热释电红外传感器及其应用
热释电红外传感器原理及其应用
热释电红外传感器原理及其应用热释电红外传感器原理及其应用
热释电红外传感器（thermoelectric infrared sensor，TIRS）是一种利用热释电效应（thermoelectric effect）来检测环境中红外热源的光学传感器。
它能够通过辐射能量与传感器内表面温度的差异来检测非可见的红外辐射，以实现远距离监测和测量热源发射能力的目的。
热释电红外传感器的工作原理是，当热释电芯片内的两个特定的同质金属材料互相接触时，会出现一个电压，这称为热释电效应。
热释电红外传感器将两种金属材质聚集在一起，当热源照射到传感器表面时，会让其中一种材料受热，而另一种材料不受热。
随着材料的表面温度升高，热释电效应将产生一个电压，这一区别值便可以表示出环境中红外辐射强度发生变化的情况。
热释电红外传感器广泛应用于飞机机舱设备房内的温度监控，能够检测空调系统及周边电子设备的温度变化，从而维持机舱温度在所需范围内。
此外，也常用于物流运输、医疗保健及无人机等行业对环境温度进行监控，能够有效降低安全风险，提高工作效率。
此外，热释电红外传感器还可用于检测大气污染物，能够根据环境温度及湿度两种因素来监测大气环境，提供可靠的污染数据以帮助制定行之有效的污染防治措施。
热释电红外传感器原理及应用
１．３组合件的构造 因为探测器元件自身在使用时有探测距离短，
而且需要后电路等不容易使用的弱点，所以，目前在 销售一种红外组合件。红外组合件由：（１）热释电传 感器；（２）扩大探测范围、增高灵敏度的透镜；（３）电 放大、信号处理系统用的后电路；（４）防止因外界噪 声引起的错误动作使用的密封管壳（仅多功能组合 件）构成。这种构型小型化并且有多种功能。 １．４滤光镜材料
表４ 卧式电收尘与立式电收尘投资预算比较
卧式电收尘
投资，万
立式电收尘
投资，万
在生产能力较小的烘干机尾气收尘中，使用立 筒式超高压静电收尘要比采用卧式超高压静电收尘 器节省投资７２％，可省一次性投资近２０万元，这对 当前资金紧张的中、小型水泥厂来说是十分重要的。
使用烘干机废气除尘年运行总投人为１．８６万
另外，需指出的是，热释电效应产生的电荷不是 永存的，只要它出现，很快便会被空气中的单个离子 所结合。因此，用热释电效应制成的红外传感器，往 往在它的元件前面加机械式的周期遮光装置，以使 此电荷周期地出现。只有当测移动物体时可不用。 １．２热释电传感器的构造
热释电红外传感器由以下几部分构成：（１）具有
第２４卷第３期 ２００５年３月
煤炭技 术 Ｃｏａｌ Ｔｅｃｈ∞ｌｏ盯
Ｖ０１．２４。Ｎｏ．０３
Ｍ盯，嬲
热释电红外传感器原理及应用
彭丽静，宫世宽，李丽红
（鸡西矿业集团电力公司，黑龙江鸡西１５８１００）
摘 要：阐述了热释电红外传感器的结构及工作原理，并简要介绍了现在流行的红外组合件构造及滤光镜的使用。
最后，以用ｓＤ０２构成的热释电人体红外报警器为例介绍了热释电红外传感器的应用。
在热释电红外传感器的窗口上装有不同材料的 滤光镜，使不需要的红外线不能进入传感器。一般 热释电红外传感器在０．２—２０弘ｍ光谱范围内的灵 敏度是相当平坦的（并且不受可见光的影响）。由于 不同的检测（如医学或气体成分分析等），要求光谱 响应范围向狭窄方向发展，因此采用不同材料的滤 光镜（如锗、硅、聚乙烯等）使其有不同的用途。
热释电红外传感器的类别特性及应用
文章编号:1009-3907(2004)06-0022-03热释电红外传感器的类别特性及应用闫 军,庄乾章(长春大学电子信息工程学院,吉林长春 130022)摘 要:热释电红外传感器具有许多光电型传感器无法比拟的优点,因此获得极为广泛的应用。
不但用于国防军事,而且在工业和民用电子电器产品中都得到广泛应用。
本文介绍这类传感器类别、特性以及应用。
关键词:热释电传感器;类别;特性;应用中图分类号:T P212114 文献标识码:B收稿日期:2004208223作者简介:闫 军(1946- ),男,吉林省大安市人,长春大学电子信息工程学院教授,中国电工技术学会高级会员,主要从事电专业基础教学和应用电子技术方面的教学与研究。
