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人体检测–热释电传感器开发

人体热释电传感器顾名思义是探测是否有人体通行和通过，由于它的廉价性，使得它的应用范围非常广泛。楼道里的灯，天台的报警设施等，都是利用这个来进行报警和检测。

本文章将分为两个板块来介绍传感器的开发和应用。

一·热释电传感器的工作原理

　　某些晶体，例如钽酸锂、硫酸三甘肽等受热时，晶体两端会产生数量相等、符号相反的电荷。1842年布鲁斯特将这种由温度变化引起的电极化现象正式命名为“pyroelectric”，即热释电效应。红外热释电传感器就是基于热释电效应工作的热电型红外传感器其结构简单坚固，技术性能稳定，被广泛应用于红外检测报警、红外遥控、光谱分析等领域，是目前使用最广的红外传感器。（以下部分原理内容来自于http://www.dnfire.cn/article-1323484406606.html和http://www.sohu.com/a/123442828_384549以及https://zh.wikipedia.org）

　　在市面上我们买到的热释电传感器如图1所示：

图1

我们将它拆开，可以看到内部的样子，如图2所示：

图2

   图2就是热释电内部的样子，可以看出它是由一个白色的帽和热释电模块组成。不用想，白色帽子的长相酷似苍蝇的眼镜，所以，按照仿生学来看，这个东西的作用就是将四面八方收集到的红外信号送进探测器做检测，所以它可以加强探测器的测量范围。经过我实际检测，探测器加上它的测量范围可以扩展置横纵100°的可以角度。几乎无死角检测。下面我们来看重点，也就是探测原件，如图3所示：

图3  

  图3所示的结果由滤光片、热释电探测元和前置放大器组成，补偿型热释电传感器还带有温度补偿元件，图4所示为热释电传感器的内部结构。为防止外部环境对传感器输出信号的干扰，下述元件被真空封装在—个金属营内。

图4 热释电传感器的结构

　　热释电传感器的滤光片为带通滤光片，它封装在传感器壳体的顶端，使特定波长的红外辐射选择性地通过，到达热释电探测元+在其截止范围外的红外辐射则不能通过。

　　热释电探测元是热释电传感器的核心元件，它是在热释电晶体的两面镀上金属电极后，加电极化制成，相当于一个以热释电晶体为电介质的平板电容器。当它受到非恒定强度的红外光照射时，产生的温度变化导致其表面电极的电荷密度发生改变，从而产生热释电电流。

  下面我们来看一下热释电探测元内部的构成：

  探测元的原理参考了菲涅耳透镜（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。

图5

由于使用菲涅耳透镜来投射光线会降低成像品质，所以它一般用在对成像品质要求不太苛刻或无法使用一般透镜的地方。廉价的菲涅耳透镜一般由透明塑料压铸或模塑而成，并使用在透镜式投影仪、背投电视、便携放大镜上。同时它也被应用在交通信号灯上。菲涅耳透镜也用于校正一些视觉障碍，比如斜视。

菲涅尔镜片是红外线探头的“眼镜”，它就象人的眼镜一样，配用得当与否直接影响到使用的功效，配用不当产生误动作和漏动作，致使用户或者开发者对其失去信心。配用得当充分发挥人体感应的作用，使其应用领域不断扩大。菲涅尔镜片是根据法国光物理学家FRESNEL发明的原理采用电镀模具工艺和PE（聚乙烯）材料压制而成。镜片（0.5mm厚）表面刻录了一圈圈由小到大，向外由浅至深的同心圆，从剖面看似锯齿。圆环线多而密感应角度大，焦距远；圆环线刻录的深感应距离远，焦距近。红外光线越是靠进同心环光线越集中而且越强。同一行的数个同心环组成一个垂直感应区，同心环之间组成一个水平感应段。垂直感应区越多垂直感应角度越大；镜片越长感应段越多水平感应角度就越大。区段数量多被感应人体移动幅度就小，区段数量少被感应人体移动幅度就要大。不同区的同心圆之间相互交错，减少区段之间的盲区。

区与区之间，段与段之间，区段之间形成盲区。由于镜片受到红外探头视场角度的制约，垂直和水平感应角度有限，镜片面积也有限。镜片从外观分类为：长形、方形、圆形，从功能分类为：单区多段、双区多段、多区多段。下图6是常用镜片外观示意图：

图6

下图7是常用三区多段镜片区段划分、垂直和平面感应图。

图7

当人进入感应范围，人体释放的红外光透过镜片被聚集在远距离A区或中距离B区或近距离C区的某个段的同心环上，同心环与红外线探头有一个适当的焦距，红外光正好被探头接收，探头将光信号变成电信号送入电子电路驱动负载工作。整个接收人体红外光的方式也被称为被动式红外活动目标探测器。

