什麽是紅外線傳感器
卿 太 全
熱釋電人體紅外線傳感器是上世紀80年代末期出現的壹種新型傳感器件。現在，已得到越來越廣泛的應用。目前，壹些書刊只簡要介紹了被動式熱釋電人體紅外線傳感器的基本應用。本文就主動式和被動式兩方面的基本應用原理作壹大致介紹。
壹、 熱釋電人體紅外線傳感器的基本結構和原理
目前，市場上出現的熱釋電人體紅外線傳感器主要有上海產的SD02、PH5324，德國產的LH1954、LH1958，美國HAMAMATSU公司產P2288，日本NIPPON CERAMIC公司的SCA02-1、RS02D等。雖然它們的型號不壹樣，但其結構、外型和電參數大致相同，大部分可以彼此互換使用。
熱釋電人體紅外線傳感器（以下簡稱：傳感器）由敏感單元、阻抗變換器和濾光窗等三大部分組成。圖1為P2288、SD02、SCA02-1的外形圖。圖1a為它們的頂視圖，其中較大的矩形部分為濾光窗，兩個虛線框矩形為敏感單元，面積約2x1mm2 ，間距1mm。圖1b為側視圖；圖1c為底視圖；它們的監視、探測角度如圖1a、d，其中參數為SCA02-1的數據，其它兩種的參數大致相同。
1.敏感單元
其內部結構見圖1a及圖2。對不同的傳感器來說，敏感單元的制造材料有所不同。如，SD02的敏感單元由鋯鈦酸鉛制成；P2288由LiTaO3 制成。這些材料再做成很薄的薄片，每壹片薄片相對的兩面各引出壹根電極，在電極兩端則形成壹個等效的小電容 ，如圖2中的P1、P2。因為這兩個小電容是做在同壹矽晶片上的，而它們形成的等效小電容能自身產生極化，極化的結果是，在電容的兩端產生極性相反的正、負電荷。但這兩個電容的極性是相反串聯的。這正是傳感器的獨特設計之處，因而使得它具有獨特的抗幹擾性。
當傳感器沒有檢測到人體輻射出的紅外線信號時， 由於P1、P2自身產生極化，在電容的兩端產生極性相反、電量相等的正、負電荷，而這兩個電容的極性是相反串聯的，所以，正、負電荷相互抵消，回路中無電流，傳感器無輸出。
當人體靜止在傳感器的檢測區域內時，照射到P1、P2上的紅外線光能能量相等，且達到平衡，極性相反、能量相等的光電流在回路中相互抵消。傳感器仍然沒有信號輸出。同理，在燈光或陽光下，因陽光移動的速度非常緩慢，P1、P2上的紅外線光能能量仍然可以看作是相等的，且在回路中相互抵消；再加上傳感器的響應頻率很低（壹般為0.1~10Hz），即傳感器對紅外光的波長的敏感範圍很窄（壹般為5~15um），因此，傳感器對它們不敏感。
當環境溫度變化而引起傳感器本身的溫度發生變化時，因P1、P2做在同壹矽晶片上的，它所產生的極性相反、能量相等的光電流在回路中仍然相互抵消，傳感器無輸出。
從原理上講，任何發熱體都會產生紅外線，熱釋電人體紅外線傳感器對紅外線的敏感程度主要表現在傳感器敏感單元的溫度所發生的變化，而溫度的變化導致電信號的產生。環境與自身的溫度變化由其內部結構決定了它不向外輸出信號；而傳感器的低頻響應（壹般為0.1~10Hz）和對特定波長紅外線（壹般為5~15um）的響應決定了傳感器只對外界的紅外線的輻射而引起傳感器的溫度的變化而敏感，而這種變化對人體而言就是移動。所以，傳感器對人體的移動或運動敏感，對靜止或移動很緩慢的人體不敏感；它可以抗可見光和大部分紅外線的幹擾。
2.濾光窗
它是由壹塊薄玻璃片鍍上多層濾光層薄膜而成的，如圖2中的M，濾光窗能有效地濾除7.0~14um波長以外的紅外線。例如，SCA02-1對7.5~14um波長的紅外線的穿透量為70%，在6.5um處時下降為65%，而在5.0um處時陡降為0.1%；P2288的響應波長為6~14um，中心波長為10um。
物體發射出的紅外線輻射能，最強波長和溫度的關系滿足λm*T=2989（um.k）（其中λm為最大波長，T為絕對溫度）。人體的正常體溫為36~37.5。C ，即309~310.5K，其輻射的最強的紅外線的波長為λm=2989/（309~310.5）=9.67~9.64um，中心波長為9.65um。因此，人體輻射的最強的紅外線的波長正好落在濾光窗的響應波長（7~14um）的中心。所以，濾光窗能有效地讓人體輻射的紅外線通過，而最大限度地阻止陽光、燈光等可見光中的紅外線的通過，以免引起幹擾。
