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热释电红外传感器

1. 1红外线放射的基本原理

 太阳光用三角镜分为红色、橙色、黄色、绿色、蓝色、紫色7种颜色,它们是可见光。其波长范围为0. 36μm~0.  76μm之间。红色和紫色两端外面有人眼看不见的光,被称为不可见光。红外光是可见光和微波之间的电磁波,其波长范围为0。. 76μm~1 mm间,频率从4x1014 Hz到3x1011 Hz。在红外分光学中,将1~15μm称为近红外波段,将15μm~50μm称为中红外波段,将50μm~1 mm称为远红外波段。 在自然界中,高于绝对零度(-273℃)的物体是红外线放射源,人体、木材、石头、火焰、冰等可以放射不同波长的红外线,通过红外线传感器进行检测。

1. 2红外线传感器

 红外线传感器是将红外线辐射能量转换为电能的受光元件之一,通常将红外线传感器分为热型和光电型,热型红外线传感器也称为热电红外线传感器或被动红外线传感器。 光电型红外线传感器利用光电效应工作,响应速度快,检测特性好。 但是,由于需要冷却,使用方便性差,而且器件的检测灵敏度依赖于红外波长。 热电红外传感器在红外辐射的热辐射作用下引起元件自身的温度变化,其检测率、响应速度比光子型传感器差。。 但是,热电型传感器能够在室温下工作,检测灵敏度高,且与辐射波长无关,仅通过背景辐射能够检测电力受到限制。 另外,热电体的反应也快,应用也容易。  室温下使用时灵敏度不依赖于波长,应用领域广泛。

2.热电传感器的动作原理、材料、种类及相关特性

2. 1热电效果

 一部分强电介质物质的表面发生变化时,随着温度的上升和下降,这些物质表面发生电荷的变化,这种现象被称为热电效应,是热电效应之一。 这种现象在钛酸钡这样的强诱电材料中特别显着出现。在像钛酸钡那样结晶上,在上下面设置电极,在上面设置黑色膜,在红外线间歇地照射时,其表面温度上升δt,该结晶内部的原子排列发生变化,引起自发极化电荷Δp,设元件的电容为c时,元件两电极的电压为Δp/c。 另外,请注意,由热电效应产生的电荷不会永远存在,只要产生,就会立即与空气中的1个离子结合。 因此,利用热电效应的红外线传感器大多在该元件前附加机械的周期性遮光手段,周期性地产生电荷,只能在移动物体时使用。

2. 2热电传感器的构造

 热电设备是利用某种材料的热电效应制作的红外线检测元件,根据物质表面温度,发出不同波段的红外光,进行温度检测。

  热电红外传感器是具有热电效应的陶瓷材料,②构成电路的铝基板场效应晶体管( fet )③限制入射红外波长的窗材④外壳to-5型盖和芯柱。 图1、图2、图3分别是热电红外线传感器结构图、传感器内部接线图及电路图,由于电容的电流发生器的输出阻抗高,而且输出电压信号极微弱,因此对管内的传感器元件fet实施黑色的氧化膜,提高其转换效率。 等效电路是为了变换阻抗,在负载电阻上并联连接了放大器和厚膜电阻的电路。 在封装的顶部设置过滤器( to-5封装),树脂封装设置在侧面。

 


  

2. 3热电性物质

 目前发现的热电性物质有很多种类,最常用的有10种。这些热电性材料包括: (1)单晶材料如硫酸三甘肽( TGS )和铌酸锂;(2)陶瓷材料如锆钛酸铅( PZT )和钛酸铅; (3)聚偏氟乙烯等高分子薄膜材料。 这3种中,性能最高的是陶瓷材料。居里点高,自发极化强度高,批量生产性高,成本低。 表1、表2、表3分别表示热电性材料特征及几种常用材料的特性比较。

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    开发人员首次开始研究热电性材料时,发现这种传感器开发的关键在于薄膜技术。但是,已经在市场上出现的钛酸铅很脆弱,容易破裂,经过了实用的尝试。因此,日本hokuriku公司决定开发钛酸铅的坚固材料。经过一系列实验,试制了这样的材料,但由于成本高,不得不放弃开发电影热电体。为此,我想使用以往的技术制作产品。钛酸铅由于焦电率大、诱电率小,因此是优异的焦电性材料。 但是,烧结困难,且烧结中产生铅蒸发,陶瓷成为单一成分的压电元件。另外,极化电压过高。为了解决这些缺点,正在开发向铅和钛中添加各种金属氧化物的方法。其结果是,以钛酸铅为主要成分,由钛酸钙和锑合成三元系陶瓷。 具有良好的热电性和极化性。钛酸铅居里点高,因此温度稳定性好。现在是理想的热电性物质。

