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人体热释电传感器

news 2024/12/3 7:29:17

红外辐射的大气窗口

红外线是一种肉眼不可见的光线，在1800年被英国天文学家威廉·赫谢尔发现，又称为红外热辐射。红外辐射本质是一种电磁辐射，在物理学上定义波长在0.75~1000μm的电磁波。红外辐射的波长介于可见光和微波之间，其短波与可见光波段的红光相邻，长波段与微波相接。

根据红外辐射的产生机理、红外辐射的应用和发展情况并结合考虑了红外辐射在地球大气层中的传输特性，进一步将0.75~1000μm的红外辐射划分为四个波段：

（1）近红外或短波红外，波长范围为0.75~3μm；

（2）中红外或中波红外，波长范围为3~6μm；

（3）远红外或长波红外，波长范围为6~15μm；

（4）极远红外，波长范围为15~1000μm。

物体发出的辐射，大都要通过大气才能被红外探测器感知。大气是由各种气体、尘粒杂子和水气组成的，其中主要的气体有N2、O2、Ar，其它气体只占总体积的0.1％以下。而这三种气体有一个特点，它不吸收15μm以下的红外线，15μm以下的红外辐射能较容易的穿透大气被红外探测设备感知，因此通常红外探测设备，工作波长均选在15μm以下。

然而，大气中依然存在能够吸收15μm以下红外辐射的气体，如H20、CO2、O3、CH4等，综合各种气体的吸收谱发现，在0.8～15μm这个波长范围，大气有三个吸收红外线较弱的波段，即1～3 μm,3～5μm，8～14μm，所以这3个波段也被称之为大气窗口。在这三个波段范围内，大气对红外辐射有很好的传输特性，从而使物体的红外辐射能够较容易的被红外探测设备所识别，而在这些波段之间，大气对红外辐射几乎是不透明的。目前红外系统所使用的波段，大都限于上述大气窗口之中。

选择红外热像仪时，要考虑其使用场所。当探测的目标是飞机与地面之间、飞机与飞机之间或是地面上两点之间等不同种场合时，大气对红外线的吸收是不一样的。一般来说，1－3μm主要用在高温目标和天文探测方面，近期也用在地面的观察。8－14μm大气窗口适合于观察地面目标，而3－5μm窗口适合在高温高湿地区，探测较远的空中目标。

热释电传感器的工作原理

a.热释电效应: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，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。

b.当温度未变化时，晶体自发极表面束缚电荷被来自空气中自由电子中和，自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电极化现象表现出来。

c.热释电传感器利用的正是热释电效应，这是一种对温度敏感的传感器。

d.当传感器没有检测到人体辐射或人体静止时，由于C1、C2自身产生极化，C1、C2上的红外线光能能量相等，且达到平衡，极性相反、能量相等的光电流在回路中相互抵消，回路中不产生电流，传感器无输出。

e.当人体移动时，红外辐射引传感器敏感单元的两个等效电容产生不同的极化电荷时，才会向外输出电信号。所以，这种传感器只对人体的移动或运动敏感，对静止不敏感。

总结如下：

人体热释电传感器的工作原理主要依赖于热释电效应。这种效应是指一些具有自发式极化的晶体，在温度发生变化的情况下，会在某一方向上产生表面极化电荷，也就是电位发生变化。具体来说：

人体红外辐射：人体由于具有恒定的体温（一般在37度左右），会发出特定波长（约为10μm）的红外线。
红外感应：人体发射的红外线通过菲涅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。
信号处理：后续电路经检测处理这些电荷变化后，就能产生电信号，通常以电压或电流的形式输出，并通过功率放大器将信号放大，达到控制电路的目的。

二、主要组成

人体热释电传感器一般由管帽、管座、红外滤光片、敏感元、场效应管（或数字芯片）等主要部分组成。其中，红外滤光片用于只允许特定波长的红外线通过，以减少环境干扰；敏感元则是热释电元件，用于接收人体红外辐射并产生电荷变化；场效应管或数字芯片则用于信号处理。

三、特性与应用

特性：人体热释电传感器具有功耗小、隐蔽性好、价格低廉等优点。但它也有一些局限性，如对人体移动方向的敏感性较高（对径向移动最不敏感，对横切方向移动最敏感），以及受环境温度和物体遮挡等因素的影响。
应用：由于人体热释电传感器能够非接触式地检测出人体辐射的红外能量的变化，因此被广泛应用于家居安防、智能办公、智能灯具、感应开关、智能家居、智能门铃、入侵检测、感应玩具、智能家电、自动化控制等领域。