人体热释电红外传感器(PIR)

热释电红外线传感器是利用红外线来进行数据处理的一种传感器。主要是由一种高热电系数的材料,如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。

工作原理

人体都有恒定的体温,一般在37度,所以会发出特定波长10UM左右的红外线,被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。人体发射的10UM左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件,这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡,向外释放电荷,后续电路经检测处理后就能产生报警信号。

  • 这种探头是以探测人体辐射为目标的。所以热释电元件对波长为10UM左右的红外辐射必须非常敏感。
  • 为了仅仅对人体的红外辐射敏感,在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲泥尔滤光片,使环境的干扰受到明显的控制作用。
  • 被动红外探头,其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。而且制成的两个电极化方向正好相反,环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用,使其产生释电效应相互抵消,于是探测器无信号输出。
  • 一旦人侵入探测区域内,人体红外辐射通过部分镜面聚焦,并被热释电元接收,但是两片热释电元接收到的热量不同,热释电也不同,不能抵消,经信号处理而报警。
  • 菲泥尔滤光片根据性能要求不同,具有不同的焦距(感应距离),从而产生不同的监控视场,视场越多,控制越严密。

热释电效应

热释电效应是指极化强度随温度改变而表现出的电荷释放现象,宏观上是温度的改变使在材料的两端出现电压或产生电流。
简单来说,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。

热释电效应与压电效应类似,热释电效应也是晶体的一种自然物理效应。对于具有自发式极化的晶体,当晶体受热或冷却后,由于温度的变化(△T)而导致自发式极化强度变化(△Ps),从而在晶体某一定方向产生表面极化电荷的现象称为热释电效应。

热式电体

具有热释电性质的材料称为热释电体。压电陶瓷属于热释电体。若不考虑温度的不均匀性,热释电体一般具有一级和二级热释电效应。其中二级热释电效应是由于温度变化引起材料形变,再由压电效应产生电荷的二级效应。一般情况下,若温度变化率相同,升降温过程中产生的热释电电荷大小相等,但符号相反

公式

△Ps=P△T

△Ps为自发式极化强度变化量;△T为温度变化;P为热释电系数

技术原理

热释电效应最早在电气石晶体(Na,Ca)(Mg,Fe)3B3Al6Si6(O,H,F)3中发现,该晶体属三方晶系,具有唯一的三重旋转轴。与压电晶体一样,晶体存在热释电效应的前提是具有自发式极化,即在某个方向上存在着固有电矩。但压电晶体不一定具有热释电效应,而热释电晶体则一定存在压电效应。热释电晶体可以分为两大类。一类具有自发式极化,但自发式极化并不会受外电场作用而转向。另一种具有可为外电场转向的自发式极化晶体,即为铁电体。由于这类晶体在经过预电极化处理后具有宏观剩余极化,且其剩余极化随温度而变化,从而能释放表面电荷,呈现热释电效应。通常,晶体自发极化所产生的束缚电荷被空气中附集在晶体外表面的自由电子所中和,其自发极化电矩不能显示出来。当温度变化时,晶体结构中的正、负电荷重心产生相对位移,晶体自发极化值就会发生变化,在晶体表面就会产生电荷耗尽。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(LiTaO3等)、压电陶瓷(PZT等)及高分子薄膜(PVF2等)。如果在热电元件两端并联上电阻,当元件受热时,则电阻上就有电流流过,在电阻两端也能得到电压信号

菲涅耳透镜

菲涅耳透镜(英语:Fresnel lens),又译菲涅尔透镜,别称螺纹透镜,是由法国物理学家奥古斯丁·菲涅耳所发明的一种透镜。此设计原来被应用于灯塔,这个设计可以建造更大孔径的透镜,其特点是焦距短,且比一般的透镜的材料用量更少、重量与体积更小。和早期的透镜相比,菲涅耳透镜更薄,因此可以传递更多的光,使得灯塔即使距离相当远仍可看见。

根据菲涅耳原理制成,菲涅耳透镜分为折射式和反射式两种形式,其作用一是聚焦作用,将热释的红外信号折射(反射)在PIR上;二是将检测区内分为若干个明区和暗区,使进入检测区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号,这样PIR就能产生变化电信号。使热释电人体红外传感器(PIR)灵敏度大大增加。 

技术原理

相比传统的球面透镜,菲涅耳透镜通过将透镜划分出为一系列理论上无数多个同心圆纹路(即菲涅耳带)达到相同的光学效果,同时节省了材料的用量。[1]

在此透镜的第一个也是最大的一个变种上,每一个环都实际上都是彼此不同的棱镜。尽管菲涅耳透镜也许看起来像一片单独的玻璃,但仔细检查会发现他是由许多微小的片状结构组成的。现代的数控机床问世后,利用单块玻璃生产菲涅耳透镜已变为现实,而光学塑料的诞生也使得菲涅耳透镜的制作变得容易。

正是因为这些纹路,透镜的总体厚度减小了;菲涅耳透镜实际上是普通凸透镜连续的曲面被截为一段一段曲率不变的不连续曲面,因为曲面被划分得很细,故看上去像一圈一圈的纹路。事实上菲涅耳透镜可以被视作一系列的棱镜按照环形排列,其中边缘较为尖锐,而中心则是较为平滑的凸面。

菲涅耳透镜的设计容许大幅度地削减透镜厚度(以及重量与体积),但是付出的代价是成像品质会下降,这也是精密成像仪器例如单反相机以及数码相机仍然使用传统笨重的透镜的原因。

菲涅耳透镜常由玻璃或塑料制成,尺寸从大(老式灯塔,尺寸以米计)到中(阅读放大镜、幻灯片投影)再到小(单反相机对焦屏、显微光学)。大多数情况下,它们很薄很平整,并且有韧性,大约3-5毫米厚。


菲涅耳透镜的原理演示动画,此为透镜截面视图。由于光的折射发生在介质的交界面,这里以玻璃与空气为例,若能去除光在玻璃中直线传播的部分而保留发生折射的曲面,便能省下大量材料同时达到相同的聚光效果。如图,菲涅耳透镜便是通过此法使透镜变薄。曲面划分得越细,透镜越能够做薄。

优点

  • 本身不发任何类型的辐射,器件功耗很小,隐蔽性好。价格低廉。

缺点

  • 容易受各种热源、光源干扰
  • 被动红外穿透力差,人体的红外辐射容易被遮挡,不易被探头接收。 
  • 易受射频辐射的干扰。 
  • 环境温度和人体温度接近时,探测和灵敏度明显下降,有时造成短时失灵。

工作环境

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。

红外线热释电传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。热释电红外传感器对于径向移动反应最不敏感, 而对于横切方向 (即与半径垂直的方向)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。

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如您想进一步了解并尝试使用该传感器,可以访问适用于高级用户的使用说明,以获取更详细的参数信息

使用说明书:https://blog.geekdt.com/1367.html


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