我們都知道，紅外線是一種我們?nèi)庋劭床灰姷墓?，紅外線*顯著的的特性是它具有熱效應(yīng)，也就是說所有高于優(yōu)良零度的物質(zhì)都可以產(chǎn)生紅外線。人體都有恒定的體溫，一般在37度，所以會發(fā)出特定波長10UM左右的紅外線，被動式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的10UM左右的紅外線而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的10UM左右的紅外線通過菲泥爾濾光片增強(qiáng)后聚集到紅外感應(yīng)源上產(chǎn)生感應(yīng)信號。利用紅外線技術(shù)可以控制很多產(chǎn)品，特別在自動控制方面，比如自動節(jié)能燈等。它利用人體發(fā)出的紅外線，當(dāng)人體進(jìn)入感應(yīng)范圍時，紅外傳感器探測到人體紅外光譜的變化，自動接通輸出電路，打開相應(yīng)負(fù)載，一旦人離開后，輸出自動關(guān)閉，實現(xiàn)節(jié)能效果。熱釋電紅外傳感器它是一種能檢測人或動物發(fā)射的紅外線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。

本文章將分為兩個板塊來介紹熱釋電傳感器的原理和應(yīng)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，晶體兩端會產(chǎn)生數(shù)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(xiàn)象正式命名為“pyroelectric”，即熱釋電效應(yīng)。紅外熱釋電傳感器就是基于熱釋電效應(yīng)工作的熱電型紅外傳感器其結(jié)構(gòu)簡單堅固，技術(shù)性能穩(wěn)定，被廣泛應(yīng)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。

在市面上我們買到的熱釋電傳感器如圖1所示：

我們將它拆開，可以看到內(nèi)部的樣子，如圖2所示：

圖2就是熱釋電內(nèi)部的樣子，可以看出它是由一個白色的帽和熱釋電模塊組成。不用想，白色帽子的長相酷似蒼蠅的眼鏡，所以，按照仿生學(xué)來看，這個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(qiáng)探測器的測量范圍。經(jīng)過我實際檢測，探測器加上它的測量范圍可以擴(kuò)展至橫縱100°的可視角度。幾乎無死角檢測。

這個白色的帽子是一種菲涅耳透鏡。菲涅耳透鏡（英語：Fresnel lens），又譯菲涅爾透鏡，別稱螺紋透鏡，是由法國物理學(xué)家奧古斯丁·菲涅耳所發(fā)明的一種透鏡。此設(shè)計原來被應(yīng)用于燈塔，這個設(shè)計可以建造更大孔徑的透鏡，其特點是焦距短，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(dāng)遠(yuǎn)仍可看見。

由于使用菲涅耳透鏡來投射光線會降低成像品質(zhì)，所以它一般用在對成像品質(zhì)要求不太苛刻或無法使用一般透鏡的地方。廉價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。同時它也被應(yīng)用在交通信號燈上。菲涅耳透鏡也用于校正一些視覺障礙，比如斜視。

菲涅爾鏡片是紅外線探頭的“眼鏡”，它就象人的眼鏡一樣，配用得當(dāng)與否直接影響到使用的功效，配用不當(dāng)產(chǎn)生誤動作和漏動作，致使用戶或者開發(fā)人對其失去信心。配用得當(dāng)充分發(fā)揮人體感應(yīng)的作用，使其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。菲涅爾鏡片是根據(jù)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)線多而密感應(yīng)角度大，焦距遠(yuǎn)；圓環(huán)線刻錄的深感應(yīng)距離遠(yuǎn)，焦距近。紅外光線越是靠進(jìn)同心環(huán)光線越集中而且越強(qiáng)。同一行的數(shù)個同心環(huán)組成一個垂直感應(yīng)區(qū)，同心環(huán)之間組成一個水平感應(yīng)段。垂直感應(yīng)區(qū)越多垂直感應(yīng)角度越大；鏡片越長感應(yīng)段越多水平感應(yīng)角度就越大。區(qū)段數(shù)量多被感應(yīng)人體移動幅度就小，區(qū)段數(shù)量少被感應(yīng)人體移動幅度就要大。不同區(qū)的同心圓之間相互交錯，減少區(qū)段之間的盲區(qū)。

