1、红外线传感器的发展与应用信息 115 陈善宏（3231501）南京农业大学工学院摘要：红外技术发展到现在，已经为大家所熟知，这种技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得广泛的应用。红外线传感器是利用物体产生红外辐射的特性，实现自动检测的传感器。本文所介绍的热释电红外传感器，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。本文先介绍热释电传感器的原理，然后再描述被动式热释电红外传感器相关的专用集成电路处理技术以及对其缺陷作出的改进措施。关键词：红外探头；热电效应；被动式；热释电红外传感器。Development and application of infra
2、red transducerInformation 115 Chen Shanhong（32311501）Nanjing Agricultural University, Institute of Electrical EngineeringAbstract：Infrared technology development up to now, has been known to everyone. This technique has been widely used in modern science and technology, defense and other fields of i
3、ndustry and agriculture. Infrared sensor uses infrared radiation to produce an object characteristic, a sensor for detecting automatically. Pyroelectric infrared sensor described in this article, is a very promising application of sensor. People or animals can detect infrared rays emitted and conver
4、ted into an electric signal output. This paper first introduces the principle of the pyroelectric sensor, and then describe passive pyroelectric infrared sensor ASIC process technology and related improvements made to its defects.Key words: Infrared probe; thermoelectric effect; passive; pyroelectri
5、c infrared transducer一 、 引 言宇宙间的任何物体只要其温度超过零度就能产生红外辐射，事实上同可见光一 样 ， 其 辐 射 能 够 进 行 折射 和 反 射 ， 这 样 便 产 生 了 红 外 技 术 利 用 红 外 光 探 测 器 因其独有的优越性而得到广泛的重视，并在军事和名用领域得到了广泛的应用。军事上，红外探测用于制导、火控跟踪、警戒、目标侦查、武器热瞄准器、舰船导航等。在民用领域，广泛应用于工业设备监控、安全监视、救灾、遥感、交通管理以及医学诊断技术等。红外探测就是用仪器接受被探测物发出或者反射的红外线从而掌握被测物所处位置的技术。作为红外探测系统的核心期间，红
6、外传感器（也称为红外探测器）的研究成为一个热点。二、红外传感器的综述2.1 红外传感器的定义红 外 线 传 感 器 （ infrared transducer） 是 用 红 外 线 的 物 理 性 质 来 进 行 测 量的传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。它是一种不可见光，其光谱位于可见光中红色以外，所以称红外线。工 程 上 把 红 外 线 占 据 在 电 磁 波 谱 中 的 位 置 （ 波 段 ） 分 为 ： 近 红 外 、 中 红 外 、 远 红 外 、 极 远 红 外四 个 波 段 。 任 何 物 质 ， 只 要 它 本 身 具 有 一 定 的 湿 度
7、（ 高 于 绝 对 零 度 ） ， 都 能 辐 射 红 外 线 。2.2 特 点红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因 而 不 存 在 摩 擦 ， 并且有灵敏度高，响应快等优点。2.3 可测量的物理量红外线传感器常用于无接触温度测量，气体成分分析和无损探伤，在医学、军事、空 间 技 术 和 环 境 工程 等领域得到广泛应用。2.4 红外传感器的原理红 外 线 传 感 器 是 利 用 物 体 产 生 红 外 辐 射 的 特 性 ， 实 现 自 动 检 测 的 传 感 器 。 在物理学中，我们已经知道可见光、不可见光、红外光及无线电等都是电磁波，它们之间的差别只是波长(或频率)的不同而已。下面
8、是将各种不同的电磁波按照波(或频率)排成如下图所示的波谱图，称之为电磁波谱。从图 中 可 以 看 出 ， 红 外 线 属 于 不 可 见 光 波 的 范 畴 ， 它 的 波 长 一 般 在 0.76600m 之 间 (称 为 红 外 区 。而 红 外 区 通 常 又 可 分 为 近 红 外 (0.731.5m)、中红外(1.5 一 l0m)和远红外(10m 以上)300m 以 上 的区 域 又 称 为 “ 亚 毫 米 波 ”。 近 年 来 ， 红 外 辐 射 技 术 已 成 为 一 门 发 展 迅 速 的 新 兴 学 科 。 他 已 经 广 泛 应 用 于生产、科研、军事、医学等各个领域。2.
