我們都知道，紅外線(xiàn)是一種我們肉眼看不見(jiàn)的光，紅外線(xiàn)*顯著(zhù)的的特性是它具有熱效應，也就是說(shuō)所有高于優(yōu)良零度的物質(zhì)都可以產(chǎn)生紅外線(xiàn)。人體都有恒定的體溫，一般在37度，所以會(huì )發(fā)出特定波長(cháng)10UM左右的紅外線(xiàn)，被動(dòng)式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的10UM左右的紅外線(xiàn)而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的10UM左右的紅外線(xiàn)通過(guò)菲泥爾濾光片增強后聚集到紅外感應源上產(chǎn)生感應信號。利用紅外線(xiàn)技術(shù)可以控制很多產(chǎn)品，特別在自動(dòng)控制方面，比如自動(dòng)節能燈等。它利用人體發(fā)出的紅外線(xiàn)，當人體進(jìn)入感應范圍時(shí)，紅外傳感器探測到人體紅外光譜的變化，自動(dòng)接通輸出電路，打開(kāi)相應負載，一旦人離開(kāi)后，輸出自動(dòng)關(guān)閉，實(shí)現節能效果。熱釋電紅外傳感器它是一種能檢測人或動(dòng)物發(fā)射的紅外線(xiàn)而輸出電信號的傳感器，利用它可以作為控制電路的輸入端。
本文章將分為兩個(gè)板塊來(lái)介紹熱釋電傳感器的原理和應用。
一·熱釋電傳感器的工作原理
某些晶體，例如鉭酸鋰、硫酸三甘肽等受熱時(shí)，晶體兩端會(huì )產(chǎn)生數量相等、符號相反的電荷。1842年布魯斯特將這種由溫度變化引起的電極化現象正式命名為“pyroelectric”，即熱釋電效應。紅外熱釋電傳感器就是基于熱釋電效應工作的熱電型紅外傳感器其結構簡(jiǎn)單堅固，技術(shù)性能穩定，被廣泛應用于紅外檢測報警、紅外遙控、光譜分析等領(lǐng)域，是目前使用*廣的紅外傳感器。
在市面上我們買(mǎi)到的熱釋電傳感器如圖1所示：
我們將它拆開(kāi)，可以看到內部的樣子，如圖2所示：
圖2就是熱釋電內部的樣子，可以看出它是由一個(gè)白色的帽和熱釋電模塊組成。不用想，白色帽子的長(cháng)相酷似蒼蠅的眼鏡，所以，按照仿生學(xué)來(lái)看，這個(gè)東西的作用就是將四面八方收集到的紅外信號送進(jìn)探測器做檢測，所以它可以加強探測器的測量范圍。經(jīng)過(guò)我實(shí)際檢測，探測器加上它的測量范圍可以擴展至橫縱100°的可視角度。幾乎無(wú)死角檢測。
這個(gè)白色的帽子是一種菲涅耳透鏡。菲涅耳透鏡（英語(yǔ)：Fresnel lens），又譯菲涅爾透鏡，別稱(chēng)螺紋透鏡，是由法國物理學(xué)家?jiàn)W古斯丁·菲涅耳所發(fā)明的一種透鏡。此設計原來(lái)被應用于燈塔，這個(gè)設計可以建造更大孔徑的透鏡，其特點(diǎn)是焦距短，且比一般的透鏡的材料用量更少、重量與體積更小。和早期的透鏡相比，菲涅耳透鏡更薄，因此可以傳遞更多的光，使得燈塔即使距離相當遠仍可看見(jiàn)。
由于使用菲涅耳透鏡來(lái)投射光線(xiàn)會(huì )降低成像品質(zhì)，所以它一般用在對成像品質(zhì)要求不太苛刻或無(wú)法使用一般透鏡的地方。廉價(jià)的菲涅耳透鏡一般由透明塑料壓鑄或模塑而成，并使用在透鏡式投影儀、背投電視、便攜放大鏡上。同時(shí)它也被應用在交通信號燈上。菲涅耳透鏡也用于校正一些視覺(jué)障礙，比如斜視。
