熱釋電傳感器原理與應(yīng)用
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一、前言
熱釋電紅外傳感器是一種非常有應(yīng)用潛力的傳感器。它能檢測(cè)人或某些動(dòng)物發(fā)射的紅外線并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。早在1938年，有人就提出利用熱釋電效應(yīng)探測(cè)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(dòng)了對(duì)熱釋電效應(yīng)的研究和對(duì)熱釋電晶體的應(yīng)用開發(fā)。近年來(lái)，伴隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，以及對(duì)該傳感器的特性的深入研究，相關(guān)的專用集成電路處理技術(shù)也迅速增長(zhǎng)。本文先介紹熱釋電傳感器的原理，然后再描述相關(guān)的專用集成電路處理技術(shù)。
當(dāng)一些晶體受熱時(shí)，在晶體兩端將會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)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(yīng)。通常，晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被來(lái)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(lái)。當(dāng)溫度變化時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)中的正負(fù)電荷重心相對(duì)移位，自發(fā)極化發(fā)生變化，晶體表面就會(huì)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(yīng)形成的原理。
能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的晶體稱之為熱釋電體或熱釋電元件，其常用的材料有單晶(LiTaO3 等)、壓電陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）[2]
熱釋電傳感器利用的正是熱釋電效應(yīng)，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(gè)表面做成電極，當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)溫度有ΔT的變化時(shí)，熱釋電效應(yīng)會(huì)在兩個(gè)電極上會(huì)產(chǎn)生電荷ΔQ，即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱電壓ΔV。由于它的輸出阻抗極高，所以傳感器中有一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行阻抗變換。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷ΔQ會(huì)跟空氣中的離子所結(jié)合而消失，當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時(shí)，ΔT=0，傳感器無(wú)輸出。當(dāng)人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)時(shí)，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產(chǎn)生ΔT，則有信號(hào)輸出；若人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)后不動(dòng)，則溫度沒(méi)有變化，傳感器也沒(méi)有輸出，所以這種傳感器能檢測(cè)人體或者動(dòng)物的活動(dòng)。熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路見圖2所示。傳感器主要有外殼、濾光片、熱釋電元件PZT、場(chǎng)效應(yīng)管FET等組成。其中，濾光片設(shè)置在窗口處，組成紅外線通過(guò)的窗口。濾光片為6mm多層膜干涉濾光片，對(duì)太陽(yáng)光和熒光燈光的短波長(zhǎng)（約5mm以下）可很好濾除。熱釋電元件PZT將波長(zhǎng)在8mm~12mm之間的紅外信號(hào)的微弱變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，為了只對(duì)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。。
能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的晶體稱之為熱釋電體或熱釋電元件，其常用的材料有單晶(LiTaO3 等)、壓電陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）[2]
熱釋電傳感器利用的正是熱釋電效應(yīng)，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(gè)表面做成電極，當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)溫度有ΔT的變化時(shí)，熱釋電效應(yīng)會(huì)在兩個(gè)電極上會(huì)產(chǎn)生電荷ΔQ，即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱電壓ΔV。由于它的輸出阻抗極高，所以傳感器中有一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行阻抗變換。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷ΔQ會(huì)跟空氣中的離子所結(jié)合而消失，當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時(shí)，ΔT=0，傳感器無(wú)輸出。