《传感器公开课》课件.ppt

1、1热释电传感器热释电传感器2一、红外辐射一、红外辐射v所有高于绝对零度（所有高于绝对零度（273273）的物质都可以产生红外线。）的物质都可以产生红外线。v辐射的红外线波长跟物体温度有关。表面温度越高辐射的红外线波长跟物体温度有关。表面温度越高,辐射能辐射能量越强。量越强。31、红外光的基本特点、红外光的基本特点 （1 1）红外光，其波长从）红外光，其波长从0.750.751000m1000m。红外光是太阳光谱的。红外光是太阳光谱的一部分，其波长范围及在电磁波谱中的位置如图所示。一部分，其波长范围及在电磁波谱中的位置如图所示。一、红外辐射一、红外辐射4（2 2）红外光与电磁波一样，具有反射、折

2、射、散射、）红外光与电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。干涉、吸收等性质。（3 3）红外光在真空中的传播速度为）红外光在真空中的传播速度为3 3 10108 8m/sm/s。红外光在。红外光在介质中传播会产生衰减，在金属中衰减很大。但能透介质中传播会产生衰减，在金属中衰减很大。但能透过大部分半导体和一些塑料。大部分液体对红外光吸过大部分半导体和一些塑料。大部分液体对红外光吸收非常大，气体对其吸收程度各不相同。收非常大，气体对其吸收程度各不相同。总的来说，红外线的穿透能力不强。总的来说，红外线的穿透能力不强。一、红外辐射一、红外辐射5 (1)希尔霍夫定律：处于同一温度下的各种物体

3、的辐射本领正比于它的吸收本领，即 M=dM0 M0，表示辐射本领，物体在单位时间内单位面积辐射的能量 d吸收系数 M0同一温度下黑体的辐射本领 (2)斯戒藩一玻耳兹曼定律：物体温度越高，其辐射的能量越多。M为某物体在绝对温度T时单位面积和单位时间内辐射的总能量，则:M=T4 其中斯戒藩一玻耳兹曼常数；为比辐射率，值1 2、基本定、基本定律律6 (3)维思位移定律。物体热辐射的能量包括各种波长的电磁波。物体的峰值辐射波长m与物体自身的绝对温度T成反比，即 m 0.2987/T2.基本定律人体的正常体温为人体的正常体温为3637.50C，即即309310.5K，其辐射的最强的红外线的波长为其辐射的

4、最强的红外线的波长为m=2989/（309310.5）=9.67 9.64um，中心波长为中心波长为9.65um。7二、热释电传感器（二、热释电传感器（PIR）热释电红外线传感器是热释电红外线传感器是80年代发展起来的一种新型高灵敏年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件，它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能度探测元件，它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转化成电压信号输出。将这个电压信号加量的变化，并将其转化成电压信号输出。将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路，如作电源开关控制、防盗以放大，便可驱动各种控制电路，如作电源开关控制、防盗防火报警、自动检测等。防火报

5、警、自动检测等。81、热释电效应、热释电效应:某些电介质表面温度变化时某些电介质表面温度变化时,在这些电在这些电介质的表面会产生电荷介质的表面会产生电荷92、热释电元件、热释电元件:具有热释电效应的介质制成的元件具有热释电效应的介质制成的元件用红外热释电材料（锆钛酸铅）制成很小的薄片，再在薄片两面镀上电极。用红外热释电材料（锆钛酸铅）制成很小的薄片，再在薄片两面镀上电极。锆钛酸铅锆钛酸铅压电效应压电效应热释电效应热释电效应当其表面温度升高t时，其晶体内部的原子排列将发生变化，诱出自发极化电荷Q设元件的电容为设元件的电容为C，则元件两电极间的输出电压，则元件两电极间的输出电压 U Q/C必须指出