2. 4热电传感器的分类和特征

  热电红外传感器不仅可以分为内部设置的传感器元件的数量,还可以分为单元类型、双元型、四元类型、特殊类型等几种类型。双元型和四元型被广泛用于检测防盗装置中人的出现。温度补偿单元型用于辐射温度计、气体分析装置、火焰检测器等。这些热电红外线传感器中最广泛使用的是双元型。因为能够检测出物体的出现和移动方向。p228是通用型的2元型热电红外线传感器。所谓2元型,是指在1个传感器上串联连接2个反相传感器元件,其特征在于,当入射能量依次入射到2个元件上时,其输出比单元构件高2倍。2个元件逆向串联连接,同时人的能量相互抵消,可防止太阳和灯头等红外线引起的误动作。 ③可防止环境温度变化导致的检测误差。  ④常用PZT传感器也具有压电效果,PZT传感器也可消除振动导致的检测误差。

 日本hokuriku公司开发的热电红外线传感器用导电膏固定热电元件和针脚,不仅能够保持热电元件和氧化铝(搭载fet )的间隔一定,还能避免热消耗。 一般热电元件自身的厚度为50~100μm。 热电元件的阻抗高(约1011ω),容易受到外来噪声的影响。 为了解决这个问题,在内部插入fet的初级作为阻抗变换电路。 信噪比高、灵敏度高。 表4是日本hokuriku公司的几个代表性热电红外线传感器元件的指标。

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   热电红外传感器的灵敏度不依赖于辐射波长,因此检测范围广。 这对于辐射温度计来说是很大的优点。 应用于检测者是导致误动作的原因。 因此,检测人的传感器上带有选择窗口材料。 这个窗户材料只通过人体辐射波长(7~ 15μm )。 日本开发了5种窗户材料,其中3种用于检测人的传感器,另外2种用于其他用途。 通过组合这5种窗户材料和3种传感器,可构成各种用途的传感器,满足用户的需求。

2. 5热电红外线传感器元件

 热电元件本身的检测能力有限,且需要辅助电路,因此实用性差。 因此,一般厂商不是简单的传感器元件,而是提供完整的传感器装置。。 热电红外传感器器件通常由热电传感器元件、透镜系统、辅助电路(放大及信号处理)及屏蔽外壳构成。。 装置整体小型化。  选择传感器时主要根据适用对象决定。多功能传感器内部有定时器。通用型是小型、低价的。  在检测人的传感器内部设置滤波器回路,避免误报。这些装置用户可以通过调整电阻电容器任意设定灵敏度和时间。 这些传感器装置能够容易地安装在照明装置上,能够仅在夜间动作或用于照明控制。 检测人的传感器检测距离为5 m。如果人体温度在环境温度4℃以上,在有空调的房间内也可以从相距10 m的地方检测出来。

2. 6组合件的构造

 由于感应元件本身使用时的感应距离短,而且存在后续电路难以使用的弱点,因此现在正在销售红外线模块。。 红外线模块由热电传感器、扩大检测范围、提高灵敏度的透镜、电气放大、信号处理系统用的后电路、用于防止外界噪声引起的误动作的屏蔽外壳(仅限多功能模块)构成。。 这种结构小型且具有多种功能。

  热释电红外传感器是高阻抗( 1010~1012ω)的元件,由于容易进入噪声,因此与其连接的前置放大器的初级必须采用高输入阻抗( r > 1010ω)、低噪声场效应晶体管,并将其封入热电传感器封装体内。 由此,能够有效地降低噪音、干扰、机械振动影响。场效应晶体管使用2 sk 303 v 3、2 sk 94 x 3等,构成源极跟随器。。 高电阻电阻r起到放电栅极电荷,使场效应晶体管安全动作的作用。。 源极输出连接法时,源极电压约为0. 4~1. 0 v。

3热释电红外线传感器的典型应用

3. 1热电传感器应用分类

 热电传感器的应用广泛,大致分为定量测定和定性测定。定量的测定是测定红外光源的温度t,非接触测定温度的方法。基本根据如下所述,首先辐射能量流密度ωλ可以表示如下。

 

