熱釋電傳感器原理與應(yīng)用
出處：lakado 發(fā)布于：2007-04-19 09:36:04
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。它能檢測人或某些動物發(fā)射的紅外線并轉(zhuǎn)換成電信號輸出。早在1938年，有人就提出利用熱釋電效應(yīng)探測紅外輻射，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，才又推動了對熱釋電效應(yīng)的研究和對熱釋電晶體的應(yīng)用開發(fā)。近年來，伴隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，以及對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。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)。
二、熱釋電效應(yīng)
當一些晶體受熱時，在晶體兩端將會產(chǎn)生數(shù)量相等而符號相反的電荷，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。當溫度變化時，晶體結(jié)構(gòu)中的正負電荷重心相對移位，自發(fā)極化發(fā)生變化，晶體表面就會產(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，元件兩個表面做成電極，當傳感器監(jiān)測范圍內(nèi)溫度有ΔT的變化時，熱釋電效應(yīng)會在兩個電極上會產(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場效應(yīng)管進行阻抗變換。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷ΔQ會跟空氣中的離子所結(jié)合而消失，當環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時，ΔT=0，傳感器無輸出。當人體進入檢測區(qū)時，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產(chǎn)生ΔT，則有信號輸出；若人體進入檢測區(qū)后不動，則溫度沒有變化，傳感器也沒有輸出，所以這種傳感器能檢測人體或者動物的活動。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，組成紅外線通過的窗口。濾光片為6mm多層膜干涉濾光片，對太陽光和熒光燈光的短波長（約5mm以下）可很好濾除。熱釋電元件PZT將波長在8mm~12mm之間的紅外信號的微弱變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，為了只對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，元件兩個表面做成電極，當傳感器監(jiān)測范圍內(nèi)溫度有ΔT的變化時，熱釋電效應(yīng)會在兩個電極上會產(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場效應(yīng)管進行阻抗變換。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷ΔQ會跟空氣中的離子所結(jié)合而消失，當環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時，ΔT=0，傳感器無輸出。當人體進入檢測區(qū)時，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產(chǎn)生ΔT，則有信號輸出；若人體進入檢測區(qū)后不動，則溫度沒有變化，傳感器也沒有輸出，所以這種傳感器能檢測人體或者動物的活動。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，組成紅外線通過的窗口。濾光片為6mm多層膜干涉濾光片，對太陽光和熒光燈光的短波長（約5mm以下）可很好濾除。熱釋電元件PZT將波長在8mm~12mm之間的紅外信號的微弱變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，為了只對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，將熱釋的紅外信號折射（反射）在PIR上；二是將檢測區(qū)內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入檢測區(qū)的移動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，這樣PIR就能產(chǎn)生變化電信號。
如果我們在熱電元件接上適當?shù)碾娮瑁斣軣釙r，電阻上就有電流流過，在兩端得到電壓信號。 
三、被動式熱釋電紅外{%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是不一樣的，因此紅外波長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，會發(fā)出10mm左右特定波長的紅外線，被動式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的紅外線而進行工作的。紅外線通過菲涅耳濾光片增強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就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后經(jīng)檢測處理后就能產(chǎn)生報警信號。被動紅外探頭，其傳感器包含兩個互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元件，而且制成的兩個電極化方向正好相反（如圖2側(cè)視圖C），環(huán)境背景輻射對兩個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，于是探測器無信號輸出[3]。
四、被動式熱釋電紅外探頭的優(yōu)缺點
不同于主動式紅外傳感器，被動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，價格低廉。 但是，被動式熱釋電傳感器也有缺點，如：
①信號幅度小，容易受各種熱源、光源干擾；
②被動紅外穿透力差，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，探測和靈敏度明顯下降，有時造成短時失靈；
⑤被動紅外探測器的主要檢測的運動方向為橫向運動方向，對徑向方向運動的物體檢測能力比較差。
②被動紅外穿透力差，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，探測和靈敏度明顯下降，有時造成短時失靈；
⑤被動紅外探測器的主要檢測的運動方向為橫向運動方向，對徑向方向運動的物體檢測能力比較差。
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五、熱釋電紅外探頭處理芯片原理及應(yīng)用
雖然被動式熱釋電紅外探頭有些缺點，但是利用特殊信號處理方法后，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)計了專用信號處理器，比如HOLTEK HT761X、PTI PT8A26XXP、WELTREND WT8072,BISS0001。本文對PTI（百利通電子有限公司）專用芯片PT8A26XXP作一個應(yīng)用實例的介紹。
圖4陰影部分是PIR信號處理部分，有兩個運算放大器、一個窗口比較器、一個穩(wěn)壓器、一個系統(tǒng)振蕩器和一個邏輯控制器。其它是依賴處理結(jié)果的控制部分，這里重點介紹PIR信號處理部分，控制部分就簡單略過。
由于PIR 信號變化緩慢、幅值小，針對該特點，專用信號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，由于是處理模擬小信號，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)過放大后的信號通過窗口比較器后檢出滿足幅值要求的信號后，再轉(zhuǎn)換成一系列數(shù)字脈沖信號。
③噪聲抑制數(shù)字信號處理
③噪聲抑制數(shù)字信號處理
根據(jù)對人體運動特點以及傳感器的特性的長期研究，用固定時間內(nèi)計脈沖個數(shù)和測脈沖寬度的方法來甄別有效的人體信號，這里由系統(tǒng)振蕩器提供時鐘源（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 ；三個脈沖有效，每個都必須大于 24ms 。
經(jīng)過上述三步處理后就能準確、可靠地判斷人體信號。根據(jù)具體應(yīng)用場合實現(xiàn)既定控制，例如報警器自動告警，自動開啟某個設(shè)備。 PT8A26XX 系列主要是用于自動延時開關(guān)，其中延時可調(diào)，還可設(shè)定白天不工作。另外其它幾個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器，因其價格低廉、技術(shù)性能穩(wěn)定而受到廣大用戶和人士的歡迎，廣泛應(yīng)用于各種自動化控制裝置中，既可作為紅外激光的一種較理想的探測器，又可適用于防盜報警、來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開關(guān)、防盜報警上得到應(yīng)用外，在更多的領(lǐng)域應(yīng)用前景看好。
關(guān)鍵詞：熱釋電傳感器原理與應(yīng)用WT8072HT761X
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