人体热释电红外传感器PIR原理.docx
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人体热释电红外传感器PIR原理
1.人体热释电红外传感器PIR原理详解
在电子防盗、人体探测器领域中,被动式热释电红外探测器的应用特别广泛,因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎、
被动式热释电红外探头的工作原理及特性:
人体都有恒定的体温,一般在37度,因此会发出特定波长10μm左右的红外线,被动式红外探头就是靠探测人体发射的10μm左右的红外线而进行工作的。
人体发射的10μm左右的红外线通过菲涅尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。
红外感应源通常采纳热释电元件,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、
(1)这种探头是以探测人体辐射为目标的。
因此热释电元件对波长为10μm左右的红外辐射必须特别敏感。
(2)为了仅仅对红外辐射敏感,在它的辐射照面通常覆盖有特别的菲涅尔滤光片,使环境的干扰受到明显的控制作用、
(3)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,因此探测器无信号输出、
(4)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,然而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。
(5)菲涅尔滤光片依照性能要求不同,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。
被动式热释电红外探头的优缺点:
优点:
本身不发任何类型的辐射,器件功耗特别小,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。
抗干扰性能:
1、防小动物干扰
探测器安装在推荐地使用高度,对探测范围内地面上地小动物,一般不产生报警。
2、抗电磁干扰
探测器的抗电磁波干扰性能符合GB10408中4、6。
1要求,一般手机电磁干扰可不能引起误报。
3、抗灯光干扰
探测器在正常灵敏度的范围内,受3米外H4卤素灯透过玻璃照射,不产生报警、
红外线热释电传感器的安装要求:
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特别大、热释电红外传感器关于径向移动反应最不敏感, 而关于横切方向(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幸免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环。
2.菲涅尔透镜
2.1概述
菲涅尔透镜多是由聚烯烃材料注压而成的薄片,镜片表面一面为光面,另一面刻录了由小到大的同心圆。
菲涅尔透镜的在特别多时候相当于红外线及可见光的凸透镜,效果较好,但成本比普通的凸透镜低特别多。
菲涅尔透镜可依照光学设计或结构进行分类、菲涅尔透镜作用有两个:
一是聚焦作用;二是将探测区域内分为若干个明区和暗区,使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR(被动红外线探测器)上产生变化热释红外信号、
2.2作用
菲涅尔透镜利用透镜的特别光学原理,在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”,以提高它的探测接收灵敏度。
当有人从透镜前走过时,人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区",如此就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入,从而强其能量幅度。
菲涅尔透镜
菲涅尔透镜,简单的说就是在透镜的一侧有等距的齿纹,通过这些齿纹,能够达到对指定光谱范围的光带通(反射或者折射)的作用。
传统的打磨光学器材的带通光学滤镜造价昂贵。
菲涅尔透镜能够极大的降低成本、
典型的例子就是PIR。
PIR广泛的用在警报器上。
假如您拿一个看看,您会发现在每个PIR上都有个塑料的小帽子。
这就是菲涅尔透镜。
小帽子的内部都刻上了齿纹。
这种菲涅尔透镜能够将入射光的频率峰值限制到10微米左右(人体红外线辐射的峰值)。
菲涅耳透镜能够把透过窄带干涉滤光镜的光聚焦在硅光电二级探测器的光敏面上,菲涅尔透镜不能用任何有机溶液(如酒精等)擦拭,除尘时可先用蒸馏水或普通净水冲洗,再用脱脂棉擦拭、
3.HowInfraredmotion detectorponentswork
InfraredRadiation_____________
Infrared radiationexistsin theelectromagneticspectrumatawavelengththatislongerthanvisiblelight、 It cannotbeseenbutitcanbedetected、Objects thatgenerateheatalsogenerateinfraredradiationand those objects includeanimalsandthehuman bodywhoseradiationisstrongestatawavelengthof9。
4um、 Infraredinthis range willnotpassthrough many typesofmaterialthatpass visible lightsuchasordinarywindow glassandplastic。
Howeveritwillpass through, withsomeattenuation,materialthat isopaqueto visiblelightsuch asgermanium and silicon、 Anunprocessed siliconwafermakesagoodIR window inaweatherproofenclosure foroutdoor use、 It alsoprovidesadditional filteringforlight inthevisiblerange。
9、4uminfraredwill alsopass throughpolyethylene which isusuallyusedtomakeFresnellensesto focusthe infarared onto sensorelements。
Pyroelectric Sensors_____________
Thepyroelectricsensorismadeofacrystallinematerialthat generatesasurface electricchargewhenexposedtoheatintheformofinfraredradiation、Whentheamountofradiation strikingthecrystal changes,theamountofcharge alsochangesandcanthenbemeasuredwith asensitiveFETdevicebuilt intothesensor、The sensorelementsaresensitive toradiationover awiderangesoafilter windowis addedtothe TO5 packageto limitdetectable radiationtothe8 to14mmrangewhichismost sensitivetohuman bodyradiation、
Typically,the FETsourceterminalpin2connects throughapulldownresistorofabout 100Ktoground and feedsintoatwostage amplifierhavingsignalconditioningcircuits、Theamplifier is typically bandwidthlimitedto below10Hztoreject highfrequency noise and isfollowed bya windowparator thatrespondstoboththe positiveandnegative transitionsofthe sensor outputsignal、 A wellfilteredpowersourceof from3to15volts should beconnected to theFET drain terminalpin 1、
ThePIR325sensorhastwosensingelements connectedinavoltagebuckingconfiguration、This arrangementcancelssignalscausedbyvibration, temperature changesandsunlight、A bodypassinginfrontof thesensorwill activate first oneandthentheotherelementwhereasother sources will affectbothelements simultaneouslyandbecancelled、Theradiationsourcemustpass acrossthesensorinahorizontaldirection whensensorpins1 and 2are on ahorizontalplane so that theelements aresequentiallyexposedtotheIRsource、Afocusingdeviceisusuallyusedin frontof thesensor
The figure below shows thePIR325electrical specificationsandlayoutinitsTO5package。
Note the wideviewingangle without an external lens、