6、的是：必须指出的是：热释电元件产生的表面电荷不是永存的，它很热释电元件产生的表面电荷不是永存的，它很快会因元件表面漏电及空气中的各种离子中和。快会因元件表面漏电及空气中的各种离子中和。故：故：热释电元件只能测量温度的变化量及强度周期变化的红外线热释电元件只能测量温度的变化量及强度周期变化的红外线10上海产的上海产的SD02SD02、PH5324PH5324，德国产的德国产的LH1954LH1954、LH1958LH1958，美国美国HAMAMATSUHAMAMATSU公司产公司产P2288P2288，日本日本NIPPON CERAMICNIPPON CERAMIC公司的公司的SCA02-1SC

7、A02-1、RS02DRS02D等。等。目前市场上出现的热释电人体红外线传感器主要有：目前市场上出现的热释电人体红外线传感器主要有：虽然它们的型号不一样，但其结构、外型和电参数大致相同，大部分可以彼此互换使用。虽然它们的型号不一样，但其结构、外型和电参数大致相同，大部分可以彼此互换使用。11123、热释电元件的结构、组成与作用：、热释电元件的结构、组成与作用：A。热释电结构：。热释电结构：13B。热释电元件的组成：。热释电元件的组成：敏感元件敏感元件、场效应管场效应管、高阻电阻高阻电阻、滤波片滤波片等，等，并向壳内充入氮气封装起来。并向壳内充入氮气封装起来。14151 1）两片热释电元件反向串

8、联，为什么？）两片热释电元件反向串联，为什么？原因原因:消除温度误差消除温度误差 C。热释电元件的作用：。热释电元件的作用：162 2）滤光片：滤光片设置在窗口处，）滤光片：滤光片设置在窗口处，组成红外线通过的窗口？组成红外线通过的窗口？v人体正常体温时，辐射的最强的红外线的中心波长为人体正常体温时，辐射的最强的红外线的中心波长为9.65um,正好落在滤光窗的响应波长正好落在滤光窗的响应波长（714um）中心。中心。v防止防止可见光和荧光灯光可见光和荧光灯光的短波长（约的短波长（约5mm5mm以下）的干扰。以下）的干扰。v传感器传感器只对移动或运动的人体、体温近似人体的物体只对移动或运动的人体

9、、体温近似人体的物体起作用。起作用。原因？原因？173 3）高阻放大器？）高阻放大器？原因原因:阻抗变换阻抗变换/放大信号放大信号 热电元输出的是热电元输出的是电荷信号电荷信号，并不能直接使用，并不能直接使用,因而需要因而需要用电阻将其转换为用电阻将其转换为电压形式电压形式,该电阻阻抗高达该电阻阻抗高达104，故引，故引入的沟道结型场效应管应接成入的沟道结型场效应管应接成共漏形式共漏形式即源极跟随器来完即源极跟随器来完成阻抗变换。成阻抗变换。18原因：原因：表面电荷会中和、泄露，故只能测量变化的温度和表面电荷会中和、泄露，故只能测量变化的温度和 强度周期变化的红外光（动态量）强度周期变化的红外

10、光（动态量）-遮光装置遮光装置 （非涅尔透镜）。（非涅尔透镜）。4 4）非涅尔透镜：）非涅尔透镜：其作用：其作用：一是聚焦作用，将热释的红外信号折射（反射）在一是聚焦作用，将热释的红外信号折射（反射）在PIRPIR上；上；二是将检测区内分为若干个明区和暗区，使进入检测区的二是将检测区内分为若干个明区和暗区，使进入检测区的移动物体能以温度变化的形式在移动物体能以温度变化的形式在PIRPIR上产生变化热释红外上产生变化热释红外信号，这样信号，这样PIRPIR就能产生变化电信号。就能产生变化电信号。不使用菲涅尔透镜时传感器的探测半径不使用菲涅尔透镜时传感器的探测半径不足不足2米米，配上菲涅尔透镜时传

11、感器的探测半径配上菲涅尔透镜时传感器的探测半径可达到可达到10米。米。194、菲涅尔镜片的原理和应用、菲涅尔镜片的原理和应用 20360360度球形菲涅耳透镜度球形菲涅耳透镜 1.51.5元元 焦距：10.5 毫米角度：100 探测距离：8米尺寸：23 体积：24*24*15毫米 超小型菲涅耳球型透镜超小型菲涅耳球型透镜 1.9元元 感应角度：110度焦距：5 毫米角度：150度探测距离：3米 体积大小：顶部直径12.5毫米，最大边缘13.5毫米，高10毫米21镜片主要有三种颜色镜片主要有三种颜色 一、聚乙烯材料原色，略透明，透光率好，不易变形。二、白色主要用于适配外壳颜色。三、黑色用于防强光

