热释电式传感器的工作原理与应用

1.热释电效应及其机理

当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化而产生的电极化现象，称为热释电效应。

通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附集在晶体外表面的自由电子所中和，其自发极化电偶极矩不能显示出来，晶体对外不显电性。当温度变化时，晶体结构中的正、负电荷重心产生相对位移，电偶极矩会发生变化，晶体表面的束缚电荷发生变化能产生热释电效应的晶体称为热释电体，又称为热电元件。热电元件常用的材料有单晶[如铌酸锂、钽酸锂（LiTaO₃）等]、热释电陶瓷[如钛酸钡（BaTiO₃）、锆钛酸铅（PZT）等]及热释电塑料[如聚偏二氟乙烯（PVDF）等]。

2.热释电红外传感器

这里所说的热释电红外传感器是指利用热电元件的热释电效应探测人体用的红外传感器。它适用于防盗报警、来客告知及非接触开关等红外领域。

热释电红外传感器的结构及内部电路如图7-61所示。

图7-61 热释电红外传感器的结构及内部电路

a）结构 b）内部电路

由图7-61可见，传感器主要由外壳、滤光片、PZT热电元件、结场效应晶体管、电阻、二极管等组成。其中滤光片设置在窗口处，组成红外线通过的窗口。滤光片为6μm多层膜干涉滤光片，这种滤光片对于太阳光和荧光灯光的短波长（约5μm以下），具有高的反射率，而对6μm以上的从人体发出来的红外线热源（10μm），有高的穿透性，其光谱特性如图7-62所示。阻抗变换用的结场效应晶体管和电路元件放置在管底部分。热电元件选用PZT压电陶瓷，其居里点高，不会造成因环境温度过高而影响其输出性能。PZT材料也适合批量生产，成本低，且可靠性高。热释电红外传感器的视野特性方向图如图7-63所示。表7-18所示为几种常见探测人体用的热释电红外传感器的主要技术参数。

3.热释电探测模块

热释电红外探测模块是一个将热释电红外传感器、放大器、信号处理电路、延时电路和高低电平输出电路集成于一体的新器件。它具有灵敏度高、抗干扰能力强、耐低温（-30℃）及使用方便等特点，主要用来探测人体发射出的红外线能量，适用于人体移动的探测报警系统。

图7-62 滤光片的光谱特性

图7-63 视野特性方向图

表7-18 几种常见探测人体用的热释电红外传感器的主要技术参数

图7-64给出了一种常用的热释电红外探测模块HN911的外形。(www.xing528.com)

图7-65给出了HN911模块的内部电路结构。平时1端输出低电平，2端输出高电平。当有移动发热体进入监视范围时，热释电红外传感器接收到红外能量，并输出检测信号。该信号经放大器放大，由比较器进行比较判断，再由信号处理电路处理后输出控制信号。此时1端变为高电平，2端变为低电平。在模块的外部，可接增益调节电位器，以调节放大器的增益。放大器具有温度补偿功能，其主要作用是当环境温度增高或背景红外辐射能量增加时，可使放大器的增益随着它们的增高而自动提升，从而保证整个电路工作的稳定性。

图7-64 HN911模块的外形

图7-65 HN911模块的内部电路结构

HN911模块的主要技术参数如表7-19所示。

表7-19 HN911模块的主要技术参数

菲涅耳透镜是一种精密的光学系统，专门用来和热释电红外传感器配套使用，它可以将周围的红外能量聚集到传感器的窗口，以提高传感器的接收灵敏度，扩大监视范围。透镜根据不同的使用要求，设计有不同的形状和规格，它的主要技术指标是监测距离和视野角度，一般监测距离为10～15m，视野角度为84°～135°。从外形上分为平面型和半球状型两种，前者用于壁挂式，后者用于吸顶式。目前生产的透镜型号有S-136型（壁挂式）和S-99、RS-8型（吸顶式）。

4.典型应用

HN911模块的典型应用电路如图7-66所示。无被测物体时，HN911的1端输出低电平，VT₂截止，报警指示灯H不亮，2端输出高电平使继电器K工作；当检测到人体移动信号时，VT₂导通，指示灯H亮，同时VT₁截止，继电器K停止工作。可利用继电器触点的通断进行需要的控制。

图7-66 HN911典型应用电路

现给出一个HN911在自动门控制系统中应用的实例。

自动门控制原理电路如图7-67所示。该电路采用热释电红外探测传感器模块HN911探测人体的移动。VT₁用作延时控制，通过调节电位器R_w，能改变延时控制的时间。光耦合器件MOC3020将交、直流即强、弱电隔离。当无人来到自动门前时，HN911输出端为低电平，VT₁无控制信号输出，双向晶闸管VT₂关断，开启门的负载电动机不工作，门处于关闭状态；当有人来到自动门前时，HN911模块检知到人体红外能量，输出端1为高电平输出，双向晶闸管导通，负载电动机工作，门被自动打开。当自动门运行到位时，由限位开关S切断电源。由于HN911模块输出端2所输出的电平正好与输出端1输出的电平相反，故可用输出端2的输出控制电动机使自动门关闭。

图7-67 自动门控制原理电路