抗燈光干擾：探測器在正常靈敏度的范圍內(nèi)，受3米外H4鹵素燈透過玻璃照射， 不產(chǎn)生報警。4.4優(yōu)缺點不同于主動式紅外傳感器，被動紅外傳感器本身不發(fā)任何類型的輻射，隱蔽性好，器 件功耗很小，價格低廉。但是，被動式熱釋電傳感器也有缺點，如：信號幅度小，容 易受各種熱源、光源干擾；被動紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被 探頭接收；易受射頻輻射的干擾；環(huán)境溫度和人體溫度接近時，探測和靈敏度明顯 下降，有時造成短時失靈；被動紅外探測器的主要檢測的運動方向為橫向運動方向5 對徑向方向運動的物體檢測能力比較差。4.5建議改

15、進措施從安裝上消除誤報率紅外線熱釋電傳感器只能安裝也有限定，其誤報 率與安裝的位置和方式有極大的尖系。正確的安裝應滿足下列條件：紅外線熱釋電傳感器應離地面2.0-2.2米。紅外線熱釋電傳感器遠離空調(diào)冰箱，火爐等空氣溫度變化敏感的地方。紅外線熱釋電傳感器探測范圍內(nèi)不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔離物。紅外線熱釋電傳感器不要直對窗口，否則窗外的熱氣流擾動和人員走動會引起 誤報，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氣利用菲涅耳原理提高熱釋電紅外傳感器的敏感度菲涅耳透鏡根據(jù)菲涅耳原理制成， 利用透鏡的特殊光學原理，把紅外光線分成可見區(qū)和肓區(qū)，在探測器前方產(chǎn)生一個交替 變化的“盲區(qū)

16、”和“高靈敏區(qū)，以提高它的探測接收靈敏度。當有人從透鏡前走過時， 人體發(fā)出的紅外線就不斷地交替從“盲區(qū)”進入“高靈敏區(qū)”，這樣就使 接收到的紅外 信號以忽強忽弱的脈沖形式輸入，從而增強其能量幅度，同時又有聚焦的作用，使熱釋 電人體紅外傳感器（PIR）靈敏度大大增加。由此可知，熱釋電紅外傳感器應與非涅爾透 鏡配合使用，才能提高其靈敏度。消除干擾紅外線本身發(fā)出的是幾乎恒頻的電磁波，除此之外為了抗干擾或避免互相 干擾，要對其進行調(diào)制，一次調(diào)制是恒頻的載波，若要是分辨出具體指令，還需要用指 令信號對載波進行調(diào)制，其實是二次調(diào)制了。此處可以具體問題，具體調(diào)制。增加光譜選擇性熱釋電紅外傳感器的工作原理為熱

17、電晶體的熱釋電效應。（由于熱釋電探測器的性能隨著熱量的下降而降低，所以良好的熱絕緣結(jié)構(gòu)是制作高性能熱 釋電探測器的尖鍵，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鈕酸鋰、硫酸 三甘鐵等配合濾光鏡片窗口組成），就熱釋電傳感器器來說，響應時間較長，但相應 來說響應速度慢。為毫秒級，峰值探測率低，由于響應波段較寬，且沒有光譜選擇性， 所以需加濾光片，用來解決既定問題。雖然被動式熱釋電紅外探頭有些缺點，但是利用 特殊信號處理方法后，仍然使它在某些領(lǐng)域具有廣闊的應用前景因此，有很多生產(chǎn)商根 據(jù)PIR傳感器的特性設計了專用信號處理器、比 HOLTEK HT761、PTI PT8A26XXP WELTR

18、END 町 8072,BISS0001 本文此處對 PTI （百利通電子有限公司）專用芯片PT8A26XXP乍一個應用實例的介紹，用以對其 信號缺陷方面的改進措施作具體闡述。卻侍巾榷廬*144卻侍巾榷廬*144占G扎 1I LLI 2$T 那,I*-川血應壬壬 框入休忌應開矢的肓號處理過程川血應壬壬 框入休忌應開矢的肓號處理過程人體感應開尖方框圖中陰影部分是PIR信號處理部分，有兩個運算放大器、一個窗口比 較器、一個穩(wěn)壓、一個系統(tǒng)振蕩器和一個邏輯控制器。其它是依賴處理結(jié)果的控制部分，這里重點介三口 r 信號處理部分，控制部分就簡單略過。由于PIR信號變化緩慢、幅值小，針對該特點，專用信號處理器一般分為三步處理，具體 處理步驟如下：濾波放大：普通PIR傳感器輸出信號幅值一般都很小，大約幾百微伏到幾毫伏， 為了后續(xù)電路能作有效的處理，考慮到傳感器的信噪比，通常取增益72 5dB，通帶0 3Hz7Hz。同時，由于是處理模擬小信號，所以為了保證放大器的工 作穩(wěn)定可靠，電路中特別集成了一個穩(wěn)壓器用于給傳感器、放大器和比較器供電。窗口比較器：經(jīng)過放大后的信號通過窗口比較器后檢出滿足幅值要求的信號 后，再轉(zhuǎn)換成一系列數(shù)字脈沖信號。噪聲抑制數(shù)字信號處理：根據(jù)對人體運動特點以及傳感器的特性的長期研究，用 固定時間內(nèi)計脈沖個數(shù)和測脈沖寬度的方法來甄別有效的人