镜片主要有三种颜色：

1、聚乙烯材料原色，略透明，透光率好，不易变形。

2、白色主要用于适配外壳颜色。

3、黑色用于防强光干扰。

镜片还可以结合产品外观注色，使产品整体更美观。

在接收到信号后就要进入信号转换与处理，热释电传感器的信号转换可以概述为三个阶段：

　　热转换阶段：辐射通量为△Φ的调制辐射光经过透射率为т的红外滤光片到达热释电探测元，辐射通量τ△Φ被元件表面吸收后，产生温度变化△T。

　　热电转换阶段：在△T的作用下，热释电元件的表面电报产生电荷密度变化△Q。

　　电转换阶段：AQ通过前置放大器转换为电压信号△u输出。

图8 热释电传感器的信号转换过程

　　热转换阶段产生的转换温差△T越大，传感器的响应率和信噪比越高；

图9 热释电传感器热学简化模型

图10 热释电传感器等效电路

　　图9、10是热释电传感器的热学模型和等效电路。热沉表示环境温度影响。

　　转换温差（1）

　　式中，α——热释电探测源的吸收率，

　　C——热释电探测源的热容；

　　G_T——热释电探测元与环境之间的热导。

　　从（1）式可知，ατ越趋近于1，△T越大，在热释电探测元的表面附着吸收层可以使ατ增大，从而增大△T。其次，△T与热容C成反比，而物质的厚度越小，热容越小，因此通常用钽酸锂薄膜做热释电探测器元的材料。此外，△T还与热导G_T成反比，但是减小G_T会使热时间常数增大，因此一般不做考虑。

　　热释电电流是热释电探测元响应温度变化产生的热电输出。当温度恒定时，热释电晶体表面的极化电荷会被空气中的异性电荷中和异性电荷中和而无法检测。因此，热释电探测元只响应温度变化而非恒定温度。

　　热释电电流（2）

　　式中，P——热释电系数；

　　A_s——热释电元件的表面积。

　　（图11）描绘了热释电电流、温差和热辐射频率的函数关系。图中热辐射的脉动频率以角频率标示。热释电电流曲线是热释电电流与频率之间的关系，可以看出当频率大于O.OIHz时才有热电输出，当频率超过1Hz时，热释电电流不再增大．这是因为当热辐射频率低于0.01Hz时，热释电晶体被缓惺地彻底加热冷却，并维持在暂时的热平衡态，晶体虽然产生了较大的温差，但不会有较大的电流输出，而热辐射频率太高，晶体的热惯性会使温差降低，也会影响热释电信号的输出。

图11 热释电电流、温差与热辐射频率的曲线函数

　　热释电探测元的直接输出的微弱电流信号，必须经过高阻抗的前置放大器转换才能使用。（图12）是热释电传感器的前置放大器电路，它由一个场效应管源极跟随器构成。

图12 前置放大器电路

　　如图(12)所示的前置放大器电路中，输出电压和响应率的计算如下：

　　热释电传感器输出的信号受到多种噪声源的干扰，使可探测的辐射通量减少或降低传感器的信噪比，研究表明这些干扰主要来自传感器的固有噪声或周围空气流动引起的噪声，包括：

　　(1)热释电元件的介电损耗噪声，

　　(2)温度噪声，

　　(3)前置放大器的输入噪声电压，

　　(4)前置放大器的输入噪声电流，

　　(5)高兆欧电阻器的热噪声。

　　通常用比探测率来衡量传感器的信噪比，则：

　　比探测率式中，——有效噪声值，也称为噪声电压密度。

　　下表所列为各噪声源及其所对应的噪声值。这些噪声值的叠加和就是有效噪声值。

表1 热电传感器的主要噪声源

　　表1中，A_v为电压增益。

　　理想状态下，热释电晶片与环境之间的热交换是热释电传感器唯一的噪声源．此即温度噪声。它决定了热释电情感器在室温下可达到的最高理论比探测率：

（6）

　　但在现实条件下，其他噪声源对热释电传感器的影响远大于温度噪声，图13所示为不同频率下，各噪声源对热释电传感器的影响。当频率小于10Hz时，有效噪声主要是高兆欧电阻器的热噪声频率在100Hz附近时，有效噪声主要是热释电元件的介电损耗噪声；当频率大于1000Hz时，有效噪声主要是前置放大器的电压噪声。

图13 噪声与频率的函数关系

  下面我们给出用BISS0001驱动探测器的电路装置图14：

图14

BISS0001是专门用来驱动热释电传感器的芯片，按照如图所示的接法，输出信号由IC1的VIN接收，我们只需要改变RL2和RT1的阻值，即可改变设备的响应时间和测量范围。这样人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。而JP1的位置就是控制的触发方式。可以分别短接2和3或者2和1达成。

a、不可重复触发方式:即感应输出高电平后，延时时间段一结束，输出将自动从高电平变成低电平；

b、可重复触发方式：即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平（感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点)。

现在我们来看一下如何使用传感器：

1. 感应模块通电后有一分钟左右的初始化时间，在此期间模块会间隔地输出0-3 次，一分钟后进入待机状态。
2. 应尽量避免灯光等干扰源近距离直射模块表面的透镜，以免引进干扰信号产生误动作 ；使用环境尽量避免流动的风，风也会对感应器造成干扰。