綜上所述，傳感器只對移動或運動的人體和體溫近似人體的物體起作用。
菲涅爾透鏡 不使用菲涅爾透鏡時傳感器的探測半徑不足2米，只有配合菲涅爾透鏡使用才能發揮最大作用。配上菲涅爾透鏡時傳感器的探測半徑可達到10米。例如，壹些傳感器對遠在20米處快速行駛的汽車裏的人體也能可靠地檢測到。菲涅爾透鏡采用塑料片制作而成。圖3為它的平面圖。從圖中可以看出，透鏡在水平方向上分寸成3個部分，每壹部分在豎直方向上又等分成若幹不同的區域。最上面部分的每壹等份為壹個透鏡單元，它們由壹個個同心圓構成，同心圓圓心在透鏡單元內。中間和下半部分的每壹等份也為分別壹個透鏡單元，同樣由同心圓構成，但同心圓圓心不在透鏡單元內。當光線通過這些透鏡單元後，就會形成明暗相間的可見區和盲區。由於每壹個透鏡單元只有壹個很小的視角，視角內為可見區，視角外為盲區。任何兩個相鄰透鏡單元之間均以壹個盲區和可見區相間隔，它們斷續而不重疊和交叉，如圖3b。這樣，當把透鏡放在傳感器正前方的適當位置時，運動的人體壹旦出現在透鏡的前方，人體輻射出的紅外線通過透鏡後在傳感器上形成不斷交替變化的陰影區（盲區）和明亮區（可見區），使傳感器表面的溫度不斷發生變化，從而輸出電信號。也可以這樣理解，人體在檢測區內活動時，壹離開壹個透鏡單元的視場，又會立即進入另壹個透鏡單元的視場，（因為相鄰透鏡單元之間相隔很近），傳感器上就出現隨人體移動的盲區和可見區，導致傳感器的溫度變化，而輸出電信號。
菲涅爾透鏡不僅可以形成可見區和盲區，還有聚焦作用，其焦點壹般為5厘米左右，實際應用時，應根據實際情況或資料提供的說明調整菲涅爾透鏡與傳感器之間的距離，壹般把透鏡固定在傳感器正前方1~5厘米的地方。
菲涅爾透鏡壹般采用聚乙烯塑料片制成，顏色為乳白色或黑色，呈半透明狀，但對波長為10um左右的紅外線來說卻是透明的。
表1為熱釋電人體紅外線傳感器SCA02-1的主要電參數。
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二、 熱釋電人體紅外線傳感器的基本應用
圖4是由P2288或SCA02-1構成的熱釋電人體紅外線傳感器檢測與放大電路。
表1
項 目 參 數 條 件
電源電壓 2.2~10.0V
源極電壓 0.3~2.0V 25．C
源極阻抗 47KΩ Id=6~43uA
電 平 衡 10%Max）
頻率響應 0.3~30Hz 12db（Max）
響應波長 7.5~14um 平均大於70%
工作溫度 -10~+50。C
圖4
PY1為傳感器P2288或SCA02-1，IC1為低噪聲高速運算放大器LM358等。PY1檢測到人體紅外線信號後，從2腳輸出極微弱的電信號直接輸入同相放大器IC1a放大約2500倍，再從1腳輸出壹定幅度的信號，再經電容C8耦合到反相放大器IC1b進壹步放大。IC2構成窗口式電壓比較器，當IC1b的7腳電壓幅度在Ua和Ub的幅值之間時，IC2的1、7腳無輸出；當IC1b的7腳電壓幅度大於Ub的幅值時，IC2的7腳輸出高電平；當IC1b的7腳電壓幅度低於Ua的幅值時，IC2的1腳輸出高電平；經D1、D2相互隔離和“或”的作用，從P點輸出高電平控制信號。R11用於設置窗口的閥值電平，調節R11可以調整檢測器的靈敏度。P點輸出高電平控制信號可以用於以下各種實用電路中。
1.“有電，危險”安全警示電路 用於有電的場合，當有人進入這些場合時，通過發出語音和聲光提醒人們註意安全。
2.自動門 主要用於銀行、賓館。當有人來到時，大門自動打開，；人離開後又自動關閉。
3.紅外線防盜報警器 用於銀行、辦公樓、家庭等場合的防盜報警。
4.高速公路車輛車流計數器
5.自動開、關的照明燈，人體接近自動開關等。
（本文已發表於《電子世界》1996.10、11期上，此處有刪改）
1. 更換三極管TIP110引發的死機故障 2..數字發光價格顯示牌 3. 256路呼叫顯示器
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7.熱釋電人體紅外線傳感器的原理和應用
參考/technology/article.htm