传感器与检测技术项目式教程PPT课件（共16单元）12热释电红外传感器.pptx

人民邮电邮电出版社 12热释电热释电 感应应灯热释电红热释电红 外传传感器的测试测试项项目描述 红红外线线人体感应应灯（热释电热释电 感应应灯）利用热释电热释电 原理来检检测测和感应应人体活动动信息，采用主动动式红红外线线工作方式，可自动动开启照明，人离开后可自动动延时时关闭闭，杜绝绝能源的人为为浪费费，延长电长电 器使用寿命.，人体感应应灯具有稳稳定好、抗干扰扰能力强、无接触感应应等特点，目前已广泛应应用在家庭、公寓和其他公共场场所3红外辐射（infrared radiation ） 红红外辐辐射俗称红红外线线，它是一种人眼看不见见的光线线但实际实际 上它和其它任何光线线一样样，也是一种客观观存在的物质质任何物体，只要它的温度高于绝对绝对 零度，就有红红外线线向周围围空间辐间辐 射 红红外线线是位于可见见光中红红光以外的光线线，故称为红为红外线线它的波长长范围围大致在0.76m到1000m的频频谱谱范围围之内，相对应对应 的频频率大致在41014-31011Hz之间间 红红外线线与可见见光、紫外线线、X射线线、射线线和微波、无线电线电 波一起构成了整个无限连续连续 的电电磁波谱谱知识识准备备 红红外传传感器按其应应用可分为为以下几方面。

（1）红红外辐辐射计计，用于辐辐射和光谱辐谱辐 射测测量 （2）搜索和跟踪系统统，用于搜索和跟踪红红外目标标，确定其空间间位置并对对它的运动进动进 行跟踪 （3）热热成像系统统，可产产生整个目标红标红 外辐辐射的分布图图像，如红红外图图像仪仪、多光谱扫谱扫 描仪仪等 （4）红红外测测距和通信系统统 （5）混合系统统，是指以上各类类系统统中的两个或多个的组组合一）红红外辐辐射 红红外辐辐射俗称红红外线线，它是一种不可见见光，由于是位于可见见光中红红色光以外的光线线，故称红红外线线它的波长长范围为围为0.761000m，工程上又把红红外线线所占据的波段分为为4部分，即近红红外、中红红外、远红远红 外和极远红远红 外 红红外辐辐射本质质上是一种热辐热辐 射任何物体，只要它的温度高于绝对绝对 零度(-273)，就会向外部空间间以红红外线线的方式辐辐射能量，一个物体向外辐辐射的能量大部分是通过红过红 外线线辐辐射这这种形式来实现实现 的物体的温度越高，辐辐射出来的红红外线线越多，辐辐射的能量就越强另一方面，红红外线线被物体吸收后可以显显著地转变为热转变为热 能 红红外辐辐射的强度及波长长与物体的温度和辐辐射率有关，能在任何温度下全部吸收投射到其表面的红红外辐辐射的物体称为为黑体，能全部反射红红外辐辐射的物体称为镜为镜 体，能全部透过红过红外辐辐射的物体称为为透明体，能部分反射或吸收红红外辐辐射的物体称为为灰体。

它在大气中传传播时时，大气层对层对 不同波长长的红红外线线存在不同的吸收带带，红红外线线气体分析器就是利用该该特性工作的，空气中对对称的双原子气体，如N2、O2、H2等不吸收红红外线线而红红外线线在通过过大气层时层时 ，有3个波段透过过率高，它们们是22.6m、35m和814m，统统称它们为们为 “大气窗口”这这3个波段对红对红 外探测测技术术特别别重要，因为红为红 外探测测器一般都工作在这这3个波段之内（二）红红外探测测器 红红外传传感器的构成比较简单较简单 ,它一般是由光学系统统、探测测器、信号调节电调节电 路和显显示单单元等几部分组组成其中，红红外探测测器是红红外传传感器的核心器件 红红外探测测器种类类很多，根据探测测机理的不同，通常可分为为两大类类：光子探测测器和热热探测测器1光子探测测器 光子探测测器利用入射红红外辐辐射的光子流与探测测器材料中电电子的相互作用来改变电变电 子的能量状态态，引起各种电电学现现象，这这种现现象称光子效应应利用光子效应应制成的红红外探测测器，统统称光子探测测器 光子探测测器的主要特点是灵敏度高，响应应速度快，具有较较高的响应频应频 率，但探测测波段较较窄，一般需在低温下工作2热热探测测器 热热探测测器是利用红红外辐辐射的热热效应应，探测测器的敏感元件吸收辐辐射能后引起温度升高，进进而使有关物理参数发发生相应应变变化，通过测过测 量物理参数的变变化，便可确定探测测器所吸收的红红外辐辐射 热热探测测器的探测测率比光子探测测器的峰值值探测测率低，响应时应时间长间长 。