菲涅爾鏡片是紅外線(xiàn)探頭的“眼鏡”，它就象人的眼鏡一樣，配用得當與否直接影響到使用的功效，配用不當產(chǎn)生誤動(dòng)作和漏動(dòng)作，致使用戶(hù)或者開(kāi)發(fā)人對其失去信心。配用得當充分發(fā)揮人體感應的作用，使其應用領(lǐng)域不斷擴大。菲涅爾鏡片是根據法國光物理學(xué)家FRESNEL發(fā)明的原理采用電鍍模具工藝和PE（聚乙烯）材料壓制而成。鏡片（0.5mm厚）表面刻錄了一圈圈由小到大，向外由淺至深的同心圓，從剖面看似鋸齒。圓環(huán)線(xiàn)多而密感應角度大，焦距遠；圓環(huán)線(xiàn)刻錄的深感應距離遠，焦距近。紅外光線(xiàn)越是靠進(jìn)同心環(huán)光線(xiàn)越集中而且越強。同一行的數個(gè)同心環(huán)組成一個(gè)垂直感應區，同心環(huán)之間組成一個(gè)水平感應段。垂直感應區越多垂直感應角度越大；鏡片越長(cháng)感應段越多水平感應角度就越大。區段數量多被感應人體移動(dòng)幅度就小，區段數量少被感應人體移動(dòng)幅度就要大。不同區的同心圓之間相互交錯，減少區段之間的盲區。
區與區之間，段與段之間，區段之間形成盲區。由于鏡片受到紅外探頭視場(chǎng)角度的制約，垂直和水平感應角度有限，鏡片面積也有限。鏡片從外觀(guān)分類(lèi)為：長(cháng)形、方形、圓形，從功能分類(lèi)為：?jiǎn)螀^多段、雙區多段、多區多段。下圖4是常用鏡片外觀(guān)示意圖：
當人進(jìn)入感應范圍，人體釋放的紅外光透過(guò)鏡片被聚集在遠距離A區或中距離B區或近距離C區的某個(gè)段的同心環(huán)上，同心環(huán)與紅外線(xiàn)探頭有一個(gè)適當的焦距，紅外光正好被探頭接收，探頭將光信號變成電信號送入電子電路驅動(dòng)負載工作。整個(gè)接收人體紅外光的方式也被稱(chēng)為被動(dòng)式紅外活動(dòng)目標探測器。
鏡片主要有三種顏色：
1、聚乙烯材料原色，略透明，透光率好，不易變形。
2、白色主要用于適配外殼顏色。
3、黑色用于防強光干擾。
鏡片還可以結合產(chǎn)品外觀(guān)注色，使產(chǎn)品整體更美觀(guān)。
下面我們來(lái)看重點(diǎn)，也就是探測元，如圖6所示：
圖6所示的結構由濾光片、熱釋電探測元和前置放大器組成，補償型熱釋電傳感器還帶有溫度補償元件，圖7所示為熱釋電傳感器的內部結構。為防止外部環(huán)境對傳感器輸出信號的干擾，下述元件被真空封裝在—個(gè)金屬殼內。
熱釋電傳感器的濾光片為帶通濾光片，它封裝在傳感器殼體的頂端，使特定波長(cháng)的紅外輻射選擇性地通過(guò)，到達熱釋電探測元，而在其截止范圍外的紅外輻射則不能通過(guò)。
熱釋電探測元是熱釋電傳感器的核心元件，它是在熱釋電晶體的兩面鍍上金屬電極后，加電極化制成，相當于一個(gè)以熱釋電晶體為電介質(zhì)的平板電容器。當它受到非恒定強度的紅外光照射時(shí)，產(chǎn)生的溫度變化導致其表面電極的電荷密度發(fā)生改變，從而產(chǎn)生熱釋電電流。
熱釋電探測元在通過(guò)菲尼爾透鏡接收到信號后就要進(jìn)入信號轉換與處理，熱釋電傳感器的信號轉換可以概述為三個(gè)階段：
熱轉換階段：輻射通量為△Φ的調制輻射光經(jīng)過(guò)透射率為т的紅外濾光片到達熱釋電探測元，輻射通量τ△Φ被元件表面吸收后，產(chǎn)生溫度變化△T。
熱電轉換階段：在△T的作用下，熱釋電元件的表面電報產(chǎn)生電荷密度變化△Q。
電轉換階段：AQ通過(guò)前置放大器轉換為電壓信號△u輸出。
熱轉換階段產(chǎn)生的轉換溫差△T越大，傳感器的響應率和信噪比越高；
