2011级自动化（2）班
学号：201110503080
姓名：赵洪福热释电红外传感器的报警设计
摘要：目前国内使用的各类防盗?保安报警器基本都是以超声波?主动式红外发射/接收以及微波等技术为基础?而这里所设计的被动式红外报警器则采用了美国的传感元件——热释电红外传感器?这种热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线,并将其转变为电压信号,同时,它还能鉴别出运动的生物与其它非生物?热释电红外传感器既可用于防盗报警装置,也可以用于自动控制?接近开关?遥测等领域?
关键词：红外探头；热电效应；被动式；热释电红外传感器
Abstract: The Infrared Technology develops the present, already knew very well for everybody, this kind of technology already in domains and so on modern science and technology, national defense and industry and agriculture has obtained the widespread application.The infrared sensor has the infrared radiation characteristic using the object, the realization automatic detection sensor.This article introduced the pyroelectric infrared sensor, is one kind has the application potential sensor extremely.It can examine the human or certain animal launch infrared and transforms the electrical signal to output.This article introduced first the pyroelectric sensor the principle, then describes the passive form pyroelectric infrared sensor correlation special-purpose integrated circuit processing technology again as well as the improvement measure which makes in view of its flaw.
Key word:Infrared probe head; Pyroelectric effect; Passive form; Pyroelectric infrared senso
一、热释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，由于气体分子和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。
二：产品介绍——热释电红外传感器
2.1 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速增长。
2.2 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 等)、压电陶瓷（PZT 等）及高分子薄膜（PVFZ 等）[2] 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ΔT 的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷ΔQ，即在两电极之间产生一微弱电压ΔV。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ΔQ 会跟空气中的离子所结合而消失，当环境温度稳定不变时，ΔT=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ΔT，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见图2 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8mm~12mm 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，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（图3）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。
三：具体应用——被动式热释电红外传感器
3.1 被动式热释电红外传感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37°C 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（如图2 侧视图C），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[3]。
3.2 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。
3.3 建议改进措施
3.3.1、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（图3）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，热释电红外传感器应与非涅尔透镜配合使用，才能提高其灵敏度。
3.3.2、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。
四：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。
五：参考文献：
[1] PIS01E datasheet[DB/OL]. https://www.doczj.com/doc/945065084.html, 慧创就电子有限公司 .
[2] 黄继昌，徐巧鱼等 . 传感器工作原理及应用实例 [M] ，人民邮电出版社 .
[3] 被动红外探测器在安防工程中的应用 [EB/OL]
https://www.doczj.com/doc/945065084.html,/News/view/2005/7/5/14484.htm
[4] http:// www. https://www.doczj.com/doc/945065084.html,/jianji e.htm
[5]HOLTEK HT7610[DB/OL]. https://www.doczj.com/doc/945065084.html, /china /products/misc_5.htm