區(qū)與區(qū)之間，段與段之間，區(qū)段之間形成盲區(qū)。由于鏡片受到紅外探頭視場角度的制約，垂直和水平感應(yīng)角度有限，鏡片面積也有限。鏡片從外觀分類為：長形、方形、圓形，從功能分類為：單區(qū)多段、雙區(qū)多段、多區(qū)多段。下圖4是常用鏡片外觀示意圖：

當(dāng)人進(jìn)入感應(yīng)范圍，人體釋放的紅外光透過鏡片被聚集在遠(yuǎn)距離A區(qū)或中距離B區(qū)或近距離C區(qū)的某個段的同心環(huán)上，同心環(huán)與紅外線探頭有一個適當(dāng)?shù)慕咕啵t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(qū)動負(fù)載工作。整個接收人體紅外光的方式也被稱為被動式紅外活動目標(biāo)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(qiáng)光干擾。

鏡片還可以結(jié)合產(chǎn)品外觀注色，使產(chǎn)品整體更美觀。

下面我們來看重點，也就是探測元，如圖6所示：

圖6所示的結(jié)構(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)。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—個金屬殼內(nèi)。

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，使特定波長的紅外輻射選擇性地通過，到達(dá)熱釋電探測元，而在其截止范圍外的紅外輻射則不能通過。

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(dāng)于一個以熱釋電晶體為電介質(zhì)的平板電容器。當(dāng)它受到非恒定強(qiáng)度的紅外光照射時，產(chǎn)生的溫度變化導(dǎo)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菲尼爾透鏡接收到信號后就要進(jìn)入信號轉(zhuǎn)換與處理，熱釋電傳感器的信號轉(zhuǎn)換可以概述為三個階段：

熱轉(zhuǎn)換階段：輻射通量為△Φ的調(diào)制輻射光經(jīng)過透射率為т的紅外濾光片到達(dá)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換階段：AQ通過前置放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號△u輸出。

熱轉(zhuǎn)換階段產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換溫差△T越大，傳感器的響應(yīng)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(dǎo)GT成反比，但是減小GT會使熱時間常數(shù)增大，因此一般不做考慮。

熱釋電電流是熱釋電探測元響應(yīng)溫度變化產(chǎn)生的熱電輸出。當(dāng)溫度恒定時，熱釋電晶體表面的極化電荷會被空氣中的異性電荷中和異性電荷中和而無法檢測。因此，熱釋電探測元只響應(yīng)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)過高阻抗的前置放大器轉(zhuǎn)換才能使用。（圖12）是熱釋電傳感器的前置放大器電路，它由一個場效應(yīng)管源極跟隨器構(gòu)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自傳感器的固有噪聲或周圍空氣流動引起的噪聲，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。

通常用比探測率來衡量傳感器的信噪比，則：

表1中，A_v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(dá)到的*高理論比探測率：

二·熱釋電傳感器的應(yīng)用

下面我們給出用BISS0001驅(qū)動探測器的電路裝置圖14：

BISS0001是專門用來驅(qū)動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(shè)備的響應(yīng)時間和測量范圍。這樣人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸出高電平，人離開感應(yīng)范圍則自動延時關(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(dá)成。

a、不可重復(fù)觸發(fā)方式:即感應(yīng)輸出高電平后，延時時間段一結(jié)束，輸出將自動從高電平變成低電平；

b、可重復(fù)觸發(fā)方式：即感應(yīng)輸出高電平后，在延時時間段內(nèi)，如果有人體在其感應(yīng)范圍活動，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時將高電平變?yōu)榈碗娖剑ǜ袘?yīng)模塊檢測到人體的每一次活動后會自動順延一個延時時間段，并且以*后一次活動的時間為延時時間的起始點)。

現(xiàn)在我們來看一下如何使用傳感器：

1. 感應(yīng)模塊通電后有一分鐘左右的初始化時間，在此期間模塊會間隔地輸出0-3 次，一分鐘后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