從（1）式可知，ατ越趨近于1，△T越大，在熱釋電探測元的表面附著(zhù)吸收層可以使ατ增大，從而增大△T。其次，△T與熱容C成反比，而物質(zhì)的厚度越小，熱容越小，因此通常用鉭酸鋰薄膜做熱釋電探測器元的材料。此外，△T還與熱導GT成反比，但是減小GT會(huì )使熱時(shí)間常數增大，因此一般不做考慮。
熱釋電電流是熱釋電探測元響應溫度變化產(chǎn)生的熱電輸出。當溫度恒定時(shí)，熱釋電晶體表面的極化電荷會(huì )被空氣中的異性電荷中和異性電荷中和而無(wú)法檢測。因此，熱釋電探測元只響應溫度變化而非恒定溫度。
熱釋電探測元的直接輸出的微弱電流信號，必須經(jīng)過(guò)高阻抗的前置放大器轉換才能使用。（圖12）是熱釋電傳感器的前置放大器電路，它由一個(gè)場(chǎng)效應管源極跟隨器構成。
熱釋電傳感器輸出的信號受到多種噪聲源的干擾，使可探測的輻射通量減少或降低傳感器的信噪比，研究表明這些干擾主要來(lái)自傳感器的固有噪聲或周?chē)諝饬鲃?dòng)引起的噪聲，包括：
(1)熱釋電元件的介電損耗噪聲，
(2)溫度噪聲，
(3)前置放大器的輸入噪聲電壓，
(4)前置放大器的輸入噪聲電流，
(5)高兆歐電阻器的熱噪聲。
通常用比探測率來(lái)衡量傳感器的信噪比，則：
表1中，Av為電壓增益。
理想狀態(tài)下，熱釋電晶片與環(huán)境之間的熱交換是熱釋電傳感器唯壹的噪聲源．此即溫度噪聲。它決定了熱釋電情感器在室溫下可達到的*高理論比探測率：
二·熱釋電傳感器的應用
下面我們給出用BISS0001驅動(dòng)探測器的電路裝置圖14：
BISS0001是專(zhuān)門(mén)用來(lái)驅動(dòng)熱釋電傳感器的芯片，按照如圖所示的接法，輸出信號由IC1的VIN接收，我們只需要改變RL2和RT1的阻值，即可改變設備的響應時(shí)間和測量范圍。這樣人進(jìn)入其感應范圍則輸出高電平，人離開(kāi)感應范圍則自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平，輸出低電平。而JP1的位置就是控制的觸發(fā)方式?？梢苑謩e短接2和3或者2和1達成。
a、不可重復觸發(fā)方式:即感應輸出高電平后，延時(shí)時(shí)間段一結束，輸出將自動(dòng)從高電平變成低電平；
b、可重復觸發(fā)方式：即感應輸出高電平后，在延時(shí)時(shí)間段內，如果有人體在其感應范圍活動(dòng)，其輸出將一直保持高電平，直到人離開(kāi)后才延時(shí)將高電平變?yōu)榈碗娖剑ǜ袘K檢測到人體的每一次活動(dòng)后會(huì )自動(dòng)順延一個(gè)延時(shí)時(shí)間段，并且以*后一次活動(dòng)的時(shí)間為延時(shí)時(shí)間的起始點(diǎn))。
現在我們來(lái)看一下如何使用傳感器：
1. 感應模塊通電后有一分鐘左右的初始化時(shí)間，在此期間模塊會(huì )間隔地輸出0-3 次，一分鐘后進(jìn)入待機狀態(tài)。
2. 應盡量避免燈光等干擾源近距離直射模塊表面的透鏡，以免引進(jìn)干擾信號產(chǎn)生誤動(dòng)作 ；使用環(huán)境盡量避免流動(dòng)的風(fēng)，風(fēng)也會(huì )對感應器造成干擾。
3. 感應模塊采用雙元探頭，探頭的窗口為長(cháng)方形，雙元（A 元 B 元）位于較長(cháng)方向的兩端，當人體從左到右或從右到左走過(guò)時(shí),紅外光譜到達雙元的時(shí)間、距離有差值，差值越大，感應越靈敏，當人體從正面走向探頭或從上到下或從下到上方向走過(guò)時(shí)，雙元檢測不到紅外光譜距離的變化，無(wú)差值，因此感應不靈敏或不工作；所以安裝感應器時(shí)應使探頭雙元的方向與人體活動(dòng)*多的方向盡量相平行，保證人體經(jīng)過(guò)時(shí)先后被探頭雙元所感應 。為了增加感應角度范圍，本模塊采用圓形透鏡，也使得探頭四面都感應，但左右兩側仍然比上下兩個(gè)方向感應范圍大、靈敏度強，安裝時(shí)仍須盡量按以上要求。感應范圍如圖15所示：