3. 感应模块采用双元探头，探头的窗口为长方形，双元（A 元 B 元）位于较长方向的两端，当人体从左到右或从右到左走过时,红外光谱到达双元的时间、距离有差值，差值越大，感应越灵敏，当人体从正面走向探头或从上到下或从下到上方向走过时，双元检测不到红外光谱距离的变化，无差值，因此感应不灵敏或不工作；所以安装感应器时应使探头双元的方向与人体活动最多的方向尽量相平行，保证人体经过时先后被探头双元所感应 。为了增加感应角度范围，本模块采用圆形透镜，也使得探头四面都感应，但左右两侧仍然比上下两个方向感应范围大、灵敏度强，安装时仍须尽量按以上要求。感应范围如图15所示：

图15

通常我们在淘宝市面上买到的传感器都有以下特点：

1、全自动感应:人进入其感应范围则输出高电平， 人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。

2、光敏控制（可选择，出厂时未设）可设置光敏控制，白天或光线强时不感应。
3、温度补偿(可选择，出厂时未设)：在夏天当环境温度升高至 30～32℃，探测距离稍变短，温度补偿可作一定的性能补偿。
4、 两种触发方式：（可跳线选择）
a、不可重复触发方式:即感应输出高电平后，延时时间段一结束，输出将自动从高电平变成低电平；
b、可重复触发方式：即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围 活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平（感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点)。
5、具有感应封锁时间(默认设置:2.5S 封锁时间)：感应模块在每一次感应输出后（高电平变成低电平），可以紧跟着设置一个封锁时间段，在此时间段内感应器不接受任何感应信号。此功能可以实现“感应输出时间”和“封锁时间”两者的间隔工作，可应用于间隔探测产品；同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。(此时间可设置在零点几秒—几十秒钟)。
6、 工作电压范围宽：默认工作电压 DC4.5V-20V。
7、 微功耗:静态电流<50 微安，特别适合干电池供电的自动控制产品。

8、 输出高电平信号：可方便与各类电路实现对接。

二·热释电传感器的使用与调试

上面已经说了热释电传感器的结构与原理，现在我们上手来使用一番。

之前说过电路中有两个可变电阻，那么就可以通过调节这两个电阻的阻值来改变传感器的状态。分别是延时调节和距离调节，请看图16：

图16

信号电压：图16中我们可以看到LH处的三个焊点，连接中间和上下两个中的一个可以触发不同的信号电压，如果是上两个的话，输出的电压信号就是低电压0V.也就是说平时没有人触发的时候输出信号为高5V，而有人来则是0V，产生下降沿信号。当连接的是下两个的话则为5V信号电压，当没人的时候是0V，有人过来变成5V。

延时调节：途中左边的电位器调节延时信号，如果你顺时针旋转，会让它的感应延时加长300秒，如果逆时针旋转，他会减短感应时间，大概变为500毫秒。这也就是说，当它检测到行人以后，输出的电压会变化成信号电压维持这么多的时间。

距离调节：顺时针旋转是增大感应距离，传感器的感应距离最大为7米，逆时针旋转会减小到3米。

外部电路接发：

在设计中我们可以直接利用传感器输出的高低电平来控制用电器通断电：

图17

如图17所示，当OUT输出高电平时，三极管导通，用电器J正常开启；而OUT输出为低电平时，三极管导通失败，J不工作。

图18

如图18所示，通过OUT输出电平来控制继电器的开关，有人则开，无人则关。我们就可以通过这个方式来控制220V灯的亮灭，控制一切上电启动的设备。

或者你可以直接连接单片机做逻辑信号处理。也是没有问题的。

三·调试与程序

由于信号单一，操作简单，所以本传感器就不上代码说明了。

四·传感器的妙用

图19

图19中的两个位置AB分别放上热释电传感器，一个调节距离到3m一个调节距离到7m这样根据先后触发的顺序逻辑可以判断人是否是从远端接近。这两个传感器之间并不会干扰，实测通过。本作者就是通过这种方式来判断人和门的距离的。

到这里你以为就结束了，错了，one more thing

我们下面来讲解，如何巧妙的控制传感器的的检测范围！

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重点来了~

上文提到过，这个传感器的检测范围是100°，那么我怎么控制检测的范围是45°呢？比如这样的场景：

图20

如图20所示，在墙上我们装了一个热释电传感器，它的检测范围是一个半径7m的圆圈（地挡住了一部分），我们现在要让他做到只检测左边半圆的部分，怎么做呢？

其实很简单，我们知道传感器的外壳上面有个类似苍蝇眼睛的结构，这个结构是扩大红外的散射面积，那么我们只需要遮挡一半的结构，那么就可以去掉一半的检测范围。如图21所示：

图21

由于这里我们只是拿来做实验，所以用了一张白纸做演示，实测可以达到效果。理论上是黑色不透光的物体遮挡会更好。这就要大家来检测效果了。

PS：检测的内部其实是一个发射头和一个接收头并列摆设的，所以你遮挡上面和下面的效果可能影响的范围有点儿不一样，大家要注意这个地方。