當(dāng)人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)時(shí)，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產(chǎn)生ΔT，則有信號(hào)輸出；若人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)后不動(dòng)，則溫度沒(méi)有變化，傳感器也沒(méi)有輸出，所以這種傳感器能檢測(cè)人體或者動(dòng)物的活動(dòng)。熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路見圖2所示。傳感器主要有外殼、濾光片、熱釋電元件PZT、場(chǎng)效應(yīng)管FET等組成。其中，濾光片設(shè)置在窗口處，組成紅外線通過(guò)的窗口。濾光片為6mm多層膜干涉濾光片，對(duì)太陽(yáng)光和熒光燈光的短波長(zhǎng)（約5mm以下）可很好濾除。熱釋電元件PZT將波長(zhǎng)在8mm~12mm之間的紅外信號(hào)的微弱變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，為了只對(duì)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（圖3）根據(jù)菲涅耳原理制成，把紅外光線分成可見區(qū)和盲區(qū)，同時(shí)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。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(hào)折射（反射）在PIR上；二是將檢測(cè)區(qū)內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入檢測(cè)區(qū)的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號(hào)，這樣PIR就能產(chǎn)生變化電信號(hào)。
如果我們?cè)跓犭娫由线m當(dāng)?shù)碾娮?，?dāng)元件受熱時(shí)，電阻上就有電流流過(guò)，在兩端得到電壓信號(hào)。 
三、被動(dòng)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(duì)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(zhǎng)是不一樣的，因此紅外波長(zhǎng)與溫度的高低是相關(guān)的，而且輻射能量的大小與物體表面溫度有關(guān)。
人體都有恒定的體溫，一般在37°C左右，會(huì)發(fā)出10mm左右特定波長(zhǎng)的紅外線，被動(dòng)式紅外探頭就是靠探測(cè)人體發(fā)射的紅外線而進(jìn)行工作的。紅外線通過(guò)菲涅耳濾光片增強(qiáng)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(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，后經(jīng)檢測(cè)處理后就能產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。被動(dòng)紅外探頭，其傳感器包含兩個(gè)互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元件，而且制成的兩個(gè)電極化方向正好相反（如圖2側(cè)視圖C），環(huán)境背景輻射對(duì)兩個(gè)熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應(yīng)相互抵消，于是探測(cè)器無(wú)信號(hào)輸出[3]。
四、被動(dòng)式熱釋電紅外探頭的優(yōu)缺點(diǎn)
不同于主動(dòng)式紅外傳感器，被動(dòng)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(jià)格低廉。 但是，被動(dòng)式熱釋電傳感器也有缺點(diǎn)，如：
①信號(hào)幅度小，容易受各種熱源、光源干擾；
②被動(dòng)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；
③易受射頻輻射的干擾；
④環(huán)境溫度和人體溫度接近時(shí)，探測(cè)和靈敏度明顯下降，有時(shí)造成短時(shí)失靈；
⑤被動(dòng)紅外探測(cè)器的主要檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)闄M向運(yùn)動(dòng)方向，對(duì)徑向方向運(yùn)動(dòng)的物體檢測(cè)能力比較差。
②被動(dòng)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；
③易受射頻輻射的干擾；
④環(huán)境溫度和人體溫度接近時(shí)，探測(cè)和靈敏度明顯下降，有時(shí)造成短時(shí)失靈；
⑤被動(dòng)紅外探測(cè)器的主要檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)闄M向運(yùn)動(dòng)方向，對(duì)徑向方向運(yùn)動(dòng)的物體檢測(cè)能力比較差。
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五、熱釋電紅外探頭處理芯片原理及應(yīng)用
雖然被動(dòng)式熱釋電紅外探頭有些缺點(diǎn)，但是利用特殊信號(hào)處理方法后，仍然使它在某些領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。因此，有很多生產(chǎn)商根據(jù)PIR傳感器的特性設(shè)計(jì)了專用信號(hào)處理器，比如HOLTEK HT761X、PTI PT8A26XXP、WELTREND WT8072,BISS0001。本文對(duì)PTI（百利通電子有限公司）專用芯片PT8A26XXP作一個(gè)應(yīng)用實(shí)例的介紹。
