热释电传感器

热释电传感器原理特性

热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。为了抑制因自身温度变化而产生的干扰该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化并将其转换为电信号输出。热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。

由于热电元输出的是电荷信号，并不能直接使用因而需要用电阻将其转换为电压形式该电阻阻抗高达104MΩ，故引入的N沟道结型场效应管应接成共漏形式即源极跟随器来完成阻抗变换。热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的探测元也是有正、负极性的。

热释电传感器结构电路图

热释电传感器由滤光片、热释电探测元和前置放大器组成，补偿型热释电传感器还带有温度补偿元件，国1-1所示为热释电传感器的内部结构。为防止外部环境对传感器输出信号的干扰，上述元件被真空封装在—个金属营内。

图1-1热释电传感器的结构

热释电传感器的滤光片为带通滤光片，它封装在传感器壳体的顶端，使特定波长的红外辐射选择性地通过，到达热释电探测元+在其截止范围外的红外辐射则不能通过。

热释电探测元是热释电传感器的核心元件，它是在热释电晶体的两面镀上金属电极后，加电极化制成，相当于一个以热释电晶体为电介质的平板电容器。当它受到非恒定强度的红外光照射时，产生的温度变化导致其表面电极的电荷密度发生改变，从而产生热释电电流。

前置放大器由一个高内阻的场效应管源极跟随器构成，通过阻抗变换，将热释电探测元微弱的电流信号转换为有用的电压信号输出。

前置放大器将微弱的热释电电流转换为有效电压输出。前置放大器必须具备高增益、低噪声、抗干扰能力强的特点，以便从众多的噪声干扰中提取微弱的有用信号。国18是热释电传感器的内部电路。热释电探测元和前置放大器通常集成封装在晶体管内，以避免空气湿度使泄露电流增大。这种结构的前置放大器信噪比高，受温度影响小。

热释电传感电路

图1-8电路中的电压增益与场效应管在工作点的跨导和源极电阻有关，计算公式如下：

由公式（7）可知，增大源极电阻，或减小漏极电流可以提高前置放大器的电压增益。但是增大源极电阻的同时，输出电阻会变大，从而导致漏极电压升高，当源极电阻达到100Kohm时，漏极电压会升高到15V，因此源极电阻不应过大，一般不超过100Kohm，增大电压增益能降低温度对跨导的影响，提高增益的温度稳定性。

热释电传感器的工作原理：

图1开始的阶段（T），在没有红外照射下，热释电红外传感器的温度没有变化，传感器表面的电荷处于中和状态，正负电子对等（A），此时，传感器没有输出（0）。图1第二阶段（T+△T），有温度变化时，在人体红外线的照射下，热释电红外传感器的温度如果上升△T，那么传感器表面的电荷就如图2（B）所示的那样发生相应的变化。如果温度变化为△T，其对应的电荷变化就产生△V的变化，因此，传感器输出△V。随着时间的延长，传感器表面就会重新吸附空气中的离子并相互抵消由此而达到如图2C所示的中和状态。此时，传感器又恢复到没有输出（0），如图3所示。

当温度下降时，温度又回到原来的状态（T），其自由极化状态如图2D所示。由于温度的下降变化（相对而言）过程与温度上升变化相反，所以，传感器表面的电荷变化与上升时变化过程刚好相反，是个反过程。因此，传感器的输出信号就是-△V，如图3所示。同理，随着时间的延长，传感器的表面也会重新吸附空气中的离子，而使传感器的输出信号再次为零。

传感器对人体活动信息的感应全过程输出信号如图3所示。从传感器输出图中不难看出，传感器对人体活动的一个动作所输出的信号是一个完整的波形。在实验时，如果用放大器把该信号放大，再用示波器观察就是一个正脉冲和一个负脉冲。也就是说，传感器感应到的一个移动信号近似于一个完整的1Hz脉冲信号。

热释电传感器电路图（一）

本图是热释电传感器的电动机控制电路。电路中，Al是增益为60dB放大器电路，它将热释电传感器的微弱信号进行放大;也是截止频率为10Hz的有源滤波器，主要用于滤除噪声与纹波;A3为比较器电路，比较值由RP1根据需要进行设定，A3输出恒定电平的信号;A4为单稳态多谐振荡器，用于当接入多个热释电传感器时，确保在一定时间内电路仅对一个传感器的输出信号有响应;A5和A6为触发器电路，其输出决定电动机的工作方式;VT和继电器为电动机驱动电路，当触发器输出高电平时，VT导通，继电器Kl动作，其触点K1一1接通电动机电源并使其转动;反之，电动机停转。

