热释电红外传感器

一.热释电红外传感器的工作原理

    热释电红外传感器通过目标与背景的温差来探测目标，其工作原理是利用热释电效应，即在钛酸钡一类晶体的上、下表面设置电极，在上表面覆以黑色膜，若有红外线间歇地照射，其表面温度上升△T，其晶体内部的原子排列将产生变化，引起自发极化电荷，在上下电极之间产生电压△U。常用的热释电红外线光敏元件的材料有陶瓷氧化物和压电晶体，如钛酸钡、钽酸锂、硫酸三甘肽及钛铅酸铅等。

    热释电红外传感器内部由光学滤镜、场效应管、红外感应源(热释电元件)、偏置电阻、EMI电容等元器件组成，其内部电路框图如图1所示。

 
    光学滤镜的主要作用是只允许波长在10μm左右的红外线(人体发出的红外线波长)通过，而将灯光、太阳光及其他辐射滤掉，以抑制外界的干扰。  红外感应源通常由两个串联或者并联的热释电元件组成，这两个热释电元件的电极相反，环境背景辐射对两个热释电元件几乎具有相同的作用，使其产生的热释电效应相互抵消，输出信号接近为零。一旦有人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元件接收，由于角度不同，两片热释电元件接收到的热量不同，热释电能量也不同，不能完全抵消，经处理电路处理后输出控制信号。

    热释电效应同压电效应类似，是指由于温度的变化而引起晶体表面电荷的现象。热释电红外传感器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△T的变化时，热释电效应会在两个电极上产生电荷△Q，即在两电极之间产生一微弱的电压△V。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△Q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，△T=O，传感器无输出。

    在自然界，任何高于绝对温度(-273℃)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有关。

    人体或者体积较大的动物都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10μm左右的红外线，当人体进入检测区，因人体温度与环境温度有差别，人体发射的10μm左右的红外线通过菲涅耳透镜滤光片增强后聚集到红外感应源(热释电元件)上，红外感应源在接收到人体红外辐射时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，进而产生△T并将△T向外围电路输出，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。

    若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有信号输出，所以这种传感器适合检测人体或者动物的活动情况。

    目前常用的热释电红外传感器型号主要有P228、LHl958、LHI954、RE200B、KDS209、PIS209、LHI878、PD632等。热释电红外传感器通常采用3引脚金属封装，各引脚分别为电源供电端(内部开关管D极，DRAIN)、信号输出端(内部开关管S极，SOURCE)、接地端(GROUND)。常见的热释电红外传感器外形如图2所示，各引脚功能如图3所示。
 
 
    热释电红外传感器的主要工作参数有工作电压(常用的热释电红外传感器工作电压范围为3～15V)、工作波长(通常为7.5～14 μ m)、源极电压(通常为0.4～1.1V，R=47kΩ)、输出信号电压(通常大于2.0V)等。