0 引 言热释电器件是利用某些材料的热释电效应制成的红外检测元件。
早在1938年就曾有人提出过利用热释电效应探测红外辐射的想法,但长期没有得到重视。
直到20世纪60年代才开始认真研究这个问题。
尤其是近20年来,无论从材料还是器件的研究方面都得到迅速发展。
特别是陶瓷热释电材料,不但有良好的热释电特性,而且可以大批量生产,成本低。
同时,随着技术的不断改进,使热释电红外传感器的结构日臻完善,体积越来越小。
而且灵敏度和可靠性都得到提高,应用更方便。
从而使当今热释电红外传感器的应用不断扩大,不但用于国防军事,而且在工业和民用电子电器产品中都得到广泛应用。
由于应用的广泛,国外厂商一直在克服器件的缺点上进行卓有成效的努力。
过去,欧美曾是热释电红外传感器的主要生产者和主要应用市场,近些年日本奋起直追,迎头赶上。
现在,日本多家公司正努力研究和开发多种热释电红外传感器。
例如,陶瓷公司、Hokuriku 电气工业公司等。
一些产品已占领国外市场[1]。
红外传感器主要分两大类,一类是光电型,一类是热敏型[2]。
前者利用光电效应工作,响应速度快,检测特性好。
但需要冷却,使用不方便。
而且器件的检测灵敏度与红外波长有关。
实验八 热释电红外传感器实验
实验八 热释电红外传感器实验一 实验目的：了解热释电红外传感器基本原理和在实际中的应用二 基本原理：当已极化的热电晶体薄片受到辐射热时候，薄片温度升高，极化强度s p 下降，表面电荷减少，相当于”释放”一部分电荷，故名热释电。
释放的电荷通过一系列的放大，转化成输出电压。
如果继续照射，晶体薄片的温度升高到Tc(居里温度)值时，自发极化突然消失。
不再释放电荷，输出信号为零,见图8-1。
因此，热释电探测器只能探测交流的斩波式的辐射（红外光辐射要有变化量）。
当面积为A 的热释电晶体受到调制加热，而使其温度T 发生微小变化时，就有热释电电流。
dt dT APi ，A 为面积，P 为热电体材料热释电系数，dtdT 是温度的变化率。
8-1热释电效应图8-2 热释电实验接线图图8-3 成品实验接线图三需用器件与单元：光电器件实验（二）模板、主机箱、红外热释电探头、红外热释电探测器。
四实验内容：光电器件实验（二）模板分两部分，分为器件原理实验图（左），传感器实验图（右）1 原理实验（1）按图8-2接线：将红外热释电探头的三个插孔相应地连到实验模板热释电红外探头的输入端口上（红色插孔接D；蓝色接S；黑色接E），再将实验模板上的V CC+5V和“⊥”相应的连接到主控箱的电源上，再将实验模板的右边部分的探测器信号输入短接。
（2）打开主机箱电源，手在红外热释电探头端面晃动时，探头有微弱的电压变化信号输出，经两级电压放大后，可以检测出较大的电压变化，再经电压比较器构成的开关电路，使指示灯点亮。
观察这个现象过程。
现象：指示灯正常亮起2 传感器实验（1）红外热释电探测器有四个接线，按图8-3接线：将探头的1、3号线相应的连接到实验模板的+12V与“⊥”上，再将红外热释电探测器2、4号线分别接到实验模板的探测器信号输入端口上，再将实验模板的+12V和“⊥”接到主机箱+12V电源和“⊥”上。
（2）打开主机箱电源，需延时几分钟模板才能正常工作。
热释电红外传感器及其应用
尚中锋 1，郭景华 2，祁明锋 1,2，范子亮 2
（.郑州炜盛电子科技有限公司，河南 郑州 450001）
摘要：为有效解决电化学、气敏类传感器稳定性差、检测范围窄、易中毒、测量精度低等问题，研制了一种基于钽酸锂薄膜材 料的热释电红外气体传感器。重点介绍了该气体传感器的工作原理及其结构设计，其结构采用双通道光路测量结构，分别为测 量通道和参考通道，有效避免了光源波动和腔体污染对传感器造成的影响。该传感器具有结构新颖、简单可靠、测量范围宽、 不中毒等特点，市场应用前景广阔。 关键词： 钽酸锂薄膜;热释电红外气体传感器;双通道结构;光源波动.