9、4.1、红外辐射的产生及其性质红外辐射是由于物体(固体、液体和气体 )内部分子的转动及振动而产生的。 这 类 振 动 过 程 是 物 体 受热 而 引 起 的 ， 只 有 在 绝 对 零 度 (-273.16) 时 ， 一 切 物 体 的分子才会停止运动。所以在绝对零度时，没有一种物体会发射红外线。换言之，在一般的常温下，所有的物体都是红外辐射的发射源。例如火焰、轴承、汽车、飞机、动植物甚至人体等都是红外辐射源。红外线和所有的电磁波一样，具有反射 、 折 射 、 散 射 、干 涉 及 吸 收 等 性 质 ， 但 它 的 特 点 是 热 效 应 非 常 大 ， 红 外 线 在 真空 中 传 播
10、的 速 度 c=3108ms，而在介质中传播时，由于介质的吸收和散射作用使它产生衰减。2.4.2 红外传感器的组成红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路，主要有两部分组成：红外辐射源，有红外辐射的物体就可以视为红外辐射源；红外探测器，能将红外辐射能转换为电能的光敏器件。2.4.3 红外传感系统的分类红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类：（1）辐射计，用于辐射和光谱测量；（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；（3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图象；（4 ）红外测距和通信系统；（5）混合系统，是指以各类系统中的两
11、个或者多个的组合。2.4.4红外传感器工作原理：（1）待侧目标。根据待侧目标的红外辐射特性可进行红外系统的设定。（2）大气衰减。待测目标的红外辐射通过地球大气层时，由于气体分子各种气体以及各种溶胶粒的散射和吸收，将使得红外源发出的红外辐射发生衰减。（3）光学接收器。它接收目标的部分红外辐射并传输给红外传感器。相当于雷达天线，常用是物镜。（4）辐射调制器。对来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光，提供目标方位信息，并可滤除大面积的干扰信号。又称调制盘和斩波器，它具有多种结构。（5）红外探测器。这是红外系统的核心。它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射的传感器，多数情况下是利
12、用这种相互作用所呈现出来的电学效应。此类探测器可分为光子探测器和热敏感探测器两大类型。（6）探测器制冷器。由于某些探测器必须要在低温下工作，所以相应的系统必须有制冷设备。经过制冷，设备可以缩短响应时间，提高探测灵敏度。（7）信号处理系统。将探测的信号进行放大、滤波，并从这些信号中提取出信息。然后将此类信息转化成为所需要的格式，最后输送到控制设备或者显示器中。（8）显示设备。这是红外设备的终端设备。常用的显示器有示波器、显象管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。三、产品介绍热释电红外传感器3.1 简介热释电红外传感器简称热释电传感器，通常用字母“PIR”表示。热释电红外传感器是一种非常有应用潜力
13、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。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。近年来，伴随着集成电路技术的飞速发展，以及对该传感器的特性的深入研究，相关的专用集成电路处理技术也迅增长。3.2 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
14、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，电荷耗尽的状况正比于极化程度，图 1 表示了热释电效应形成的原理。能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件，其常用的材料有单晶(LiTaO3 )、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，是一种温度敏感传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当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会产生电荷 Q，即在两电极之间产生一微弱电压 V。由于它的输出阻抗极高，所以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 会跟空气中的离
