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熱釋電紅外傳感器的原理與應用

作者:普恩科技來源:普恩科技瀏覽:3195時間:2014-09-22 18:58:18字體:[ ]
 

紅外傳感器原理及應用


熱電型(熱釋)紅外傳感器原理

紅外線傳感器的分類

紅外線傳感器依動作可分為:
 (1)
將紅外線一部份變換為熱,藉熱取出電阻值變化及電動勢等輸出信號之熱型。
 (2)
利用半導體遷徙現象吸收能量差之光電效果及利用因PN 接合之光電動勢效果的量子型。
 
熱型的現象俗稱為焦熱效應,其中最具代表性者有測輻射熱器 (Thermal Bolometer),熱電堆(Thermopile)及熱電(Pyroelectric)元件。熱型及量子型的一般特征如表1 所示,在此僅就熱型之熱電型紅外線傳感器加以說明。也叫熱釋紅外線傳感器.

 

優點

缺點

熱型

 

常溫動作

波長依存性(波長不同

感度有很大之變化者)

并不存在

便宜

感度低

響應慢(mS 之譜)

 

量子型

 

感度高

響應快速(μS 之譜)

必須冷卻(液體氮氣)

有波長依存性

價格偏高

            1 紅外線熱型、量子型比較

此傳感器特別是利用遠紅外線范圍的感度做為人體檢出用,如圖1所示紅外線的波長比可見光長而比電波短。紅外線讓人覺得只由熱的物體放射出來,可是事實上不是如此,凡是存在于自然界的物體,如人類、火、冰等等全部都會射出紅外線,只是其波長因其物體的溫度而有差異而已。例如圖1 中,人體的體溫約為3637℃,所放射出峰值為910μm遠紅外線,另外加熱至400700℃的物體,可放射出峰值為35μm 的中間紅外線。
 

                           
1 溫度不同紅外線波長的差異
 
紅外線傳感器系可以檢出這些物體所發射之各種紅外線(溫度)的感知器。
 
 熱電型紅外線傳感器特征
 
熱電型紅外線傳感器系利用熱電效果,其材料則使用強介質陶瓷體 (Dielectric Ceramic),鉭酸鋰(LiTaO3)等單結晶及PVDF 等有機材料,
 
熱電型紅外線傳感器具有下列幾項特征:
 (1)
由于系檢知從物體放射出出來的紅外線,所以不必直接接觸就能夠感知物體表面的溫度,故人體檢知以及移動中物體的溫度當然均能以非接觸之方式測得。
 (2)
熱電型紅外線傳感器系接受檢知對象物所發出的紅外線,因此是被動型[請參照圖2(a)],由于不是圖(b)所示的主動型,所以并不需要校對投光器、受光器之光軸等煩瑣的作業。
 

                  (a)被動型                                      (b)主動型
                                       
  

                                    圖2人體檢知的方法

(3) 熱電效果系溫度變化而產生的,這將在稍后說明之,因此只接受因溫度變化之能量(Energy),而熱電型紅外線傳感器將電壓微分而輸出之。
 
 
熱電型紅外線傳感器原理
 
首先介紹熱電效果,如圖3 所示,感知組件系使用PZT(鈦酸鋯酸鉛系陶瓷體)強介質陶瓷體,在感知組件施加高壓電(3KV5KV/mm)而分極之,藉這種方法,組件表面顯現的正負電荷會和空氣中相反之電荷結合而呈電氣中和狀,如圖2-24 所示。當組件的表面溫度變化時, 感知組件分極的大小會隨著溫度變化而變化,因此穩定時之電荷中和狀態就崩潰,而感知組件表面電荷與吸著雜散電荷的緩和時間不同,所以會形成電氣上的不平衡,而產生沒有配對的電荷,如圖3(b)所示。 像這種因溫度變化而產生電荷的現象稱為熱電效果,設若產生之電荷為Δθ,溫度變化為ΔT,則ΔθΔT=λ(庫侖/℃),就是熱電 系數。實際上的傳感器到底是如何利用熱電效果呢?請參考傳感器內部構造及本文之解說,圖4 所示系熱電型紅外線傳感器的構造。
 

     (a)
穩定時(T)K                                     (b)溫度剛變化之后(T+ΔT)K
                         

                           

                                圖3熱電型紅外線傳感器的原理

 


           4 熱電型紅外線傳感器的內部構造
 (1)
各種波長的紅外線射入傳感器。
 (2)
組件頂端之入射窗以濾光鏡(Filter)覆蓋著,只讓必要的紅外線通過,而將不要的紅外線隔絕。
 (3)
位于感知組件表面的熱吸收膜會將紅外線變換成熱。
 (4)
感知組件的表面溫度上升,因熱電效果之故,就產生表面電荷。
 (5)
產生的表面電荷以FET 放大且變換阻抗。
 (6)
從漏極(Drain)供給FET 動作所需的電壓。
 (7)
放大后的電氣信號會于外部所接的源極地端之電阻上顯現出來,而與偏壓重迭之后取出。 

熱電型(熱釋)紅外傳感器應用:
 (1)
可作為入侵警報器(Intrusion detector)
 (2)
移動偵測器(Motion sensing)
 (3)
自動照明(Automatic light control)
 (4)
自動門控制(Automatic door control)

熱電型(熱釋)紅外傳感器特性:

項 目

最小

典型

最大

單位

測試條件

檢驗型式

雙組件型

 

 

 

 

響 應

2300

2800

3300

V/W

8~14μm/1Hz

噪 音

 

 

 

 

25℃/.3~10Hz

飄移電壓

0.2

0.6

1.5

V

Rs=47KΩ

輸出阻抗

 

 

10

 

操作溫度

 

-40~70

 

ΔT<5℃/min

操作電壓

3

 

15

V

直流

操作電流

4

20

50

μA

 

 

熱電型(熱釋)紅外傳感器應用電路:

人體焦耳式體溫感測

焦耳式體溫傳感器,由于靜電效應輸出阻抗很高,因此基板之一側連接一FET 作為阻抗匹配的電壓隨耦器,工作時需加直流于D極和極。
 
當人體接近感知器時,在源極(S)端感應一脈沖信號,送至運算放大器做一正向放大器。調整VR1MΩ,可改變輸出的放大倍數。

熱電型(熱釋)紅外傳感器使用注意
 (1)
使用聚熱組件時如CMOS等,應防止靜電感應破壞組件。
 (2)
避免使用于溫度改善在3℃/分(3℃minute)以上之場所。
 (3)
僅量避免手指接觸傳感器之偵測壁,必要時可用棉花沾酒精擦拭。

 

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