《感測技術》課程設計
題目： 熱釋電體溫計
學號姓名
老師： 袁新娣
時間： 2023年11月28日
熱釋電紅外(pir)感測器，亦稱為熱紅外感測器，是一種能檢測人體發射的紅外線的新型高靈敏度紅外探測元件。它能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線能量的變化，並將其轉換成電壓訊號輸出。將輸出的電壓訊號加以放大，便可驅動各種控制電路，如作電源開關控制、防盜防火報警等。
目前市場上常見的熱釋電人體紅外線感測器主要有上海賽拉公司的sd02、ph5324，德國perkinelmer 公司的lhi954、lhi958，美國hamastsu公司的p2288，日本nippon ceramic公司的sca02-1、rs02d等。雖然它們的型號不一樣，但其結構、外型和特性引數大致相同，大圖1 熱釋電感測器實物圖
部分可以彼此互換使用。
(1) 探測元
熱釋電紅外線感測器由探測元、濾光窗和場效電晶體阻抗變換器等三大部分組成，如圖1所示。對不同的感測器來說，探測元的製造材料有所不同。如sd02的敏感單元由鋯鈦酸鉛製成；p2288由litao3 製成。
將這些材料做成很薄的薄片，每一片薄片相對的兩面各引出一根電極，在電極兩端則形成乙個等效的小電容。因為這兩個小電容是做在同一矽晶元上的，因此形成的等效小電容能自身產生極化，在電容的兩端產生極性相反的正、負電荷。感測器中兩個電容是極性相
反串聯的。
當感測器沒有檢測到人體輻射出的紅外線訊號時，在電容兩端產生極性相反、電量相等的正、負電荷，所以，正負電荷相互抵消，迴路中無電流，感測器無輸出
當人體靜止在感測器的檢測區域內時，照射到兩個電容上的紅外線光能
能量相等，且達到平衡，極性相反、能圖2 雙探測元熱釋電紅外感測器
量相等的光電流在迴路中相互抵消，感測器仍然沒有訊號輸出。
當人體在感測器的檢測區域內移動時，照射到兩個電容上的紅外線能量不相等，光電流在迴路中不能相互抵消，感測器有訊號輸出。綜上所述，感測器只對移動或運動的人體和體溫近似人體的物體起作用。
(2)濾光窗
濾光窗是由一塊薄玻璃片鍍上多層濾光層薄膜而成的，能夠有效地濾除7.0~14um波長以外的紅外線。人體的正常體溫為36~37.
5℃，即309~310.5k，其輻射的最強的紅外線的波長為λm=2989/（309~310.5）=9.
67~9.64um，中心波長為9.65um，正好落在濾光窗的響應波長的中心。
所以，濾光窗能有效地讓人體輻射的紅外線通過，而最大限度地阻止陽光、燈光等可見光中的紅外線的通過，以免引起干擾。
熱釋電紅外感測器在結構上引入場效電晶體的目的在於完成阻抗變換。由於探測元輸出的是電荷訊號，不能直接使用，因而需要將其轉換為電壓形式。場效電晶體輸入阻抗高達104mω，接成共漏極形式來完成阻抗變換。
使用時d端接電源正極，g端接電源負極，s端為訊號輸出。
對於移動速度非常緩慢的物體，如陽光，兩個電容上的紅外線光能能量仍然可以看作是相等的，在迴路中相互抵消；再加上感測器的響應頻率很低(一般為0.1~10hz)，即感測器對紅外光的波長的敏感範圍很窄(一般為5~15um)，因此，感測器對它們不敏感，因而無輸出。
被動式紅外報警器主要由光學系統、熱釋電紅外感測器、訊號濾波和放大、訊號處理和報警電路等幾部分組成，其結構框圖如圖2所示。圖中，菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學原理，在探測器前方產生乙個交替變化的「盲區」和「高靈敏區」，以提高它的探測接收靈敏度。當有人從透鏡前走過時，人體發出的紅外線就不斷地交替從「盲區」進入「高靈敏區」，這樣就使接收到的紅外訊號以忽強忽弱的脈衝形式輸入，從而加強其能量幅度。
熱釋電紅外感測器是報警器設計中的核心器件，它可以把人體的紅外訊號轉換為電訊號以供訊號處理部分使用；訊號處理主要是把感測器輸出的微弱電訊號進行放大、濾波、延遲、比較，為報警功能的實現打下基礎。
圖3 報警器結構圖
圖4紅外線感測器
報警器結構圖是將待測目標、菲涅爾透鏡、熱釋電紅外感測器相結合使用時的工作原理示意圖。人體輻射的紅外線中心波長為9~10um，而探測元件的波長靈敏度在0.2~20um範圍內幾乎穩定不變。
在感測器頂端開設了乙個裝有濾光鏡片的視窗，這個濾光片可通過光的波長範圍為7~10um，正好適合於人體紅外輻射的探測，而對其它波長的紅外線由濾光片予以吸收，這樣便形成了一種專門用作探測人體輻射的紅外線感測器。如圖4所示。
（3）、菲涅爾透鏡
菲涅爾透鏡多是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，鏡片表面一面為光面，另一面燒錄了由小到大的同心圓。菲涅爾透鏡的在很多時候相當於紅外線及可見光的凸透鏡，效果較好，但成本比普通的凸透鏡低很多。菲涅爾透鏡可按照光學設計或結構進行分類。
菲涅爾透鏡作用有兩個：一是聚焦作用；二是將探測區域內分為若干個明區和暗區，使進入探測區域的移動物體能以溫度變化的形式在pir（被動紅外線探測器）上產生變化熱釋紅外訊號。