但热热探测测器主要优优点是响应应波段宽宽，响应应范围围可扩扩展到整个红红外区域，可以在室温下工作，使用方便 光子探测测器和热热探测测器的主要区别别是：光子探测测器在吸收红红外能量后，直接产产生电电效应应；热热探测测器在吸收红红外能量后，产产生温度变变化，从而产产生电电效应应，温度变变化引起的电电效应应与材料特性有关 热热探测测器主要类类型有热释电热释电 型、热热敏电电阻型、热电热电 偶型和气体型探测测器而热释电热释电 探测测器在热热探测测器中探测测率最高，频频率响应应最宽宽，所以这这种探测测器备备受重视视，发发展很快 （三）热释电红热释电红 外探测测器1热释热释 电电效应应一些陶瓷材料具有自发发极化(如铁电铁电 晶体)的特征,且其自极化的大小在温度有稍许变许变 化时时有很大的变变化在温度长时长时间间恒定时时由自发发极化产产生的表面极化电电荷数目一定,它吸附空气中的电电荷达到平衡,并与吸附的存在于空气中的符号相反的电电荷产产生中和:若温度因吸收红红外光而升高,则则极化强度会减小,使单单位面积积上极化电电荷相应应减少,释释放一定量的吸附电电荷;若与一个电电阻连连成回路会形成电电流,则电则电 阻上可以产产生一定的电压电压降,这这种因温度变变化引起自发发极化值变值变 化的现现象称为热释电为热释电 效应应 2热释电红热释电红 外探测测器的结结构 热释电热释电 人体红红外传传感器（PIP）一般都采用差动动平衡结结构，由敏感元件、场场效应应管，高值电值电 阻等组组成 （1）敏感元件。

敏感元件是用热释电热释电 人体红红外材料（通常是锆钛锆钛 酸铝铝）制成的，先把热释电热释电 材料制成很小的薄片，再在薄片两面镀镀上电电极，构成两个串联联的有极性的小电电容器将极性相反的两个敏感元做在同一晶片上是为为了抑制由于环环境与自身温度变变化而产产生热释电热释电 信号的干扰扰 而热释电热释电 人体红红外传传感器在实际实际 使用时时，前面要安装透镜镜，通过过透镜镜的外来红红外辐辐射只会聚在一个敏感元上，以增强接收信号热释电热释电 人体红红外传传感器的特点是它只在由于外界的辐辐射而引起它本身的温度变变化时时，才给给出一个相应应的电电信号，当温度的变变化趋趋于稳稳定后就再没有信号输输出，所以说热释电说热释电 信号与它本身的温度的变变化率成正比 （2）场场效应应管和高阻值电值电 阻Rg通常敏感元件材料阻值值高达103，因此，要用场场效应应管进进行阻抗变换变换 ，场场效应应管常用2SK303V3、2SK94X3等来构成源极跟随器，高阻值电值电阻Rg的作用是释释放栅栅极电电荷，使场场效应应管正常工作 （3）滤滤光窗热释电热释电 人体红红外传传感器中的敏感元件是一种广谱谱材料，能探测测各种波长辐长辐 射。