Abstract: In order to effectively resolve the problem of the electrochemical, gas type sensor, such as poor stability, narrow detection range, easy to poisoning and low accuracy etc.， a pyroelectric infrared gas sensor is developed based on lithium tantalate thin-film. The emphasis is paid on the working principle of the gas sensor and its design, its structure using two-channel optical measurement of the structure, respectively measuring channel and reference channel, effectively prevent the light source fluctuation and cavity impact of pollution on the sensor. The sensor has a novel structure, simple and reliable, wide measuring range, not poisoning etc., the market prospect is broad. Keyword: lithium tantalate thin films; pyroelectric infrared gas sensor; dual-channel structure; light fluctuations. 中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：
第六章、 热释电红外传感器及其应用
常见热释电红外传感器的外形
热释电传感器的内部结构
⑴ 敏感元 敏感元用红外热释电材料 — 锆钛酸铅(PZT)制成
，经极化处理后，其剩余极化强度随温度T升高 而下降。制作敏感元件时，将热释电材料制成很 小的薄片，再在薄片两面镀上电极，构成两个串 联的、有极性的小电容。把两个极性相反的热释 电敏感元做在同一晶片上，由于温度的变化影响 整个晶片产生温度变化时，两个敏感元产生的热 释电信号互相抵消，起到补偿作用。 使用热释电传感器时，通常要在使用菲涅尔透镜 将外来红外辐射通过透镜会聚光于一个传感元上 ，它产生的信号不会被抵消。 热释电传感器的持点是它只在由于外界的辐射而 引起它本身的温度变化时，才会给出一个相应的 电信号，当温度的变化趋于稳定后，就再没有信 号输出，即热释电信号与它本身的温度的变化率 成正比。因此，热释电传感器只对运动的人体或 物体敏感。
⑵ 集成红外探测报警器
① 被动红外探测控制集成电路
TWH9511 TWH系列PIR(热释电传感器)控
制电路采用大规模CMOS数字电路及 微型元件固化封装，具有性能指标高，
第六章、 热释电红外传感器及其应用
热释电红外传感器是一种被动式调制型温度 敏感器件，利用热释电效应工作，它是通过目标 与背景的温差来探测目标的。其响应速度虽不如 光子型，但由于它可在室温下使用、光谱响应宽、 工作频率宽，灵敏度与波长无关，容易使用。这 种探测器，灵敏度高，探测面广，是一种可靠性 很强的探测器。因此广泛应用于各类入侵报警器， 自动开关、非接触测温、火焰报警器等，目前生 产有单元、双元、四元、180°等传感器和带有 PCB控制电路的传感器。常用的热释电探测器如： 硫酸三甘钛（TGS）探测器、铌酸锶钡（SBN） 探测器、钽酸锂（LiTaO3）探测器、锆钛酸铅 （PZT）探测器等。
