熱釋電傳感器原理特性

熱釋電紅外傳感器和熱電偶都是基于熱電效應原理的熱電型紅外傳感器。不同的是熱釋電紅外傳感器的熱電系數遠遠高于熱電偶，其內部的熱電元由高熱電系數的鐵鈦酸鉛汞陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘鐵等配合濾光鏡片窗口組成，其極化隨溫度的變化而變化。為了抑制因自身溫度變化而產生的干擾該傳感器在工藝上將兩個特征一致的熱電元反向串聯或接成差動平衡電路方式，因而能以非接觸式檢測出物體放出的紅外線能量變化并將其轉換為電信號輸出。熱釋電紅外傳感器在結構上引入場效應管的目的在于完成阻抗變換。

由于熱電元輸出的是電荷信號，并不能直接使用因而需要用電阻將其轉換為電壓形式該電阻阻抗高達104MΩ，故引入的N溝道結型場效應管應接成共漏形式即源極跟隨器來完成阻抗變換。熱釋電紅外傳感器由傳感探測元、干涉濾光片和場效應管匹配器三部分組成。設計時應將高熱電材料制成一定厚度的薄片，并在它的兩面鍍上金屬電極，然后加電對其進行極化，這樣便制成了熱釋電探測元。由于加電極化的電壓是有極性的，因此極化后的探測元也是有正、負極性的。

熱釋電傳感器結構電路圖

　　熱釋電傳感器由濾光片、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，國1-1所示為熱釋電傳感器的內部結構。為防止外部環境對傳感器輸出信號的干擾，上述元件被真空封裝在—個金屬營內。

　　圖1-1熱釋電傳感器的結構

　　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，到達熱釋電探測元+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，相當于一個以熱釋電晶體為電介質的平板電容器。當它受到非恒定強度的紅外光照射時，產生的溫度變化導致其表面電極的電荷密度發生改變，從而產生熱釋電電流。

　　前置放大器由一個高內阻的場效應管源極跟隨器構成，通過阻抗變換，將熱釋電探測元微弱的電流信號轉換為有用的電壓信號輸出。

　　前置放大器將微弱的熱釋電電流轉換為有效電壓輸出。前置放大器必須具備高增益、低噪聲、抗干擾能力強的特點，以便從眾多的噪聲干擾中提取微弱的有用信號。國18是熱釋電傳感器的內部電路。熱釋電探測元和前置放大器通常集成封裝在晶體管內，以避免空氣濕度使泄露電流增大。這種結構的前置放大器信噪比高，受溫度影響小。

　　圖1-8電路中的電壓增益與場效應管在工作點的跨導和源極電阻有關，計算公式如下：

　　由公式（7）可知，增大源極電阻，或減小漏極電流可以提高前置放大器的電壓增益。但是增大源極電阻的同時，輸出電阻會變大，從而導致漏極電壓升高，當源極電阻達到100Kohm時，漏極電壓會升高到15V，因此源極電阻不應過大，一般不超過100Kohm，增大電壓增益能降低溫度對跨導的影響，提高增益的溫度穩定性。

熱釋電傳感器的工作原理：

圖1開始的階段（T），在沒有紅外照射下，熱釋電紅外傳感器的溫度沒有變化，傳感器表面的電荷處于中和狀態，正負電子對等（A），此時，傳感器沒有輸出（0）。圖1第二階段（T+△T），有溫度變化時，在人體紅外線的照射下，熱釋電紅外傳感器的溫度如果上升△T，那么傳感器表面的電荷就如圖2（B）所示的那樣發生相應的變化。如果溫度變化為△T，其對應的電荷變化就產生△V的變化，因此，傳感器輸出△V。隨著時間的延長，傳感器表面就會重新吸附空氣中的離子并相互抵消由此而達到如圖2C所示的中和狀態。此時，傳感器又恢復到沒有輸出（0），如圖3所示。

當溫度下降時，溫度又回到原來的狀態（T），其自由極化狀態如圖2D所示。由于溫度的下降變化（相對而言）過程與溫度上升變化相反，所以，傳感器表面的電荷變化與上升時變化過程剛好相反，是個反過程。因此，傳感器的輸出信號就是-△V，如圖3所示。同理，隨著時間的延長，傳感器的表面也會重新吸附空氣中的離子，而使傳感器的輸出信號再次為零。

傳感器對人體活動信息的感應全過程輸出信號如圖3所示。從傳感器輸出圖中不難看出，傳感器對人體活動的一個動作所輸出的信號是一個完整的波形。在實驗時，如果用放大器把該信號放大，再用示波器觀察就是一個正脈沖和一個負脈沖。也就是說，傳感器感應到的一個移動信號近似于一個完整的1Hz脈沖信號。