15、子所结合而消失，当环境温度稳定不变时，T=0，传感器无输出。当人体进入检测区时，因人体温度与环境温度有差别，产生 T，则有信号输出；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，所以这种传感器能检测人体或者动物的活动。热释电红外传感器的结构及内部电路如下图所示。传感器主要有外壳、滤光片、热释电元件 PZT、场效应管 FET 等组成。其中，滤光片设置在窗口处，组成红外线通过的窗口。滤光片为 6mm 多层膜干涉滤光片，对太阳光和荧光灯光的短波长（约 5mm 以下）可很好滤除。热释电元件 PZT 将波长在 8mm12mm 之间的红外信号的微弱变化转变为电信号，为了只对人体的红外辐射敏感，
16、在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅耳滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。菲涅耳透镜根据菲涅耳原理制成，把红外光线分成可见区和盲区，同时又有聚焦的作用，使热释电人体红外传感器 (PIR) 灵敏度大大增加。菲涅耳透镜折射式和反射式两种形式，其作用一是聚焦作用，将热释的红外信号折射（反射）在 PIR 上；二是将检测区内分为若干个明区和暗区，使进入检测区的移动物体能以温度变化的形式在 PIR 上产生变化热释红外信号，这样 PIR 就能产生变化电信号。如果我们在热电元件接上适当的电阻，当元件受热时，电阻上就有电流流过，在两端得到电压信号。四、具体应用被动式热释电红外传感器4.1 被动式热释电红外传感
17、器的工作原理与特性在自然界，任何高于绝对温度（-273K）的物体都将产生红外光谱，不同温度的物体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是相关的，而且辐射能量的大小与物体表面温度有关。人体都有恒定的体温，一般在 37C 左右，会发出 10mm 左右特定波长的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的红外线而进行工作的。红外线通过菲涅耳滤光片增强后聚集到热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后检测处理后就能产生报警信号。被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元件，而且制成的两个电极化方向正好相反（见热释电红外传感器的结构及内部
18、电路图）环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。4.2 抗干扰性能：1、防小动物干扰：探测器安装在推荐地使用高度，对探测范围内地面上地小动物，一般不产生报警。2、抗电磁干扰：探测器的抗电磁波干扰性能符合 GB10408 中 4.6.1 要求，一般手机电磁干扰不会引起误报。3、抗灯光干扰：探测器在正常灵敏度的范围内，受 3 米外 H4 卤素灯透过玻璃照射，不产生报警。4.4 优缺点不同于主动式红外传感器，被动红外传感器本身不发任何类型的辐射，隐蔽性好，器件功耗很小，价格低廉。但是，被动式热释电传感器也有缺点，如：信号幅度小，容易受各种热源、光
19、源干扰；被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收；易受射频辐射的干扰；环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵；被动红外探测器的主要检测的运动方向为横向运动方向，对径向方向运动的物体检测能力比较差。4.5 建议改进措施4.5.1 从安装上消除误报率红外线热释电传感器只能安装也有限定，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）红外线热释电传感器应离地面 2.0-2.2 米。（2）红外线热释电传感器远离空调冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方。（3）红外线热释电传感器探测范围内不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。（4）红外线热