通常我們在淘寶市面上買(mǎi)到的傳感器都有以下特點(diǎn)：
1、全自動(dòng)感應:人進(jìn)入其感應范圍則輸出高電平， 人離開(kāi)感應范圍則自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平，輸出低電平。
2、光敏控制（可選擇，出廠(chǎng)時(shí)未設）可設置光敏控制，白天或光線(xiàn)強時(shí)不感應。
3、溫度補償(可選擇，出廠(chǎng)時(shí)未設)：在夏天當環(huán)境溫度升高至 30～32℃，探測距離稍變短，溫度補償可作一定的性能補償。
4、 兩種觸發(fā)方式：（可跳線(xiàn)選擇）
a、不可重復觸發(fā)方式:即感應輸出高電平后，延時(shí)時(shí)間段一結束，輸出將自動(dòng)從高電平變成低電平；
b、可重復觸發(fā)方式：即感應輸出高電平后，在延時(shí)時(shí)間段內，如果有人體在其感應范圍 活動(dòng)，其輸出將一直保持高電平，直到人離開(kāi)后才延時(shí)將高電平變?yōu)榈碗娖剑ǜ袘K檢測到人體的每一次活動(dòng)后會(huì )自動(dòng)順延一個(gè)延時(shí)時(shí)間段，并且以*后一次活動(dòng)的時(shí)間為延時(shí)時(shí)間的起始點(diǎn))。
5、具有感應封鎖時(shí)間(默認設置:2.5S 封鎖時(shí)間)：感應模塊在每一次感應輸出后（高電平變成低電平），可以緊跟著(zhù)設置一個(gè)封鎖時(shí)間段，在此時(shí)間段內感應器不接受任何感應信號。此功能可以實(shí)現“感應輸出時(shí)間”和“封鎖時(shí)間”兩者的間隔工作，可應用于間隔探測產(chǎn)品；同時(shí)此功能可有效抑制負載切換過(guò)程中產(chǎn)生的各種干擾。(此時(shí)間可設置在零點(diǎn)幾秒—幾十秒鐘)。
6、 工作電壓范圍寬：默認工作電壓 DC4.5V-20V。
7、 微功耗:靜態(tài)電流<50 微安，特別適合干電池供電的自動(dòng)控制產(chǎn)品。
8、 輸出高電平信號：可方便與各類(lèi)電路實(shí)現對接。
三·傳感器的妙用
圖16中的兩個(gè)位置AB分別放上熱釋電傳感器，一個(gè)調節距離到3m一個(gè)調節距離到7m這樣根據先后觸發(fā)的順序邏輯可以判斷人是否是從遠端接近。這兩個(gè)傳感器之間并不會(huì )干擾，實(shí)測通過(guò)。
上文提到過(guò)，這個(gè)傳感器的檢測范圍是100°，那么我怎么控制檢測的范圍是45°呢？比如這樣的場(chǎng)景：
如圖17所示，在墻上我們裝了一個(gè)熱釋電傳感器，它的檢測范圍是一個(gè)半徑7m的圓圈（地擋住了一部分），我們現在要讓他做到只檢測左邊半圓的部分，怎么做呢？
其實(shí)很簡(jiǎn)單，我們知道傳感器的外殼上面有個(gè)類(lèi)似蒼蠅眼睛的結構，這個(gè)結構是擴大紅外的散射面積，那么我們只需要遮擋一半的結構，那么就可以去掉一半的檢測范圍。如圖18所示：
由于這里我們只是拿來(lái)做實(shí)驗，所以用了一張白紙做演示，實(shí)測可以達到效果。理論上是黑色不透光的物體遮擋會(huì )更好。這就要大家來(lái)檢測效果了。