熱釋電傳感器電路圖（一）

本圖是熱釋電傳感器的電動機控制電路。電路中，Al是增益為60dB放大器電路，它將熱釋電傳感器的微弱信號進行放大;也是截止頻率為10Hz的有源濾波器，主要用于濾除噪聲與紋波;A3為比較器電路，比較值由RP1根據需要進行設定，A3輸出恒定電平的信號;A4為單穩態多諧振蕩器，用于當接入多個熱釋電傳感器時，確保在一定時間內電路僅對一個傳感器的輸出信號有響應;A5和A6為觸發器電路，其輸出決定電動機的工作方式;VT和繼電器為電動機驅動電路，當觸發器輸出高電平時，VT導通，繼電器Kl動作，其觸點K1一1接通電動機電源并使其轉動;反之，電動機停轉。

熱釋電傳感器電路圖（二）

基于BISS0001熱釋電紅外傳感器電路

R3光敏電阻：

光照產生載流子，在外加電場的作用下作漂移運動，電子奔向電源正，空穴奔向電源負。無光照時電子空穴復合。

熱釋電傳感器電路圖（三）

基于LM324熱釋電紅外傳感器電路

1、5V電源通過R1給透鏡供電，R1的作用的限流，C1是電源濾波，其穩定電壓的作用。

2、C2和R2構成高通濾波器，隔離透鏡輸出的直流分量。

3、由于運放采用單電源供電，R3、R5、C3為運放A1提供一個2.5V的參考電壓。

4、運放A1、R4、R6、C4構成積分器，相當于低通濾波器，濾除低頻噪聲，同時，放大有效信號。

5、C5再次隔離直流分量。

6、R8、R9、C9為運放A2提供一個2.5V的參考電壓。

7、運放A2、R7、R10、C8構成積分器，相當于低通濾波器，濾除高頻噪聲，有效信號比例縮小。

8、A3、A4等構成差分放大電路，輸出經二級管檢波為直流電壓。

熱釋電傳感器電路圖（四）

本裝置可自動控制單位大門的開與關，有人進出時門自動打開，進出過后門自動關閉。夜晚大門停用后，本裝置可轉作報警器，一旦有人走近大門即產生報警，以告知門衛開小門放人進出。

圖１是人體感應信號產生及放大電路。其中ＲＳ是熱釋電遠紅外被動式傳感器，Ａ１、Ａ２是兩級放大器。傳感器檢測到人體紅外線后產生的感應信號很微弱，電路中設置了諸多旁路電容都是為了抑制干擾，避免誤動作。Ａ３、Ａ４是上、下限電壓比較器，平時Ａ２的輸出電平比Ａ３⑥腳電平低，而比Ａ４③腳電平高，Ａ３、Ａ４輸出皆為低電平。只有傳感器感應產生的交變信號經放大達到足夠電平才能使Ａ３或Ａ４輸出為高電平，以控制后續電路工作。

圖２、圖３是自動門電機控制電路及報警變換電路。由圖１的ＣＺ插座②腳來的高電平使ＢＧ１導通、Ｊ１動作，觸點Ｊ１－１閉合使Ｃ１短路，ＩＣ３的③腳輸出高電平使Ｊ２得電，Ｊ２－１閉合接通市電，Ｊ２－２動觸頭轉換到“ａ”位置，電機Ｍ正轉開門。同時ＢＧ２飽和導通，ＩＣ４的③腳為低電平。經過一定時間，門位移到終點碰觸軌道上的限位開關Ｋ１，Ｊ２釋放，電機停轉。當人們進出門結束后，ＢＧ１基極無信號而截止，Ｊ１釋放，再經過一定時間（此時間由Ｒ３、Ｃ１的值決定），ＩＣ３的③腳輸出低電平，ＢＧ２截止，ＩＣ４的③腳受由低到高的脈沖觸發，其①腳輸出高電平，一方面使ＢＧ３導通，Ｊ３得電，Ｊ３－１使電機接通市電，此時因Ｊ２不工作，Ｊ２－２動觸頭已回到“ｂ”位，

故電機反轉，門開始關。門到達“關”的終點即碰觸軌道上的限位開關Ｋ２，電機停轉。另一方面ＩＣ４的①腳上電壓通過Ｒ８對Ｃ３充電，當④腳為高電平時①腳翻轉為低電平，ＢＧ３截止，Ｊ３釋放。若在關門過程中又有人要進出門，則ＢＧ１又接到信號，Ｊ２又工作，Ｊ２－２又轉換到“ａ”位置，門便立即由“關”轉為“開”。因此，只要有人進出門，無論原來門處于何種狀態，總會作開門運行。

當夜晚不需要自動門工作時，可將Ｋ３由“１”扳至“２”，這時本系統即構成報警器。一旦有人走到門附近，Ｊ２－１與Ｊ３－１便相繼接通市電，使聲、光報警器發出警報。

在ＲＳ傳感器上加裝菲涅爾透鏡可增大作用距離。另外，為了使人進門與出門都能自動開門，須在門的兩側都裝有圖１所示的人體感應信號產生及放大電路，分別安裝于門內門外的上方，將其輸出端并聯后接在圖２電路的輸入端即可。

熱釋電傳感器電路圖（五）

熱釋電傳感器電路圖（六）

報警器的工作電路