20、释电传感器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的最好把窗帘拉上。红外线热释电传感器也不要安装在有强气流活动的地方。4.5.2 利用菲涅耳原理提高热释电红外传感器的敏感度菲涅耳透镜根据菲涅耳原理制成，利用透镜的特殊光学原理，把红外光线分成可见区和盲区，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区” ，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区” ，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而增强其能量幅度，同时又有聚焦的作用，使热释电人体红外传感器 (PIR) 灵敏度大大增加。由此可知，热释电红外
21、传感器应与非涅尔透镜配合使用，才能提高其灵敏度。4.5.3 消除干扰红外线本身发出的是几乎恒频的电磁波，除此之外为了抗干扰或避免互相干扰，要对其进行调制，一次调制是恒频的载波，若要是分辨出具体指令，还需要用指令信号对载波进行调制，其实是二次调制了。此处可以具体问题，具体调制。4.5.4 增加光谱选择性热释电红外传感器的工作原理为热电晶体的热释电效应。 （由于热释电探测器的性能随着热量的下降而降低，所以良好的热绝缘结构是制作高性能热释电探测器的关键，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） ，就热释电传感器器来说，响应时间较长， ，但相应来说响应速
22、度慢。为毫秒级，峰值探测率低，由于响应波段较宽，且没有光谱选择性，所以需加滤光片，用来解决既定问题。虽然被动式热释电红外探头有些缺点，但是利用特殊信号处理方法后，仍然使它在某些领域具有广阔的应用前景因此，有很多生产商根据 PIR 传感器的特性设计了专用信号处理器，比 HOLTEK HT761X、PTI PT8A26XXP、WELTREND 、WT8072,BISS0001。本文此处对PTI（百利通电子有限公司）专用芯片 PT8A26XXP 作一个应用实例的介绍，用以对其信号缺陷方面的改进措施作具体阐述。人体感应开关方框图中阴影部分是 PIR 信号处理部分，有两个运算放大器、一个窗口比较器、一个
23、稳压、一个系统振荡器和一个逻辑控制器。其它是依赖处理结果的控制部分，这里重点介绍 PIR 信号处理部分，控制部分就简单略过。由于 PIR 信号变化缓慢、幅值小，针对该特点，专用信号处理器一般分为三步处理，具体处理步骤如下：（1）滤波放大：普通 PIR 传感器输出信号幅值一般都很小，大约几百微伏到几毫伏，为了后续电路能作有效的处理，考虑到传感器的信噪比，通常取增益 72.5dB，通带 0.3Hz7Hz。同时，由于是处理模拟小信号，所以为了保证放大器的工作稳定可靠，电路中特别集成了一个稳压器用于给传感器、放大器和比较器供电。（2）窗口比较器：经过放大后的信号通过窗口比较器后检出满足幅值要求的信号后
24、，再转换成一系列数字脉冲信号。（3）噪声抑制数字信号处理：根据对人体运动特点以及传感器的特性的长期研究，用固定时间内计脉冲个数和测脉冲宽度的方法来甄别有效的人体信号，这里由系统振荡器提供时钟源（16kHz） 。具体判别方法如下：判别操作限制在 2s 内；脉冲宽度低于 24ms 的都算作噪声，不予处理；单个有效脉冲：宽度必须大于340 ms；双脉冲，其中宽的必须大于 160ms ，窄的大于 24ms ；三个脉冲有效，每个都必须大于 24ms 。经过上述三步处理后就能准确、可靠地判断人体信号。根据具体应用场合实现既定控制，例如报警器自动告警，自动开启某个设备。 PT8A26XX 系列主要是用于自动
25、延时开关，其中延时可调，还可设定白天不工作。另外其它几个公司处理器功能都基本类似，在节能领域应用较广。五、结论由于红外传感器的优越性，人们越来越多的应用这种探测器，而且对它的要求也越来越高。它的红外吸收和探测率要高，相应时间要短，而且，随着越来越广泛的应用，我们要求增大红外传感器的相应波长，探测器波长趋向长波段。根据上述要求，红外传感器会随着微电子技术的发展和传感器的应用领域的不断扩大，从单一元件、单一功能相集成化、多功能化方向发展。另外，由于双色及多色探测器具有较好的抗干扰能力，能获得精确可靠的目标信息，今后这种探测器可能会更加引起人们的关注，此外，红外传感器还趋向于对原有探测器的改进、对新的制作材料的开发、以及向红外焦平面阵列的高密集度方面的发展。这方面的研究者和学者正在向这些方向努力研究，相信随着时间的推移会有更多更好的材料应用于红外传感器的制作中来，更多类型的红外传感器应用于更加广泛的领域。参考文献：1 徐科军等传感器与检测技术第二版，电子工业出版社2 http:/ 3 http:/ www. e.htm 4 http:/ /products/misc_5.htm责任编辑：陈善宏