为为了使传传感器对对人体最敏感，而对对太阳、电电灯光等有抗干扰扰性，传传感器采用了滤滤光片作窗口，即滤滤光窗 人体温度为为3637，其辐辐射的红红外波长长m=2989/（309310）9.679.64m可见见，人体辐辐射的红红外线线最强的波长长正好在滤滤光片的响应应波长长7.514mm的中心处处故滤滤光窗能有效地让让人体辐辐射的红红外线线通过过，而阻止太阳光、灯光等可见见光中的红红外线线通过过，免除干扰扰 （4）菲涅尔透镜镜 菲涅尔透镜镜的作用有两个：一是聚焦作用，即将探测测空间间的红红外线线有效地集中到传传感器上不使用菲涅尔透镜时传镜时传 感器的探测测半径不足2m，只有配合菲涅尔透镜镜使用才能发挥发挥最大作用配上菲涅尔透镜时传镜时传 感器的探测测半径可达到10m第二个作用是将探测测区域内分为为若干个明区和暗区，使进进入探测测区域的移动动物体能以温度变变化的形式在敏感元件上产产生变变化的热释红热释红 外信号2021-8-2916菲涅尔透镜菲涅尔透镜热释电热释电 晶片2021-8-2917菲涅尔透镜外形传传感器不加菲涅尔透镜时镜时 ，其检测检测 距离小于2m，而加上该该透镜镜后，其检测检测 距离可增加3倍以上。

2021-8-2918热释电套件2021-8-2919热释电传感器工作原理 热释电晶片表面必须罩上一块由一组平行的棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜，每一透镜单元都只有一个不大的视场角，当人体在透镜的监视视野范围中运动时，顺次地进入第一、第二单元透镜的视场，晶片上的两个反向串联的热释电单元将输出一串交变脉冲信号当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面，它是“视而不见”的四）红红外传传感系统统 红红外传传感器的工作原理并不复杂杂，一个典型的红红外传传感器系统统主要包括以下几部分： （1）待测测目标标根据待测测目标标的红红外辐辐射特性可进进行红红外系统统的设设定 （2）大气衰减待测测目标标的红红外辐辐射通过过地球大气层时层时 ，由于气体分子和各种气体以及各种溶胶粒的散射和吸收，将使得红红外源发发出的红红外辐辐射发发生衰减 （3）光学接收器 （4）辐辐射调调制器对对来自待测测目标标的辐辐射调调制成交变变的辐辐射光，提供目标标方位信息，并可滤滤除大面积积的干扰扰信号又称调调制盘盘和斩斩波器，它具有多种结结构 （5）红红外探测测器 （6）探测测器制冷器由于某些探测测器必须须要在低温下工作，所以相应应的系统统必须须有制冷设备设备 。

经过经过 制冷，设备设备 可以缩缩短响应时间应时间 ，提高探测测灵敏度 （7）信号处处理系统统 （8）显显示设备设备项项目实实施 一、人体感应应灯工作原理二、实训实训 内容 1.实训实训 原理 热释电传热释电传 感器是利用热释电热释电 效应应的热电热电 型红红外传传感器 2.实训实训 器件与单单元 直流稳压电稳压电 源、15V电电源、+5V电电源、热释电远红热释电远红 外传传感器、热释电实训热释电实训 模块块、专专用导线导线 等 3.实训实训 步骤骤 （1）热释电远红热释电远红 外传传感器探头头用专专用导线连导线连 接后，导线导线另一端插入热释电远红热释电远红 外传传感器上“热释电远红热释电远红 外传传感器Ti”插口 （2）按图图12-6所示接线线观观察传传感器的圆圆形感应应端面，中间间黑色小方孔是滤滤色片，内装有敏感元件 （3）V+接+5V电电源，实训实训 模块电块电 源接15V （4）开启主电电源，注意周围围人体尽量不要晃动动，并调调整好示波器（Y轴轴：50mV/div；X轴轴：0.25S/div） （5）观观察现现象（一）：用手掌在距离传传感器约约10mm处处晃动动，注意数显显表及示波器波形的变变化，停止晃动动，重新观观察数显显表及示波器的波形变变化。

（6）观观察现现象（二）：用手掌靠近传传感器晃动动，注意数显显表及示波器的波形变变化项项目拓展 1.红红外测测温仪仪2021-8-2926 红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰点以下的温度测量，所以是辐射温度计的发展趋势市售的红外辐射温度计的温度范围可以从-303000，中间分成若干个不同的规格，可根据需要选择适合的型号2021-8-2927红外线辐射温度计外形激光仅用于瞄准2021-8-2928红外线辐射温度计外形 红外线辐射温度计用于食品温度测量2021-8-2929红外线辐射温度计在非接触体温测量中的应用耳温仪仪2021-8-2930红外线辐射温度计用于人体额温测量2021-8-2931 红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用集成IC温度测测量2021-8-2932 红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用（续）利用红红色激光瞄准被测测物（冷藏牛奶和面食）2021-8-2933红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用（续）利用。