圖4陰影部分是PIR信號(hào)處理部分，有兩個(gè)運(yùn)算放大器、一個(gè)窗口比較器、一個(gè)穩(wěn)壓器、一個(gè)系統(tǒng)振蕩器和一個(gè)邏輯控制器。其它是依賴處理結(jié)果的控制部分，這里重點(diǎn)介紹PIR信號(hào)處理部分，控制部分就簡(jiǎn)單略過(guò)。
由于PIR 信號(hào)變化緩慢、幅值小，針對(duì)該特點(diǎn)，專用信號(hào)處理器一般分為三步處理，具體處理步驟如下：
①濾波放大
普通PIR傳感器輸出信號(hào)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0.3Hz~7Hz。同時(shí)，由于是處理模擬小信號(hào)，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(gè)穩(wěn)壓器用于給傳感器、放大器和比較器供電。
②窗口比較器
經(jīng)過(guò)放大后的信號(hào)通過(guò)窗口比較器后檢出滿足幅值要求的信號(hào)后，再轉(zhuǎn)換成一系列數(shù)字脈沖信號(hào)。
③噪聲抑制數(shù)字信號(hào)處理
③噪聲抑制數(shù)字信號(hào)處理
根據(jù)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)以及傳感器的特性的長(zhǎng)期研究，用固定時(shí)間內(nèi)計(jì)脈沖個(gè)數(shù)和測(cè)脈沖寬度的方法來(lái)甄別有效的人體信號(hào)，這里由系統(tǒng)振蕩器提供時(shí)鐘源（16kHz）。具體判別方法如下[4]：
!--[if !supportLists]--> !--[endif]--> 判別操作限制在2s內(nèi)； !--[endif]--> 脈沖寬度低于24ms的都算作噪聲，不予處理；單個(gè)有效脈沖：寬度必須大于340 ms；雙脈沖，其中寬的必須大于160ms ，窄的大于 24ms ；三個(gè)脈沖有效，每個(gè)都必須大于 24ms 。
經(jīng)過(guò)上述三步處理后就能準(zhǔn)確、可靠地判斷人體信號(hào)。根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)既定控制，例如報(bào)警器自動(dòng)告警，自動(dòng)開啟某個(gè)設(shè)備。 PT8A26XX 系列主要是用于自動(dòng)延時(shí)開關(guān)，其中延時(shí)可調(diào)，還可設(shè)定白天不工作。另外其它幾個(gè)公司處理器功能都基本類似，在節(jié)能領(lǐng)域應(yīng)用較廣。
六、結(jié)論
隨著相關(guān)信號(hào)處理器性能和可靠性的不斷提高，熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測(cè)器，因其價(jià)格低廉、技術(shù)性能穩(wěn)定而受到廣大用戶和專業(yè)人士的歡迎，廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化控制裝置中，既可作為紅外激光的一種較理想的探測(cè)器，又可適用于防盜報(bào)警、來(lái)客告知及非接觸開關(guān)等紅外領(lǐng)域。除了在眾所周知的摟道自動(dòng)開關(guān)、防盜報(bào)警上得到應(yīng)用外，在更多的領(lǐng)域應(yīng)用前景看好。
參考文獻(xiàn)：
[1] PIS01E datasheet[DB/OL]. http://www.Watirony.com 慧創(chuàng)就電子有限公司 .
[2] 黃繼昌，徐巧魚等 . 傳感器工作原理及應(yīng)用實(shí)例 [M] ，人民郵電出版社 .
[3] 被動(dòng)紅外探測(cè)器在安防工程中的應(yīng)用 [EB/OL] http://www.secu.com.cn/News/view/2005/7/5/14484.htm
[4] HOLTEK HT7610[DB/OL]. http://www.holtek.com.cn /china /products/misc_5.htm
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[3] 被動(dòng)紅外探測(cè)器在安防工程中的應(yīng)用 [EB/OL] http://www.secu.com.cn/News/view/2005/7/5/14484.htm
[4] HOLTEK HT7610[DB/OL]. http://www.holtek.com.cn /china /products/misc_5.htm
Principle Of Pyroelectric Infrared Sensor And Its Application
Abstract ： This article mainly introduces operational principles of Pyroelectric Infrared(PIR) sensor and PTI's PIR processing chip PT8A26XXP, meanwhile, with their principles and features, this article also shows widely application of PIR sensor and the related chip in safety and protection, energy-saving switch and automatic control field.
Keywords: pyroelectric effect; passive pyroelectric infrared sensor; fresnel lens
作者簡(jiǎn)介：
李建，主要從事集成電路方面的研發(fā)工作，集中于對(duì)產(chǎn)品的可行性研究及制定詳細(xì)的產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范。
通信地址：上海市桂平路 481 號(hào) 20 幢 3 層百利通電子有限公司 郵編： 200233 電話： 021-64850576-365 （ O ）
Email: mikelijian@yahoo.com.cn
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評(píng)論