人体红外热释电传感器应用场景
人体红外热释电传感器应用场景
人体红外热释电传感器可以广泛应用于以下场景：
1. 安防监控：在门口、走廊、办公室等地方安装红外热释电传感器，可以实现自动感知人体存在，并启动监控设备录像、报警等安防措施。
2. 照明控制：可以通过设置红外热释电传感器，实现对电灯、夜灯等照明设备的自动开关，使得在没有人员出现的情况下自动关闭灯光，从而实现能源节约。
3. 健身房、影院等场所的观众检测：在一些公共场所，安装红外热释电传感器，可以实现观众数量的自动检测，从而更好地管理场所的人流量。
4. 智慧家居：将红外热释电传感器安装在家中，可以实现人体进出自动感知，进而实现智能门锁、智能家电等的控制。
5. 医疗健康：红外热释电传感器可以检测人体体温，应用于医疗监控、疾病预防等领域。
热释电红外传感器原理及其应用_孙华
红外线传感器是将红外辐射能转换成电能的一种光敏元件，根据 红外传感器的工作原理，可分为热型和量子型两类。热型红外传感器 也称热释电红外传感器 （ Ｐ Ｉ Ｒ）或被动型红外传感器，热释电红外传 感器是利用红外辐射的热辐射作用引起元件本身的温度变化，其探测 率、响应速度都不如量子型传感器。但由于热释电红外传感器具有远 红外线不受可见光影响，故可不分昼夜连续检测，由于被测对象自身 发射红外线，故可不必另设光源。大气对某些特定波长 （ 如８～１ ４μ ｍ）红外线吸收甚少，故具较易检测到等特点，因此在防盗、报警、安 全、自动控制等方面，热释电红外传感器比其它类型传感器应用更为 广泛。热释电红外传感器的缺点是接收灵敏度较低、响应速度较慢， 故必须配用优良的光学透镜 （ 如抛物镜、菲涅尔透镜等 ），才能达到 较高的接收灵敏度和较快的响应速度。
而学生课外活动场所更是不容乐观，随着学校体育设施进一步向 社会开放，在利益的驱使下，原本有限的活动设施更加减少。社区里 缺乏适合学生活动场所和指导学生活动的社区体育指导员；仅有的健 身器材也是为成年人量身定做的，根本不适合中学生的活动需求；社 会上开放的体育场所十分的有限，能参加活动可能性不是很大，并且 还有价格不菲的活动费用。
（３）学校体育场地设施的影响。随着经济的日益发展，越来越 多的人涌向城市，使得原本拥挤的城市更加拥挤不堪。“袖珍式”的 学校比比皆是，大多数中学体育场地、器材、设施都是场地面积狭 小，不能满足体育的正常教学；场地条件较差，存在安全隐患，影响 学生参加体育活动兴趣；器材设备不足，质量差且陈旧，大多数学校 体育投资不足；设备器材竞技标准化、成人化，影响和制约了学生参 与体育活动的兴趣和积极性。
警。我们还可以在三极管Ｖ２的集电极加装为指示灯选择开关Ｓ，选择
报警方式。
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1 延迟电路 由 CD4069 六反相器中的四个组成延迟电路。当有人在检测区并作一定的运动(或活动)， 则 9012 输出高电平，第 2 个反相器也输出高电平。此高电平经二极管 VD1 向电容器 C 快 速充电到接近 UC，则第 4 个反相器也输出高电平。电容器 C 上的电荷向 R 放电，由于 R 阻值较大，放电较慢，按图上的参数(C=220μF、R=10 2MΩ)，约经 12 分钟后 C 上的电压 才降到 1/2UC，使第 4 个反相器输出低电平。其波形如图 12(b)所示。改变不同的 R、C 可 获得不同的延迟时间，可根据要求选择。 该延迟电路的特点是它是一种累计型延时电路，即在延迟过程中又有脉冲输入，则延迟时 间会增加。