原创热释电传感器原理与应用

 2009-4-28 15:24  3876 9 9 分类: 测试测量

基于热释电红外传感器的报警系统

摘要：介绍了热释红外传感器的工作原理，给出了一种被动型热释电红外报警器的结构原理及其应用电路。这种电路把红外线的隐蔽性很好地应用于报警系统中，从而实现了防盗报警功能，达到了安全防护之目的。

关键词：被动式红外报警器；热释电红外（ＰＩＲ）传感器；双精度单稳多频振荡器

１概述

随着时代的不断进步，人们对自己所处环境的安全性提出了更高的要求，尤其是在家居安全方面，不得不时刻留意那些不速之客。现在很多小区都安装了智能报警系统，因而大大提高了小区的安全程度，有效保证了居民的人身财产安全。由于红外线是不可见光，有很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用。此外，在电子防盗、人体探测等领域中，被动式热释电红外探测器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点而受到广大用户和专业人士的欢迎。

目前国内使用的各类防盗、保安报警器基本都是以超声波、主动式红外发射／接收以及微波等技术为基础。而这里所设计的被动式红外报警器则采用了美国的传感元件——热释电红外传感器。这种热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号，同时，它还能鉴别出运动的生物与其它非生物。热释电红外传感器既可用于防盗报警装置，也可以用于自动控制、接近开关、遥测等领域。用它制作的防盗报警器与目前市场上销售的许多防盗报警器材相比，具有如下特点：

●不需要用红外线或电磁波等发射源。

●灵敏度高、控制范围大。

●隐蔽性好，可流动安装。

２热释电红外传感器的原理特性

热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。为了抑制因自身温度变化而产生的干扰该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化并将其转换为电信号输出。热释电红外传感器在结构上引入场效应管的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该电阻阻抗高达１０４ＭΩ，故引入的Ｎ沟道结型场效应管应接成共漏形式即源极跟随器来完成阻抗变换。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。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。

图１是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图。使用时Ｄ端接电源正极，Ｇ端接电源负极，Ｓ端为信号输出。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０．２～２０μｍ。为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，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。

３被动式红外报警器的结构原理

３．１结构

被动式红外报警器主要由光学系统、热释电红外传感器、信号滤波和放大、信号处理和报警电路等几部分组成。其结构框图如图２所示。图中，菲涅尔透镜可以将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外探测元上，同时也产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区，以适应热释电探测元要求信号不断变化的特性；热释电红外传感器是报警器设计中的核心器件，它可以把人体的红外信号转换为电信号以供信号处理部分使用；信号处理主要是把传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、延迟、比较，为报警功能的实现打下基础。图３所示的是将待测目标、菲涅尔透镜、热释电红外传感器相结合使用时的工作原理示意图。

３．２工作原理

在该探测技术中，所谓“被动”是指探测器本身不发出任何形式的能量，只是靠接收自然界能量或能量变化来完成探测目的。被动红外报警器的特点是能够响应入侵者在所防范区域内移动时所引起的红外辐射变化，并能使监控报警器产生报警信号，从而完成报警功能。图４所示是该报警器的工作电路原理图。

当人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜被聚焦在热释电红外传感器的探测元上时，电路中的传感器将输出电压信号，然后使该信号先通过一个由Ｃ１、Ｃ２、Ｒ１、Ｒ２组成的带通滤波器，该滤波器的上限截止频率为１６Ｈｚ，下限截止频率为０．１６Ｈｚ。由于热释电红外传感器输出的探测信号电压十分微弱（通常仅有１ｍＶ左右），而且是一个变化的信号，同时菲涅尔透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式（脉冲电压的频率由被测物体的移动速度决定，通常为０．１～１０Ｈｚ左右），所以应对热释红外传感器输出的电压信号进行放大。本设计运用集成运算放大器ＬＭ３２４来进行两级放大，以使其获得足够的增益。

当传感器探测到人体辐射的红外线信号并经放大后送给窗口比较器时，若信号幅度超过窗口比较器的上下限，系统将输出高电平信号；无异常情况时则输出低电平信号。在该比较器中，Ｒ９、Ｒ１０、Ｒ１１用做参考电压，两个运算放大器用做比较，两个二极管的主要作用是使输出更稳定。窗口比较器的上下限电压即参考电压分别为３．８Ｖ和１．２Ｖ。将这个高低电平变化的信号上升沿信号作为单稳电路ＨＥＦ４５３８Ｂ的触发信号，并让其输出一个脉宽大约为１０ｓ的高电平信号。再用这一脉宽信号作为报警电路ＫＤ９５６１的输入控制信号，来使电路产生１０ｓ的报警信号，最后用三极管ＶＴ１和ＶＴ２再一次对电信号进行放大，以便有足够大的电流来驱动喇叭使其连续发出１０ｓ的报警声。

４结束语

用热释电红外传感器设计的监控报警系统具有结构简单、成本低等优点。经过多次测试，该系统工作情况稳定。

图4

热释电红外报警器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系。正确的安装应满足下列条件：

（１）报警器应离地面２.０～２.２米。

（２）报警器应远离空调、冰箱、火炉等空气、温度变化比较敏感的地方。

（３）报警器探测范围内不得有隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。

（４）报警器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的话最好把窗帘拉上。另外，报警器也不要安装在有强气流活动的地方。

热释电红外控制开关

　　本例介绍一款采用热释电红外传感器 (一种由高热电系数材料、阻抗匹配用场效应晶体管的滤光镜片等组成的新型敏感元件)和专用集成电路制作的热释电红外线控制开关，它在检测到人体发射的红外传感器信号后接通，使负载 (报警器或照明灯、排风扇等)通电工作。

　　电路工作原理

　　该热释电红外控制开关电路由热释红外传感器 (PIR)、热释电红外控制电路、光控电路和控制执行电路组成，如图3-66所示。