12、干扰。镜片还可以结合产品外观注色，使产品整体更美观。一、外观描述-外观形状（长、方、圆）、尺寸（直径）。以毫米为单位。镜片主要参数：镜片主要参数：三、焦距-指镜片与探头窗口的距离，精确度以毫米的小数点为单位。长形和方形镜片要呈弧形以焦距为单位对准探头窗口。二、探测范围-指镜片能探测的有效距离（米）和角度。225656*3636毫米长方形广角菲涅耳透镜毫米长方形广角菲涅耳透镜 1 1元元 5656*3636毫米长方形幕帘菲涅耳透镜毫米长方形幕帘菲涅耳透镜 1 1元元 焦距：25毫米探测距离：12米外形：56X36毫米 焦距：25毫米探测距离：12米外形：56X36毫米 23菲涅尔透镜窄带（视窗）

13、的设计特点：菲涅尔透镜窄带（视窗）的设计特点：一般都是不均匀的，自上而下分为几排，上面较多、下一般都是不均匀的，自上而下分为几排，上面较多、下边较少，一般中间密集、两侧疏。因为人脸部、膝部、手臂边较少，一般中间密集、两侧疏。因为人脸部、膝部、手臂红外辐射较强，正好对着上边的透镜；下边较少。红外辐射较强，正好对着上边的透镜；下边较少。一是因为人体下部红外辐射较少；一是因为人体下部红外辐射较少；二是为防止地面小动物红外辐射干扰。二是为防止地面小动物红外辐射干扰。原因？原因？24 菲涅耳透镜把红外光线分成菲涅耳透镜把红外光线分成可可见区见区和和盲区盲区，同时又有，同时又有聚焦聚焦的的作用，使热释电人

14、体红外传感作用，使热释电人体红外传感器器(PIR)(PIR)灵敏度大大增加灵敏度大大增加。A。菲涅耳透镜的工作原理：。菲涅耳透镜的工作原理：25 菲涅尔镜片是根据法国光物理学家FRESNEL发明的原理采用电镀模具工艺和PE（聚乙烯）材料压制而成。镜片（0.5mm厚）表面刻录了一圈圈由小到大，向外由浅至深的同心圆，从剖面看似锯齿。圆环线多而密感应角度大，焦距远；圆环线刻录的深感应距离远，焦距近。红外光线越是靠进同心环光线越集中而且越强。同一行的数个同心环组成一个垂直感应区，同心环之间组成一个水平感应段。垂直感应区越多垂直感应角度越大；镜片越长感应段越多水平感应角度就越大。区段数量多被感应人体移动

15、幅度就小，区段数量少被感应人体移动幅度就要大。不同区的同心圆之间相互交错，减少区段之间的盲区。区与区之间，段与段之间，区段之间形成盲区。由于镜片受到红外探头视场角度的制约，垂直和水平感应角度有限，镜片面积也有限。镜片从外观分类为：长形、方形、圆形，从功能分类为：单区多段、双区多段、多区多段。26下图是常用镜片外观示意图：下图是常用镜片外观示意图：27下图是常用三区多段镜片区段划分、垂直和平面感应图。当人进入感应范围，人体释放的红外光透过镜片被聚集在远距离A区或中距离B区或近距离C区的某个段的同心环上，同心环与红外线探头有一个适当的焦距，红外光正好被探头接收，探头将光信号变成电信号送入电子电路驱

16、动负载工作。整个接收人体红外光的方式也被称为被动式红外活动目标探测器。285、热释电传感器的安装要求：、热释电传感器的安装要求：红外线热释电人体传感器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系.。正确的安装应满足下列条件：1。红外线热释电传感器应离地面2.0-2.2米。2。红外线热释电传感器远离空调,冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方。3。红外线热释电传感器探测范围内不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。4。红外线热释电传感器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的最好把窗帘拉上。红外线热释电传感器也不要安装在有强气流活动的地方。29红外线热释电传感器对人体