2. 應(yīng)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)生誤動作 ；使用環(huán)境盡量避免流動的風(fēng)，風(fēng)也會對感應(yīng)器造成干擾。

3. 感應(yīng)模塊采用雙元探頭，探頭的窗口為長方形，雙元（A 元 B 元）位于較長方向的兩端，當(dāng)人體從左到右或從右到左走過時,紅外光譜到達(dá)雙元的時間、距離有差值，差值越大，感應(yīng)越靈敏，當(dāng)人體從正面走向探頭或從上到下或從下到上方向走過時，雙元檢測不到紅外光譜距離的變化，無差值，因此感應(yīng)不靈敏或不工作；所以安裝感應(yīng)器時應(yīng)使探頭雙元的方向與人體活動*多的方向盡量相平行，保證人體經(jīng)過時先后被探頭雙元所感應(yīng) 。為了增加感應(yīng)角度范圍，本模塊采用圓形透鏡，也使得探頭四面都感應(yīng)，但左右兩側(cè)仍然比上下兩個方向感應(yīng)范圍大、靈敏度強(qiáng)，安裝時仍須盡量按以上要求。感應(yīng)范圍如圖15所示：

通常我們在淘寶市面上買到的傳感器都有以下特點：

1、全自動感應(yīng):人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸出高電平， 人離開感應(yīng)范圍則自動延時關(guān)閉高電平，輸出低電平。

2、光敏控制（可選擇，出廠時未設(shè)）可設(shè)置光敏控制，白天或光線強(qiáng)時不感應(yīng)。

3、溫度補償(可選擇，出廠時未設(shè))：在夏天當(dāng)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：（可跳線選擇）

a、不可重復(fù)觸發(fā)方式:即感應(yīng)輸出高電平后，延時時間段一結(jié)束，輸出將自動從高電平變成低電平；

b、可重復(fù)觸發(fā)方式：即感應(yīng)輸出高電平后，在延時時間段內(nèi)，如果有人體在其感應(yīng)范圍 活動，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時將高電平變?yōu)榈碗娖剑ǜ袘?yīng)模塊檢測到人體的每一次活動后會自動順延一個延時時間段，并且以*后一次活動的時間為延時時間的起始點)。

5、具有感應(yīng)封鎖時間(默認(rèn)設(shè)置:2.5S 封鎖時間)：感應(yīng)模塊在每一次感應(yīng)輸出后（高電平變成低電平），可以緊跟著設(shè)置一個封鎖時間段，在此時間段內(nèi)感應(yīng)器不接受任何感應(yīng)信號。此功能可以實現(xiàn)“感應(yīng)輸出時間”和“封鎖時間”兩者的間隔工作，可應(yīng)用于間隔探測產(chǎn)品；同時此功能可有效抑制負(fù)載切換過程中產(chǎn)生的各種干擾。(此時間可設(shè)置在零點幾秒—幾十秒鐘)。

6、 工作電壓范圍寬：默認(rèn)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控制產(chǎn)品。

8、 輸出高電平信號：可方便與各類電路實現(xiàn)對接。

三·傳感器的妙用

圖16中的兩個位置AB分別放上熱釋電傳感器，一個調(diào)節(jié)距離到3m一個調(diào)節(jié)距離到7m這樣根據(jù)先后觸發(fā)的順序邏輯可以判斷人是否是從遠(yuǎn)端接近。這兩個傳感器之間并不會干擾，實測通過。

上文提到過，這個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？比如這樣的場景：

如圖17所示，在墻上我們裝了一個熱釋電傳感器，它的檢測范圍是一個半徑7m的圓圈（地?fù)踝×艘徊糠郑?，我們現(xiàn)在要讓他做到只檢測左邊半圓的部分，怎么做呢？

其實很簡單，我們知道傳感器的外殼上面有個類似蒼蠅眼睛的結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)是擴(kuò)大紅外的散射面積，那么我們只需要遮擋一半的結(jié)構(gòu)，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做實驗，所以用了一張白紙做演示，實測可以達(dá)到效果。理論上是黑色不透光的物體遮擋會更好。這就要大家來檢測效果了。