5.3紅外熱釋電傳感器5.3.1紅外熱釋電現(xiàn)象5.3.2紅外熱釋電傳感器5.3.3紅外熱釋電傳感器應(yīng)用5.3紅外熱釋電傳感器凡是存在于自然界的物體，只要其溫度高于絕對(duì)零度-273℃，例如人體、建筑物、樹(shù)木、火焰甚至于冰都會(huì)放射出紅外線，只是其發(fā)射的紅外線的波長(zhǎng)不同而已。紅外線與所有電磁波一樣，具有反射、折射、干涉、吸收等性質(zhì)，其最大特點(diǎn)就是具有光、熱、電效應(yīng)。人體的溫度為36～37℃，所放射的紅外線波長(zhǎng)為9～10μm（屬于遠(yuǎn)紅外線區(qū)）；400～700℃的物體，其放射出的紅外線波長(zhǎng)為3～5μm（屬于中紅外線區(qū)）。紅外線傳感器可以檢測(cè)到這些物體發(fā)射出的紅外線，用于測(cè)量、成像或控制。紅外熱成像儀望遠(yuǎn)鏡與夜間成像5.3紅外熱釋電傳感器早在1938年，就有人提出利用熱釋電效應(yīng)探測(cè)紅外輻射。隨著激光、紅外技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，紅外測(cè)控技術(shù)在工業(yè)控制與測(cè)量、家用電器、安全保衛(wèi)以及人們?nèi)粘Ｉ钪械玫綇V泛應(yīng)用，在軍事上有紅外夜視成像儀、紅外搜索跟蹤系統(tǒng)、紅外警戒系統(tǒng)等，醫(yī)學(xué)上有紅外人體成像、紅外診斷、紅外測(cè)溫和輔助治療等。手持式紅外測(cè)溫儀紅外人體成像診斷儀人體紅外成像診斷圖5.3.1紅外熱釋電現(xiàn)象紅外線是一種電磁波，紅外線輻射本質(zhì)上是一種熱輻射。任何物體只要溫度高于絕對(duì)零度-273℃，就會(huì)向外部空間以紅外線形式輻射能量。物體的溫度越高，輻射出來(lái)的紅外線越多，輻射的能量就越大。同時(shí)，紅外線被物體吸收后可以轉(zhuǎn)化成熱量。通常，晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的電荷被附集在晶體外表面的空氣中的自由電子所中和，顯電中性。當(dāng)溫度變化時(shí)，晶體中的極化迅速減弱，而附集的空氣中的自由電子變化緩慢，在晶體表面會(huì)產(chǎn)生剩余電荷，其電荷量與溫度變化有關(guān)。5.3.1紅外熱釋電現(xiàn)象如果在熱電元件兩端并聯(lián)上電阻就會(huì)有電流流過(guò)，電阻兩端將產(chǎn)生電壓信號(hào)，從而將物體的紅外熱輻射轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。紅外熱釋電傳感器即是根據(jù)此原理制成。5.3.2紅外熱釋電傳感器1.紅外熱釋電傳感器結(jié)構(gòu)及原理紅外熱釋電傳感器是一種能檢測(cè)動(dòng)物或人體發(fā)射的紅外線而輸出電信號(hào)的傳感器，配以紅外熱釋電處理電路和少量外接元器件可構(gòu)成被動(dòng)式的紅外熱釋電開(kāi)關(guān)，可用于構(gòu)成防入侵報(bào)警器和各種自動(dòng)化節(jié)能裝置。例如，在房間無(wú)人時(shí)會(huì)自動(dòng)停機(jī)的空調(diào)機(jī)、飲水機(jī)、電視機(jī)，能自動(dòng)快速開(kāi)啟各類(lèi)白熾燈、熒光燈、自動(dòng)門(mén)、和自動(dòng)洗手池等裝置，特別適用于企業(yè)、賓館、商場(chǎng)、庫(kù)房及家庭的過(guò)道等敏感區(qū)域或用于安全區(qū)域的自動(dòng)燈光、照明和報(bào)警系統(tǒng)等。紅外熱釋電傳感器紅外熱釋電傳感器模塊紅外感應(yīng)信號(hào)處理芯片5.3.2紅外熱釋電傳感器1.紅外熱釋電傳感器結(jié)構(gòu)及原理紅外熱釋電傳感器的敏感元件是能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的熱釋電體或熱釋電元件，熱釋電敏感元件常用的材料有單晶鉭酸鋰（LiTaO3）、鋯鈦酸鉛系陶瓷（PZT）、硫酸三甘鈦（TGS）及高分子薄膜（PVFZ）等，將其制成尺寸為2*1mm的探測(cè)元件。