热释电传感器电路图（二）

基于BISS0001热释电红外传感器电路

R3光敏电阻：

光照产生载流子，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源正，空穴奔向电源负。无光照时电子空穴复合。

热释电传感器电路图（三）

基于LM324热释电红外传感器电路

1、5V电源通过R1给透镜供电，R1的作用的限流，C1是电源滤波，其稳定电压的作用。

2、C2和R2构成高通滤波器，隔离透镜输出的直流分量。

3、由于运放采用单电源供电，R3、R5、C3为运放A1提供一个2.5V的参考电压。

4、运放A1、R4、R6、C4构成积分器，相当于低通滤波器，滤除低频噪声，同时，放大有效信号。

5、C5再次隔离直流分量。

6、R8、R9、C9为运放A2提供一个2.5V的参考电压。

7、运放A2、R7、R10、C8构成积分器，相当于低通滤波器，滤除高频噪声，有效信号比例缩小。

8、A3、A4等构成差分放大电路，输出经二级管检波为直流电压。

热释电传感器电路图（四）

本装置可自动控制单位大门的开与关，有人进出时门自动打开，进出过后门自动关闭。夜晚大门停用后，本装置可转作报警器，一旦有人走近大门即产生报警，以告知门卫开小门放人进出。

图１是人体感应信号产生及放大电路。其中ＲＳ是热释电远红外被动式传感器，Ａ１、Ａ２是两级放大器。传感器检测到人体红外线后产生的感应信号很微弱，电路中设置了诸多旁路电容都是为了抑制干扰，避免误动作。Ａ３、Ａ４是上、下限电压比较器，平时Ａ２的输出电平比Ａ３⑥脚电平低，而比Ａ４③脚电平高，Ａ３、Ａ４输出皆为低电平。只有传感器感应产生的交变信号经放大达到足够电平才能使Ａ３或Ａ４输出为高电平，以控制后续电路工作。

图２、图３是自动门电机控制电路及报警变换电路。由图１的ＣＺ插座②脚来的高电平使ＢＧ１导通、Ｊ１动作，触点Ｊ１－１闭合使Ｃ１短路，ＩＣ３的③脚输出高电平使Ｊ２得电，Ｊ２－１闭合接通市电，Ｊ２－２动触头转换到“ａ”位置，电机Ｍ正转开门。同时ＢＧ２饱和导通，ＩＣ４的③脚为低电平。经过一定时间，门位移到终点碰触轨道上的限位开关Ｋ１，Ｊ２释放，电机停转。当人们进出门结束后，ＢＧ１基极无信号而截止，Ｊ１释放，再经过一定时间（此时间由Ｒ３、Ｃ１的值决定），ＩＣ３的③脚输出低电平，ＢＧ２截止，ＩＣ４的③脚受由低到高的脉冲触发，其①脚输出高电平，一方面使ＢＧ３导通，Ｊ３得电，Ｊ３－１使电机接通市电，此时因Ｊ２不工作，Ｊ２－２动触头已回到“ｂ”位，

故电机反转，门开始关。门到达“关”的终点即碰触轨道上的限位开关Ｋ２，电机停转。另一方面ＩＣ４的①脚上电压通过Ｒ８对Ｃ３充电，当④脚为高电平时①脚翻转为低电平，ＢＧ３截止，Ｊ３释放。若在关门过程中又有人要进出门，则ＢＧ１又接到信号，Ｊ２又工作，Ｊ２－２又转换到“ａ”位置，门便立即由“关”转为“开”。因此，只要有人进出门，无论原来门处于何种状态，总会作开门运行。

当夜晚不需要自动门工作时，可将Ｋ３由“１”扳至“２”，这时本系统即构成报警器。一旦有人走到门附近，Ｊ２－１与Ｊ３－１便相继接通市电，使声、光报警器发出警报。

在ＲＳ传感器上加装菲涅尔透镜可增大作用距离。另外，为了使人进门与出门都能自动开门，须在门的两侧都装有图１所示的人体感应信号产生及放大电路，分别安装于门内门外的上方，将其输出端并联后接在图２电路的输入端即可。

热释电传感器电路图（五）

热释电传感器电路图（六）

报警器的工作电路