例如延迟电路的延迟时间为 10 分钟，若在以后时间内有人在不断运动(或活动)， 则 1 脚会不断输入脉冲，延迟时间不断延长。 2 驱动电路 由三极管 9013 及继电器 K 组成驱动电路。当 CD4069 的 8 脚输出高电平时，9013 导通， 继电器 K 吸合，VD2 亮，常开触头闭合，给 220插座提供了电源。若是插上电灯(如用于 半暗厅)，则人在灯亮，人走后经一段延迟时间灯自灭。 继电器工作电压为 12V，触头容量与负载电流有关(触头工作电压要满足 220电压)。 结束语 以上电路仅供爱好者实验及制作。但要说明的是，因为热释电传感器检测的是温度，有 时小动物(猫、狗)进入检测区也会产生误动作。如果有条件可以设计成双鉴电路(如雷达探测 器)再加一个与门，则可提高可靠性，大大地减少误报的概率。 如果检测器与驱动电路分装两地，距离较远，则最好采用屏蔽线，以防止外界干扰而产生误 报。 读者也可以根据自己的要求或参考其它电路来实现有其它功能的防盗报警系统或自动化节 能装置。
上电后 C3 经 R1 充电，电容上的电压渐增。当充电电压大于 VD1 稳定电压加上 VT1 的 Ube 电压时，VT1 才导通，即延迟时间取决于 R1 及 C3 的乘积，按图 7 电路参数，延迟 时间大于 2 分钟。关掉电源时(SQ1)，电容 C3 上的电荷被开关短路而放尽，为下次启动作 好准备。
报警系统电路的传感器由不同功能的检测器组成，分别简介如下： 1 人体运动检测部分电路 它由 R6、RG 组成光电控制电路，调整 R6 使白天时热释电检测器输出电压在 RG 上的 分压小于 VT3 的导通电压(0 6V)，起到白天不报警作用。若需要白天也参与报警，只要将 RG 去掉即可。VT3、VT4 组成电平转换电路。因为 XN－09 输出高电平时仅 3V，经 VT3、 VT4 电平转换电路后，在 R10 上输出的电平可接近 9V。 2 门、窗被撬检测电路 K1、K2 为干簧管与磁钢一起组成的门窗防撬传感器，该传感器已有成品，如图 9 所示。 当磁钢与干簧管之间距离小于(安装时应尽可能靠近)5mm 时，干 簧管闭合，输出为低电平； 当门、窗被撬，它们之间距离大于 10mm 时，输出为高电平(报警信号)。K1、K2 中有任一 起作用即报警。 3 物品被移动检测电路 它由微型轻触式开关 SQ2 和 SQ3 组成。平时开关处于闭合状态，当物品被移动时，开 关被打开，输出高电平(报警信号)，如图 10 所示。在白天时门窗要打开，或抽屉要打开， 可闭合 SQ4、SQ5，使这两部分不起作用(用虚线画出)。 这三种检测器的数量不限，即人体运动检测器也可按需要增加到 2～3 个，K1、K2 及 SQ2、SQ3 可根据需要增减。 三路检测器中通过由 VD2～VD4 组成的或门来驱动 VT5，其中任一路输出为高电平时 VT5 导通，继电器 K3 吸合，一组常开触头 K3－1 实现自保，另一组触头 K3－2 接通高响 度报警器(约 120dB)并使 VD6 发光。如有必要，VT5、K3 及高响应报警器电路也可装在别 的房间。一旦报警，即使门窗复位、被移动的物品复位或离开热释电检测区，报警不会停止， 只有当按下 SQ6 按钮时才会停止。 这种防盗报警系统除适用于家庭用外，也适用于小型工厂、库房等。 自动化节能装置 热释电检测器另一个应用是自动化节能装置。例如，在大型机场里有很多自动电梯，一 天中早、晚客流量较少时，电梯空运转耗电较大，若采用自动化节能装置时，可节省电能， 如图 11 所示。当无人进入检测区时，电梯不运转；当人要乘电梯进入检测区时，电梯开动， 载人上楼；当把人送上楼后若无人上电梯，则电梯停止运转。 在家庭中有一些半暗的客厅，白天也要开灯(或者暗卫生间)，也可装自动开灯装置。即 有人在时灯亮，人走后灯灭。这种电路如图 12(a)所示(电源部分与图 7 相同)。 该电路由检测器、电平转换、延迟电路及驱动电路等组成。