在每個(gè)紅外熱釋電傳感器內(nèi)裝入兩個(gè)探測(cè)元件，將兩個(gè)探測(cè)元件以反極性串聯(lián)，以抑制由于自身溫度升高而產(chǎn)生的干擾，同時(shí)在串聯(lián)的熱釋電元件兩端并聯(lián)一個(gè)電阻；環(huán)境背景輻射對(duì)兩個(gè)熱釋電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(cè)器無(wú)信號(hào)輸出。當(dāng)探測(cè)接收到非平衡的紅外輻射時(shí)電阻上就有電流流過(guò)并將其轉(zhuǎn)變成微弱的電壓信號(hào)，由裝在探頭內(nèi)的場(chǎng)效應(yīng)管放大后向外輸出。5.3.2紅外熱釋電傳感器2.菲涅爾濾光透鏡為了提高紅外熱釋電傳感器的探測(cè)靈敏度并增大探測(cè)距離，一般在傳感器的前方裝設(shè)一個(gè)多分區(qū)組合式菲涅爾透鏡，整個(gè)半球形的透鏡是由多個(gè)小的菲涅爾透鏡構(gòu)成并將半球型分成若干等份區(qū)，形成具有特殊光學(xué)系統(tǒng)的透鏡，它和放大電路相配合，可將信號(hào)放大70分貝以上，可以測(cè)出10～20米范圍內(nèi)動(dòng)人的行動(dòng)。菲涅爾透鏡（FresnelLens）是由法國(guó)物理學(xué)家?jiàn)W古斯汀?菲涅爾（AugustinFresnel）在1822年發(fā)明的?，F(xiàn)代生產(chǎn)工藝是采用聚烯烴材料注壓而成薄片，鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓，它的紋理是利用光的干涉及折射和根據(jù)相對(duì)靈敏度和接收角度要求來(lái)設(shè)計(jì)的，其厚度一般在1mm左右。5.3.2紅外熱釋電傳感器2.菲涅爾濾光透鏡由于紅外熱釋電傳感器本身不發(fā)出探測(cè)光線，只是被動(dòng)地接受式外界物體輻射的紅外線，因此也稱(chēng)為被動(dòng)式紅外傳感器（PassiveInfrared，PIR）。被動(dòng)式紅外傳感器有三個(gè)關(guān)鍵性的元件：菲涅爾濾光透鏡，紅外熱釋電傳感器（PIR）和匹配低噪放大器。菲涅爾透鏡有兩個(gè)作用：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號(hào)匯聚在PIR上，二是將探測(cè)區(qū)內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入探測(cè)區(qū)的移動(dòng)物體（人或動(dòng)物）能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化的熱釋紅外信號(hào)。5.3.2紅外熱釋電傳感器2.菲涅爾濾光透鏡一旦人進(jìn)入探測(cè)區(qū)域內(nèi)，人體發(fā)射的10μm左右的紅外線通過(guò)部分菲涅爾透鏡聚焦增強(qiáng)后聚集到紅外敏感元件上，并被熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也不同，不能抵消，就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，使其內(nèi)部電阻產(chǎn)生微弱的電壓信號(hào)，經(jīng)傳感器內(nèi)置的場(chǎng)效應(yīng)管放大輸出，經(jīng)過(guò)后續(xù)電路檢測(cè)處理后就能產(chǎn)生控制信號(hào)。5.3.3紅外熱釋電傳感器應(yīng)用1.紅外熱釋電報(bào)警控制電路

BISS0001是紅外傳感信號(hào)專(zhuān)用處理器，是由運(yùn)算放大器、電壓比較器和狀態(tài)控制器、延遲時(shí)間定時(shí)器、封鎖時(shí)間定時(shí)器及參考電壓源等構(gòu)成的數(shù)?；旌蠈?zhuān)用集成電路。有2種典型工作方式：不可重觸發(fā)工作方式可重觸發(fā)工作方式（b）5.3.3紅外熱釋電傳感器應(yīng)用1）不可重觸發(fā)工作方式首先，根據(jù)實(shí)際需要，利用運(yùn)算放大器OP1組成傳感器信號(hào)預(yù)處理電路，將信號(hào)放大。然后耦合給運(yùn)算放大器OP2，再進(jìn)行第二次放大，同時(shí)將直流電位抬高為VM≈0.5VDD，將輸出信號(hào)2OUT送到由比較器COP1和COP2組成的雙向鑒幅器，檢出有效觸發(fā)信號(hào)VS。