热释红外传感器

Posted 2020-10-09 积小流

PIR sensor(Passive Infra-Red sensor 被动红外传感器)，下文简称为 PIR。



PIR 的原理是「热释电效应」。这种介质的极化会随温度而改变，于是可以将温度变化信号转化成电荷信号。

人体是一个恒温的热源，发出的红外线会影响 PIR。人体进入 PIR 检测区，产生电荷信号，离开检测区后电荷又恢复平衡。

上面讲到，PIR 可以检测温度的变化、人体的移动，这里都是作一个动作的检测。而如果温度恒定不变或人体不移动，PIR 是检测不到的。

PIR sensor 的结构



滤光片的作用

人体温度 36~37，辐射出的波长在一定范围。滤光片可以只让这个波长范围的红外线
通过，使得 PIR sensor 只对人体敏感，而不受太阳、灯光等其它热源影响。

热电元件

热电元件的接受到红外线，温度变化，热释电元件的表面产生电荷密度变化。

为了抑制自身温度变化而产生的干扰，PIR 将两个热电元件反向串联或接成差动平衡电
路。而且，环境背景对这两个热电元件的影响几乎相同，其产生的释电效应相互抵消，
因而无信号输出。

人体经过时，人体外红辐射透过部分镜面聚焦，两片热电元件接收的辐射不同，产生的
热电释不同，不能相互抵消。



场效应管

热电元件只能产生电荷信号，经过场效应管完成阻抗变化，变电压信号。

菲涅尔透镜

上面介绍完的 PIR 只能检测到距离有限。如果在外面加上一个菲涅尔透镜，把外部的光线会聚到 PIR 上，增加进光量，则可大大增加 PIR 的检测距离和角度。

同时，通过控制菲涅耳透鏡内部的角度，可以控制焦距，制作出检测距离不同的 PIR。

做完这些工作之后，有了一定的检测距离和角度。但是人体必须经过整个检测区域才能产生两次变化（进入检测区和离开检测区）。我们希望能够检测到更小幅度的移动，捕获更多的变化信号。在菲涅尔透镜上做点变化，把检测区分成若干个小格，间隔的区域会把光反射出去。这样整个检测区就变成若干个相邻的灵敏区和盲区。当人体移动时，会经过一个灵敏区，又进入一个盲区…… 最后产生连续的脉冲信号。





总结一下，菲涅尔透镜的两个作用：

1. 聚焦，把红外信号会取到 PIR 上，控制检测距离和角度
2. 将检测区分隔成交替的灵敏区和盲区，增加检测灵敏度

后级放大电路

PIR 输出的电压信号太微弱，需经过放大电路，过滤掉噪声干扰，提取有用的信号放大。

后级放大电路包括：带通滤波、两级高增益放大、比较电路。

最终输出信号的频率，有几个影响的因素：

1. 人体移动速度
2. 光学焦距
3. 传感器敏感元件面积
4. 人体与传感器的距离

最终输出信号的频率约为 0.1~8Hz 。

应用

• 红外报警器
• 红外迎宾器
• 红外线自动门感应器

小结

优点：

功耗小、价格低廉

缺点：

1. 易受其它热源干扰
2. 被动红外穿透性差，人体红外容易被遮挡
3. 受射频辐射干扰
4. 环境温度和人体接近时，探测灵敏度明显下降

安装要求：

1. 距离地面 2~2.2 米
2. 远离空调、冰箱、火炉等温度易变化的地方
3. 不要对着窗外，否则窗外的热气流扰动或人员走动会引起误报

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参考链接

• 热释电人体红外传感器的原理和应用
• How PIRs Work
• Passive infrared sensor