该检测器有 3 根接线：红色接电源正极，棕色(或黑色)接电源负极(地)，黄色为信号输 出线(控制线)。
使用注意事项：检测器应避开日光、汽车头灯、白炽灯直接照射，也不能对着热源(如 暖气片、加热器)或空调，以避免环境温度较大的变化而造成误报；检测器安装必须牢固， 避免因风吹晃动而造成误报；传感器表面不允许用手摸；光学透镜外表面要定期用湿软布或 棉花擦净，避免尘土影响灵敏度；安装高度 2～2 2m，如图 5 所示。
要特别提出的是该检测器电路板在工厂已调试好，保证检测距离大于 6m。若整个报警 系统有问题，请不要调整或改动这部分电路，否则检测距离就不能保证。 家庭防好者参考。该系统的特点是功能较全、电路简单可 靠、制作方便(无特殊元器件)，并且主要元器件都可以邮购。该系统结构框图如图 6 所示。 它由三路检测器经或门后驱动自保继电器来实现灯光及声音报警。 电源电路如图 7 所示，报警电路如图 8 所示。 电源电路：它由不稳压的约 12V(UA)输出、9V 稳压输出(UB)及上电延迟(约 2 分)输出 UC(约 9V)3 部分组成。UA、UB 较简单，这里仅介绍一下延迟上电电路。因为热释电传感器在上 电后约有一分钟的不稳定时间，在不稳定时间里会有较大的信号输出。为防止这种不稳定时 间产生的误报警，使报警电路延迟上电以达到不误报的作用。另外，在开启报警系统后，人 员可有一些时间离开检测区。
电压比较器起到鉴别有无人体进入检测区的作用，同时也消除环境温度变化所产生的干 扰。温度补偿电路使输出稳定，有输出时发光二极管亮。电压比较器输出的高电平经驱动器 后输出，输出电压大于 3V。
该检测器主要技术参数：工作电压 8 5V～12V(直流)；静态电流小于 8mA；内部有温 度补偿，使输出稳定；上电后不稳定时间约 1 分钟；检测距离 6～10m；水平角度 120°；有 人体进入检测区时输出高电平(大于 3V)；工作温度范围－10℃～＋40℃。
热释电红外传感器及其应用
热释电红外传感器是一种能检测人体发射的红外线而输出电信号的传感器，它能组成防 入侵报警器或各种自动化节能装置。本刊 1998 年第 12 期刊登了“超小型热释电集成红外传 感器”一文后，引起广大读者的兴趣，但由于价格昂贵使不少爱好者及产品开发者望洋兴叹。 本文将介绍一种功能完全与该传感器一样的热释电红外检测器，但它的价格较便宜，非常适 合广大爱好者自制家庭防盗报警系统或自动化节能装置，也适合产品开发人员作二次开发。 它的特点是有一个造型漂亮的外壳，内部可装入防盗报警系统或自动化节能装置的全部电 路，省去制作外壳的时间及劳动。它的外形、尺寸及内部结构如图 1 所示。另外，检测器部 分电路调试难度较大，一般爱好者没有仪器不易调试好而影响整个系统(或电路)的性能，现 这部分电路已由工厂装配、调试、测定，保证性能，解决了制作中的难题。 热释电传感器基本知识
由实验证明，传感器不加光学透镜(也称菲涅尔透镜)，其检测距离小于 2m，而加上光 学透镜后，其检测距离可增加到 10m 左右。
XN－09 型热释电红外检测器 XN－09 型热释电红外检测器的结构框图如图 3 所示。放大器将传感器输出的微弱电压
信号放大，并由滤波电路将杂波滤掉。放大后的电压输入电压比较器的同相端与反相端的基 准电压(阈值电压)相比较：当人体进入检测区时，其放大后的信号电压大于阈值电压，电压 比较器输出高电平，当无人体进入检测区，或者环境温度有些变化也产生电压信号，但由于 此电压信号较小，虽也经放大其值小于阈值电压，比较器输出仍为低电平。电压比较器部分 的电路图如图 4 所示。