热释电人体 红外线传感器 的原理.doc

热释电人体红外线传感器的原理
热释电人体红外线传感器是上世纪80年代末期出现的一种新型传感器件。现在,已得到越来越广泛的应用。目前,一些书刊只简要介绍了被动式热释电人体红外线传感器的基本应用。本文就主动式和被动式两方面的基本应用原理作一大致介绍。
一、热释电人体红外线传感器的基本结构和原理
目前,市场上出现的热释电人体红外线传感器主要有上海产的SD02、PH5324,德国产的LH1954、LH1958,美国HAMAMATSU公司产P2288,日本NIPPONCERAMIC公司的SCA02-1、RS02D等。虽然它们的型号不一样,但其结构、外型和电参数大致相同,大部分可以彼此互换使用。
热释电人体红外线传感器(以下简称:传感器)由敏感单元、阻抗变换器和滤光窗等三大部分组成。图1为P2288、SD02、SCA02-1的外形图。图1a为它们的顶视图,其中较大的矩形部分为滤光窗,两个虚线框矩形为敏感单元,面积约2x1mm2,间距1mm。图1b为侧视图;图1c为底视图;它们的监视、探测角度如图1a、d,其中参数为SCA02-1的数据,其它两种的参数大致相同。

其内部结构见图1a及图2。对不同的传感器来说,敏感单元的制造材料有所不同。如,SD02的敏感单元由锆钛酸铅制成;P2288由LiTaO3制成。这些材料再做成很薄的薄片,每一片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,如图2中的P1、P2。因为这两个小电容是做在同一硅晶片上的,而它们形成的等效小电容能自身产生极化,极化的结果是,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P1、P2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,回路中无电流,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P1、P2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,P1、P2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(~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P1、P2做在同一硅晶片上的,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。
从原理上讲,任何发热体都会产生红外线,热释电人体红外线传感器对红外线的敏感程度主要表现在传感器敏感单元的温度所发生的变化,而温度的变化导致电信号的产生。环境与自身的温度变化由其内部结构决定了它不向外输出信号;而传感器的低频响应(~10Hz)和对特定波长红外线(一般为5~15um)的响应决定了传感器只对外界的红外线的辐射而引起传感器的温度的变化而敏感,而这种变化对人体而言就是移动。所以,传感器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;它可以抗可见光和大部分红外线的干扰。

它是由一块薄玻璃片镀上多层滤光层薄膜而成的,如图2中的M,~14um波长以外的红外线。例如,SCA02-~14um波长的红外线的穿透量为70%,%,%;P2288的响应波长为6~14um,中心波长为10um。
物体发射出的红外线辐射能,最强波长和温度的关系满足λm*T=2989()(其中λm为最大波长,T为绝对温度)。人体的正常体温为36~。C,即309~,其辐射的最强的红外线的波长为λm=2989/(309~)=~,。因此,人体辐射的最强的红外线的波长正好落在滤光窗的响应波长(7~14um)的中心。所以,滤光窗能有效地让人体辐射的红外线通过,而最大限度地阻止阳光、灯光等可见光中的红外线的通过,以免引起干扰。
综上所述,传感器只对移动或运动的人体和体温近似人体的物体起作用。
菲涅尔透镜不使用菲涅尔透镜时传感器的探测半径不足2米,只有配合菲涅尔透镜使用才能发挥最大作用。配上菲涅尔透镜时传感器的探测半径可达到10米。例如,一些传感器对远在20米处快速行驶的汽车里的人体也能可靠地检测到。菲涅尔透镜采用塑料片制作而成。图3为它的平面图。从图中可以看出,透镜在水平方向上分寸成3个部分,每一部分在竖直方向上又等分成若干不同的区域。最上面部分的每一等份