菲涅爾透鏡作用：菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學原理，在探測器前方產生乙個交替變化的「盲區」和「高靈敏區」，以提高它的探測接收靈敏度。當有人從透鏡前走過時，人體發出的紅外線就不斷地交替從「盲區」進入「高靈敏區」，這樣就使接收到的紅外訊號以忽強忽弱的脈衝形式輸入，從而強其能量幅度。
菲涅爾透鏡，簡單的說就是在透鏡的一側有等距的齒紋，通過這些齒紋，可以達到對指定光譜範圍的光帶通(反射或者折射)的作用。傳統的打磨光學器材的帶通光學濾鏡造價昂貴。菲涅爾透鏡可以極大的降低成本。
典型的例子就是pir。pir廣泛的用在警報器上。如果你拿乙個看看，你會發現在每個pir上都有個塑料的小帽子。
這就是菲涅爾透鏡。小帽子的內部都刻上了齒紋。這種菲涅爾透鏡可以將入射光的頻率峰值限制到10微公尺左右（人體紅外線輻射的峰值）。
菲涅耳透鏡可以把透過窄帶干涉濾光鏡的光聚焦在矽光電二級探測器的光敏面上，菲涅爾透鏡不能用任何有機溶液(如酒精等)擦拭，除塵時可先用蒸餾水或普通淨水沖洗，再用脫脂棉擦拭。
2、被動式熱釋電紅外探頭的優缺點：
優點：本身不發任何型別的輻射，器件功耗很小，隱蔽性好。**低廉。
缺點：◆容易受各種熱源、光源干擾
◆被動紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收。
◆易受射頻輻射的干擾。
◆環境溫度和人體溫度接近時，探測和靈敏度明顯下降，有時造成短時失靈。
抗干擾性能：
◆防小動物干擾
探測器安裝在推薦地使用高度，對探測範圍內地面上地小動物，一般不產生報警。
◆ 抗電磁干擾
探測器的抗電磁波干擾效能符合gb10408中4.6.1要求，一般手機電磁干擾不會引起誤報。
◆ 抗燈光干擾
探測器在正常靈敏度的範圍內，受3公尺外h4鹵素燈透過玻璃照射，不產生報警。
紅外線熱釋電感測器的安裝要求：
紅外線熱釋電人體感測器只能安裝在室內，其誤報率與安裝的位置和方式有極大的關係，正確的安裝應滿足下列條件：
◆ 紅外線熱釋電感測器應離地面2.0-2.2公尺。
◆ 紅外線熱釋電感測器遠離空調, 冰箱，火爐等空氣溫度變化敏感的地方。
◆紅外線熱釋電感測器探測範圍內不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔離物。
◆ 紅外線熱釋電感測器不要直對視窗，否則窗外的熱氣流擾動和人員走動會引起誤報，有條件的最好把窗簾拉上。紅外線熱釋電感測器也不要安裝在有強氣流活動的地方。
紅外線熱釋電感測器對人體的敏感程度還和人的運動方向關係很大。熱釋電紅外感測器對於徑向移動反應最不敏感, 而對於橫切方向 (即與半徑垂直的方向)移動則最為敏感. 在現場選擇合適的安裝位置是避免紅外探頭誤報、求得最佳檢測靈敏度極為重要的一環。
3、 lcd12864顯示屏
下圖7為lcd12864的管腳
4、a/d轉換器
a/d轉換器的概述 ：將模擬訊號轉換成數碼訊號的電路，稱為模數轉換器（簡稱a/d轉換器或adc,analog to digital converter），a/d轉換的作用是將時間連續、幅值也連續的模擬量轉換為時間離散、幅值也離散的數碼訊號，因此，a/d轉換一般要經過取樣、保持、量化及編碼4個過程。在實際電路中，這些過程有的是合併進行的，例如，取樣和保持，量化和編碼往往都是在轉換過程中同時實現的。
如圖8 所示
圖8 a/d轉換器的工作原理
主要介紹以下三種方法：逐次逼近法、雙積分法、電壓頻率轉換法
最小系統
對51系列微控制器來說,最小系統一般應該包括:微控制器、晶振電路、復位電路下面給出乙個51微控制器的最小系統電路圖 ；如12所示：
圖11最小系統原理圖
微控制器系統正常工作的保證，如果振盪器不起振，系統將會不能工作；假如振盪器執行不規律，系統執行程式的時候就會出現時間上的誤差，這在通訊中會體現的很明顯：電路將無法通訊。他是由乙個晶振和兩個瓷片電容組成的，x1和x2分別接微控制器的x1和x2，晶振和瓷片電容是沒有正負的，注意兩個瓷片電容相連的那端一定要接地。
圖12振盪器
給微控制器乙個復位訊號（乙個一定時間的低電平）使程式從頭開始執行；一般有兩中復位方式：上電復位，在系統一上電時利用電容兩端電壓不能突變的原理給系統乙個短時的低電平；手動復位，同過按鈕接通低電平給系統復位。
圖13復位電路
四、 探測裝置
紅外輻射非接觸測溫儀一般都包括以下幾個部分：光學聚焦系統、紅外感測器、訊號處理電路、溫度指示機構和一些附屬裝置．圖2為非接觸測溫儀的工作原理圖?．它的光學系統為乙個固定焦距的透射系統．物鏡一般為鍺或矽透鏡．安裝時保證使紅外感測器的光敏面落在透鏡的焦點上．待測物體的紅外輻射經光學系統聚焦後經過調製器和濾光片會聚在探測器上．熱釋電感測器將紅外輻射變換為電訊號輸出。
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