由于VH≈0.7VDD、VL≈0.3VDD，所以，當(dāng)VDD=5V時(shí)，可有效抑制±1V的噪聲干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。COP3是一個(gè)條件比較器。當(dāng)輸入電壓VC＜VR（≈0.2VDD）時(shí)，COP3輸出為低電平封住與門(mén)U2，禁止觸發(fā)信號(hào)VS向下級(jí)傳遞；而當(dāng)VC＞VR時(shí)COP3輸出為高電平，進(jìn)入延時(shí)周期。當(dāng)A端接“0”電平時(shí)，在Tx時(shí)間內(nèi)任何V2的變化都被忽略，直到Tx時(shí)間結(jié)束，即所謂不可重復(fù)觸發(fā)工作方式。當(dāng)Tx時(shí)間結(jié)束時(shí)，VO下跳回低電平，同時(shí)啟動(dòng)封鎖時(shí)間定時(shí)器而進(jìn)入封鎖周期Ti。在Ti時(shí)間內(nèi)，任何V2的變化都不能使VO跳變?yōu)橛行顟B(tài)（高電平），可有效抑制負(fù)載切換過(guò)程中產(chǎn)生的各種干擾。5.3.3紅外熱釋電傳感器應(yīng)用2）可重觸發(fā)工作方式在VC=“0”、A=“0”期間，信號(hào)VS不能觸發(fā)VO為有效狀態(tài)。在VC=“1”、A=“1”時(shí)，VS可重復(fù)觸發(fā)VO為有效狀態(tài)，并可促使VO在Tx周期內(nèi)一直保持有效狀態(tài)。在Tx時(shí)間內(nèi)，只要VS發(fā)生上跳變，則VO將從VS上跳變時(shí)刻起繼續(xù)延長(zhǎng)一個(gè)Tx周期；若VS保持為“1”狀態(tài)，則VO一直保持有效狀態(tài)；若VS保持為“0”狀態(tài)，則在Tx周期結(jié)束后VO恢復(fù)為無(wú)效狀態(tài)，并且，同樣在封鎖時(shí)間Ti時(shí)間內(nèi)，任何VS的變化都不能觸發(fā)VO為有效狀態(tài)。（b）5.3.3紅外熱釋電傳感器應(yīng)用3）紅外熱釋電報(bào)警控制電路當(dāng)人進(jìn)入探測(cè)區(qū)域時(shí)，人體產(chǎn)生的紅外線通過(guò)菲尼爾透鏡聚焦到紅外傳感器RE200B上，RE200B將熱量的變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)送到信號(hào)處理器芯片BISS0001中。電信號(hào)輸入到14引腳，經(jīng)過(guò)兩級(jí)運(yùn)算放大器放大后，進(jìn)入電壓比較器，在狀態(tài)控制器和時(shí)間延時(shí)器的控制下，輸出正確的波形信號(hào)。（b）5.3.3紅外熱釋電傳感器應(yīng)用3）紅外熱釋電報(bào)警控制電路圖中RR1、RC1所接的電容和電阻用來(lái)確定信號(hào)延遲時(shí)間，圖中參數(shù)信號(hào)延時(shí)時(shí)間大約為1s；RR2、RC2所接的電容和電阻用來(lái)確定信號(hào)封鎖時(shí)間，圖中參數(shù)信號(hào)封鎖時(shí)間大約為5s。這樣紅外傳感器RE200B產(chǎn)生有效電信號(hào)輸入時(shí)，BISS0001的輸出端VO會(huì)輸出1s左右的高電平，并且在5s左右的時(shí)間內(nèi)只能輸出一次。輸出的1s左右的高電平信號(hào)可用于控制和報(bào)警。5.3.3紅外熱釋電傳感器應(yīng)用2.紅外熱釋電控制照明電路圖示為采用HN911紅外熱釋電控制模塊的照明燈電路，可用于衛(wèi)生間、儲(chǔ)藏室、樓梯走廊等處，能做到“人來(lái)燈亮，人走燈滅”，并且還具有白天自動(dòng)封鎖功能。