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 其中ελ相当于放射率、绝对黑体的校正,是1以下的数,h是钳位常数,λ是波长,c是光速,k是玻耳兹曼常数,t是绝对温度。 因此,如果光源放射率一定,热电传感器与光源相对位置及光学系统被固定,则传感器的温度与光源温度处于一定的关系。

  定性测定是热电红外线传感器的最大应用领域。基本原理是根据检测物(人体、动物、火焰)和背景放射特性的不同,检测对象物的有无。。 现在,在防犯警报、火灾检测、自动门、自动水龙头、自动电梯、自动照明、非接触温度计测等领域中,使用最广泛的传感器。这是因为被测定对象本身发出红外线,所以也可以不另外设置光源。②大气对2~2. 6μm、3~5μm、8~14μm的3个被称为“大气窗”的特定波长波段的红外线吸收非常少,非常容易检测出来。③中远红外线不受可见光的影响,可在昼夜任意检测。

3. 2被动红外线警报器

 被动红外线报警器结构如图4所示。 物体发出的红外线通过菲涅耳透镜到达焦电红外线传感器。此时,热电红外线检测器输出脉冲信号,放大脉冲信号进行滤波后,用电压比较器与基准值进行比较,当输出信号达到一定值时,警报电路发出警报。

 

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 图5是菲涅耳透镜检测示意图。 菲涅耳透镜是基于法国物理学家菲涅耳原理用PE (聚乙烯)材料进行冲压而成的。菲涅耳透镜具有多个焦距,因此对于与各个方向不同距离的光的灵敏度可以保持一定。通过组合镜头和热电红外检测器,提高传感器的检测范围。 如果不安装菲涅耳透镜的话,传感器检测距离为2 m左右,透镜安装后的有效检测距离为10~15 m,这一点在实验中得到了进一步的确认。这是因为,移动的人体和物体放射的红外线进入镜头时,红外线放射的“死角”和“高灵敏度区域”交替发生,焦电晶体管的温度不断变化,一系列的输出脉冲信号的光脉冲进入传感器。 如果人体在镜头前静止站立,则传感器输出信号。

 

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 该电路使用p 268型热电红外线传感器作为传感器元件,能够以非接触方式检测从人体发射的红外线能量,将其转换为电信号并输出。该传感器在12 v电源中内置外置菲涅耳透镜,检测区域为球状,有效警戒距离为12~15 m,方位角为85°。红外线警戒区域内无移动体时,传感器输出信号,警报电路不动作。当人进入警戒区域时,只要人体活动,其辐射红外线就会被热电红外线传感器接收,输出微弱的电信号。该信号被运算放大器a 1、a 2放大,输出强电信号。 输送给a 3和a 4双极限电压比较器发送。这个比较器的2个阈值电压分别是2. 9 V和7. 4 V,通过计算可以知道。9 v和7.  4 v、a 2的输出电压> a 3的基准电压7.  4 v时,a 3输出高电平。  a 2输出的电压< a 4的基准电压2.  9 v时,a 4也输出高电平。 该高电平信号经由反相器a 5成为低电平的信号,成为单稳定化触发器IC 1的触发信号。 单触发电路的触发反转时,高电平输出晶体管t 1导通,继电器k 1动作,其常开触点k1- 1关闭,警报电路发出警报。电路中旁路电容器起到防止噪声的作用。电路中的单触发电路构成具有由r 17和c 8决定的延迟时间的延迟电路,根据电路提供的参数,计算延迟时间为10 s。低电平触发器触发电路反转,变为过渡状态时,警报电路动作,警报时间约为10 s。被动的红外线传感器与人体的灵敏度和人体的运动方向有很大关系,对于半径方向的移动反应并不敏感,对于横断方向(即与半径垂直的方向)的移动也是敏感的。 为了获得最佳的检测灵敏度,请选择并使用适当的安装位置,以避免红外探针的错误检测。

4.结束语

  热电红外传感器具有廉价、技术性能稳定、开发简单等特点,除了以上监视报等和自动开关的典型应用之外。广泛应用于其他许多领域. 例如,随着自动运转停止的空调机、水服务器、电视机、自动拍摄人和动物动作的照相机和数码相机等电子技术的发展,热电红外线传感器在自动控制领域得到了广泛应用。


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