17、的敏感程度人的运动方向关系很大。红外线热释电传感器对人体的敏感程度人的运动方向关系很大。红外线热释电传感器对于红外线热释电传感器对于径向移动反应最不敏感径向移动反应最不敏感,而对于横切方而对于横切方向向 (即与半径垂直的方向即与半径垂直的方向)移动则最为敏感移动则最为敏感.。在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环30三、热释电红外感应模块的应用三、热释电红外感应模块的应用311、红外热释电处理芯片、红外热释电处理芯片BISS0001 BISS0001是一款高性能的传感信号处理集成电路。32工作原理BISS0001是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟

18、时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。33首先，根据实际需要，利用运算放大器OP1组成传感信号预处理电路，将信号放大。然后耦合给运算放大器OP2，再进行第二级放大，同时将直流电位抬高为VM(0.5VDD)后，将输出信号V2送到由比较器COP1和COP2组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号Vs。由于VH0.7VDD、VL0.3VDD，所以，当VDD=5V时，可有效抑制1V的噪声干扰，提高系统的可靠性。COP3是一个条件比较器。当输入电压VcVR时，COP3输出为高电平，进入延时周期。当A端接“0”电平时，在Tx时间内任何V2的变化都被忽略，直至Tx时间结束，即所谓不可重复触发工

19、作方式。当Tx时间结束时，Vo下跳回低电平，同时启动封锁时间定时器而进入封锁周期Ti。在Ti时间内，任何V2的变化都不能使Vo跳变为有效状态（高电平）,可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。34可重复触发工作方式下的波形在Vc=“0”、A=“0”期间，信号Vs不能触发Vo为有效状态。在Vc=“1”、A=“1”时，Vs可重复触发Vo为有效状态，并可促使Vo在Tx周期内一直保持有效状态。在Tx时间内，只要Vs发生上跳变，则Vo将从Vs上跳变时刻起继续延长一个Tx周期；若Vs保持为“1”状态，则Vo一直保持有效状态；若Vs保持为“0”状态，则在Tx周期结束后Vo恢复为无效状态，并且，同样在封锁时间

20、Ti时间内，任何Vs的变化都不能触发Vo为有效状态。35管脚说管脚说明明引脚引脚名称名称I/OI/O功能说明功能说明1AI可重复触发和不可重复触发选择端。当A为“1”时，允许重复触发；反之，不可重复触发2VOO控制信号输出端。由VS的上跳变沿触发，使Vo输出从低电平跳变到高电平时视为有效触发。在输出延迟时间Tx之外和无VS的上跳变时，Vo保持低电平状态。3RR1-输出延迟时间Tx的调节端4RC1-输出延迟时间Tx的调节端5RC2-触发封锁时间Ti的调节端6RR2-触发封锁时间Ti的调节端7VSS-工作电源负端8VRFI参考电压及复位输入端。通常接VDD，当接“0”时可使定时器复位9VCI触发禁

21、止端。当VcVR时允许触发(VR0.2VDD)10IB-运算放大器偏置电流设置端11VDD-工作电源正端122OUTO第二级运算放大器的输出端132IN-I第二级运算放大器的反相输入端141IN+I第一级运算放大器的同相输入端151IN-I第一级运算放大器的反相输入端161OUTO第一级运算放大器的输出端36R3为光敏电阻，用来检测环境照度。当作为照明控制时，若环境较明亮，R3的电阻值会降低，使9脚的输入保持为低电平，从而封锁触发信号Vs。SW1是工作方式选择开关，当SW1与1端连通时，芯片处于可重复触发工作方式；当SW1与2端连通时，芯片则处于不可重复触发工作方式。37应用范围：应用范围：热释电红外开关是BISS0001配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成的被动式红外开关。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗衣机等装置，是一种高技术产品。特别适用于企业，宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。