Thisisa typical applicationcircuitthatdrivesa relay、R10andC6adjustthe amountoftimethatRY1remainsenergizedafter motionisdetected、Download PDFdrawing、
Fresnel Lens_____________
AFresnel lens(pronounced Frennel)isaPlanoConvex lensthathasbeen collapsedonitselfto forma flatlensthat retainsitsoptical characteristics but ismuchsmallerinthicknessandtherefore has lessabsorption losses、
Our FL65Fresnellens is madeofan infraredtransmittingmaterialthathas anIRtransmissionrangeof 8 to14umwhichismostsensitivetohumanbody radiation。
It isdesigned tohave itsgroovesfacing the IRsensingelementsothatasmoothsurfaceis presentedto thesubjectsideofthelens whichis usually the outsideofanenclosure that housesthesensor。
Thelens elementisroundwithadiameterof1inchandhas aflange thatis1。
5inches square、Thisflange isused formounting thelensinasuitableframeorenclosure、 Mounting canbestandmosteasilybedonewithstripsofScotchtape、Siliconerubbercanalsobeusedifit overlapstheedges to forma captivemount、
TheFL65hasafocal length of0、65 inchesfrom the lenstothesensingelement、It has been determined by experiment tohaveafieldof viewof approximately 10 degrees when usedwithaPIR325Pyroelectric sensor、
Thisrelatively inexpensive and easy touse PyroelectricSensorand FresnelLenscanbeusedinavariety ofscienceprojects,robots andotherusefuldevices。
3.1Focusing devicesforpyroelectric infraredsensors
A.1PyroelectricinfraredsensorsA.2Firstwe willlookata pyroelectric infraredsensorandseehowit is madeandwhyafocusingdevice isnecessary。
Amonly usedpyroelectricinfrared sensor has two sensingelementsinternallyconnectedina voltagebucking configuration、
Apyroelectric sensorhasaninfrared filter windowthatadmits IR withinthe 5to 15micrometer wavelength range、Oneendofthetwoseries-connectedelementsinananalogsensorisconnected to pin 3 thatisnormallygrounded、Theother endconnectsinternally tothegateof a FieldEffectTransistorandtoavery highvaluepulldownresistor、 Power is applied to FET drainpin1and the output signalesfromFETsourcepin2whichusuallyconnectsthrough an externalpulldownresistorto groundandtoan amplifier、Adigitalsensor notshownhere, includes internal processingcircuits andoutputs digitalpulses。
A.3The sensoris housedinaTO5 type package、Sensingelements areeach0。
039inch(1mm) wideandarespaced 0。
039inch(1mm)apart。
A.4Environmentalconditions such as temperaturechanges andsunlightwillaffectboth elements simultaneouslyand willproducethesameamountofoutputfromeachelement but ofopposing polarityand willtherefore becancelled、 Thesensorwill only produceachange initsoutputvoltagewhenone ofitselementsis exposed to achangeinradiation and the otheris not exposed、
AnIRemittingbodymovingacrossthefrontof asensor willexposefirstone,then bothandthentheothersensor element、
The output signalwaveformfromananalogsensorshowsthatformotionin onedirection,firstapositive, thenzeroand then anegative transitionresults、Motionintheotherdirectionwillproducefirstanegative,thenzero andthena positive transition、
A.5Whenalensisnotusedin frontofa sensorand an IR emittingbodyisclosetothesensor,about3or4feetanditmovesacrossthefrontofthe sensor, theradiatedIR willexposeoneelementmorethantheotherand a voltage output willresult、However,whentheIRemittingbody isfurtherawayfromthesensoritsradiationpatternbeesblurredandbothelementsare exposed more equally,resultinginnovoltageoutput、Thelimiteddetectionrangeisdueto a lackof unequal exposure。
Placingalensin frontofthe sensorextendsitsdetectionrange、
A.6TheFresnellensA.7A Fresnellensis aPlanoConvexlens that hasbeencollapsedon itselftoformaflatlensthatretainsitsopticalcharacteristics butismuchthinner andtherefore haslessabsorptionloss、
A Fresnel lensis usuallythin and flexibleandisabout 0。
015 inch(0、38mm) thickwithgrooves moldedintoonesurface、Thegroovesideofthelens usuallyfaces thePIRsensor、
A FresnellensbothcapturesmoreIRradiation andfocusesittoasmall point、Thisfocal point moves across thesensor asthe IRsourcemovesand exposesoneelementata time、AFresnellens canextenddetection rangetoabout100feet。
AFresnellenswillgivethe bestpossibleperformance,howeverotherdevicescanbe used to extendrange、 Although thefollowingdevices maynotfitthedescription ofalens,we willcallthem lensesanyway、
This diagramshowsIRexposingboth elementsequallywhenno lensisused。
Shadowlens
Sincesimultaneousexposureof bothelements isthe cause oflimiteddetectionrange,all weneedissomemethodofpreventing the IRfromexposingbothelementssimultaneouslyastheIRemittingbodymovesacrossthefrontofthe sensor, even
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