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一文读懂热释电传感器的原理与应用
热释电红外传感器是一种非常有应用潜力的传感器。它能检测人或某些动物发射的红外线并
转换成电信号输出,是一种能检测人体发射的红外线的新型高灵敏度红外探测元件。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。将输出的电
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、防盗防火报警等。
早在1938年,有人就提出利用热释电效应探测红外辐射,但并未受到重视。直到六十年代,
随着激光、红外技术的迅速发展,才又推动了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用开
发。
热释电效应
当一些晶体受热时,在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷,这种由于热变化产生
的电极化现象,被称为热释电效应。
通常,晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和,其
自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时,晶体结构中的正负电荷重心相对移位,自发极
化发生变化,晶体表面就会产生电荷耗尽,而电荷耗尽情况正比于极化程度。
能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件。热释电元件常用的材料有单晶
(LiTaO3等)、压电陶瓷(PZT等)及高分子薄膜(PVFZ等)。
热释电传感器利用的正是热释电效应,这是一种对温度敏感的传感器。它由陶瓷氧化物或压
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ΔT的变化时,热
释电效应会在两个电极上会产生电荷ΔQ,即在两电极之间产生一微弱的电压ΔV。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ΔQ
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,ΔT=0,则传感器无输出。当
人体进入检测区,因人体温度与环境温度有差别,产生ΔT,则有ΔT输出;若人体进入检测
区后不动,则温度没有变化,传感器也没有输出了。所以这种传感器检测人体或者动物的活
动传感。
热释电红外线传感器结构
普通热释电人体红外线传感器的外形如图所示,D脚和S脚分别为内部场效应管的漏极和源
极的引出端,G脚为内部敏感元件的接地引出端。因S和G之间悬空,故使用时其间应接输
出电阻R,才能输出传感信号。为了增强抗干扰能力,在此电阻上应并一个电容C。传感器
由敏感单元、滤光窗和菲涅尔透镜组成。
敏感单元的等效电路如图所示,内部敏感材料做成很薄的薄片,每一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,因为这两个小电容是做在同一硅晶片上的,
且形成的等效小电容能自身产生极化,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C1、C2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,回路中不产生电流,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C1、C2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,C1、C2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C1、C2做在同一硅晶片上,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。
只有当人体移动时,红外辐射引传感器敏感单元的两个等效电容产生不同的极化电荷时,才
会向外输出电信号。所以,这种传感器只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,且对可见光和大部分红外线具有良好的抗干扰能力。
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7.0~14μm波长以
外的红外线。例如,SCA02-1对7.5~14μm波长的红外线的穿透量为70%,在6.5μm处时
下降为65%,而在5.0μm处时陡降为0.1%,有效地保证了对人体红外线的选择性。
因为,物体发射出的红外线辐射能,*强波长和温度的关系满足λm×T=2989(μmk)(其中λ
m为*大波长,T为优良温度)。人体的正常体温为36~37
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