（b）5.3.3紅外熱釋電傳感器應(yīng)用2.紅外熱釋電控制照明電路HN911為紅外熱釋電傳感控制系列模塊，它將高靈敏度的紅外熱釋電傳感器、放大器、信號(hào)處理及輸出電路組裝在一起制成模塊式集成電路，具有從信號(hào)接收到控制輸出的全部功能；在其輸出端接上晶體管放大電路或單穩(wěn)態(tài)電路可以驅(qū)動(dòng)繼電器，接上光藕合電路可以驅(qū)動(dòng)雙向晶閘管。（b）5.3.3紅外熱釋電傳感器應(yīng)用2.紅外熱釋電控制照明電路HN911系列模塊共有3種型號(hào)，即通用型（HN911T）、微功耗型（HN911L）和低溫型（HN911D），都具有良好的抗干擾性能，尤其是抗電磁波性能十分優(yōu)良；可在-20℃（T型和L型）到-300℃（D型）的低溫下穩(wěn)定地工作。HN911的輸出端輸出的是一個(gè)脈沖寬度大于2s的脈沖信號(hào)，其中1腳輸出的是正脈沖信號(hào)，2腳輸出的是負(fù)脈沖信號(hào)。（b）5.3.3紅外熱釋電傳感器應(yīng)用2.紅外熱釋電控制照明電路平時(shí)2腳輸出高電平，當(dāng)它探測(cè)到人體發(fā)出的紅外光線時(shí)，其輸出端2腳可輸出脈沖寬度大于2s的負(fù)脈沖信號(hào)，并直接加至555時(shí)基集成電路的觸發(fā)端2腳。（b）5.3.3紅外熱釋電傳感器應(yīng)用2.紅外熱釋電控制照明電路NE555接成典型的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，電路翻轉(zhuǎn)置位，3腳輸出高電平，使VT3迅速導(dǎo)通，繼電器K吸合，其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合接通被控照明燈的電源，使其通電發(fā)光。此時(shí)電源經(jīng)R2向C3充電，約經(jīng)t=1.1×R2C3時(shí)間，暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束，電路復(fù)位，3腳恢復(fù)低電平，VT3截止，k釋放，被控照明燈熄滅。如果有人在HN911的探測(cè)范圍內(nèi)不斷活動(dòng)，其2腳將不斷有負(fù)脈沖輸出，所以照明燈不會(huì)熄滅，直至人離開(kāi)，延遲1.1R2C3時(shí)間后，照明燈才熄滅。調(diào)節(jié)電位器RP1可以調(diào)整HN911模塊的探測(cè)靈敏度。（b）5.3.3紅外熱釋電傳感器應(yīng)用2.紅外熱釋電控制照明電路光敏電阻RL、R3、R4與VT1等組成光控制電路。在白天，RL受自然光線照射呈低電阻，VT1導(dǎo)通，NE555的4腳被鉗位在低電平，所以NE555被強(qiáng)制復(fù)位，3腳始終保持低電平，照明燈不會(huì)被點(diǎn)亮。到了晚上，RL失去自然光線照射，呈高電阻，VT1截止，從而解除對(duì)NE555的強(qiáng)制復(fù)位，電路才能被觸發(fā)工作。調(diào)節(jié)RP2可以改變電路的光控制靈敏度。VT2與R6組成自保電路，它可以解決晚上自身燈光對(duì)電路的干擾。5.3.3紅外熱釋電傳感器應(yīng)用2.紅外熱釋電控制照明電路晚上，當(dāng)有人走進(jìn)HN911的探測(cè)范圍，NE555翻轉(zhuǎn)置位，K吸合，由它控制的照明燈點(diǎn)亮。NE555時(shí)基集成電路3腳輸出的高電平，同時(shí)又經(jīng)R6加至VT2的基極，使VT2飽和導(dǎo)通，故使VT1截止，這就保證了555時(shí)基集成電路的4腳電平不會(huì)因?yàn)镽L受自身光線照射而跌落。如果沒(méi)有自保電路，RL在安裝時(shí)必須要避開(kāi)自身燈光的照射，否則電路不能正常工作。拓展提高

紅外熱釋電感應(yīng)信號(hào)處理模塊紅外感應(yīng)IC是一種具有較高性能的傳感信號(hào)處理集成電路。是由運(yùn)算放大器、電壓比較器和狀態(tài)控制器、延時(shí)時(shí)間定時(shí)器、封鎖時(shí)間定時(shí)器、及參考電壓源等構(gòu)成的數(shù)模混合專(zhuān)用集成電路。它配以紅外熱釋電傳感器和少量外接元器件構(gòu)成被動(dòng)式的紅外熱釋電開(kāi)關(guān)。紅外熱釋電傳感器IC有貼片，有直插。常用的紅外感應(yīng)信號(hào)處理芯片有BISS0001、CSC9803、CSC9803GE、CS9803GP、LP0001、LP8072、M7612、M7615、M7616、KT-0003B等。拓展提高

紅外熱釋電感應(yīng)信號(hào)處理模塊功能更好的HN911型紅外熱釋電探頭模塊是一個(gè)將紅外熱釋電傳感器、放大器信號(hào)處理電路、延時(shí)電路以及高、低電平輸出電路集成于一體的傳感器件。它具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、耐低溫及使