【儀器儀表商情網(wǎng) 技術(shù)分析】早期市場(chǎng)上出現(xiàn)的熱釋電人體紅外線傳感器主要有上海產(chǎn)的SD02、PH5324，德國(guó)產(chǎn)的LH1954、LH1958，美國(guó)HAMAMATSU公司產(chǎn)P2288，日本NIPPON CERAMIC公司的SCA02-1、RS02D等。雖然它們的型號(hào)不一樣，但其結(jié)構(gòu)、外型和電參數(shù)大致相同，大部分可以彼此互換使用。

熱釋電人體紅外線傳感器（以下簡(jiǎn)稱：傳感器）由敏感單元、阻抗變換器和濾光窗等三大部分組成。圖1為P2288、SD02、SCA02-1的外形圖。頂視圖，其中較大的矩形部分為濾光窗，兩個(gè)虛線框矩形為敏感單元，面積約2x1mm2 ，間距1mm。圖1為側(cè)視圖；底視圖；它們的監(jiān)視、探測(cè)角度如圖1，d，其中參數(shù)為SCA02-1的數(shù)據(jù)，其它兩種的參數(shù)大致相同。

圖1

1、敏感單元

其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1。對(duì)不同的傳感器來說，敏感單元的制造材料有所不同。如，SD02的敏感單元由鋯鈦酸鉛制成；P2288由LiTaO3 制成。這些材料再做成很薄的薄片，每一片薄片相對(duì)的兩面各引出一根電極，在電極兩端則形成一個(gè)等效的小電容 ，圖中的P1、P2。因?yàn)檫@兩個(gè)小電容是做在同一硅晶片上的，而它們形成的等效小電容能自身產(chǎn)生極化，極化的結(jié)果是，在電容的兩端產(chǎn)生極性相反的正、負(fù)電荷。但這兩個(gè)電容的極性是相反串聯(lián)的。這正是傳感器的獨(dú)特設(shè)計(jì)之處，因而使得它具有獨(dú)特的抗干擾性。

它是由一塊薄玻璃片鍍上多層濾光層薄膜而成的，如圖1中的M，濾光窗能有效地濾除7.0~14um波長(zhǎng)以外的紅外線。例如，SCA02-1對(duì)7.5~14um波長(zhǎng)的紅外線的穿透量為70%，在6.5um處時(shí)下降為65%，而在5.0um處時(shí)陡降為0.1%；P2288的響應(yīng)波長(zhǎng)為6~14um，中心波長(zhǎng)為10um。

菲涅爾透鏡 不使用菲涅爾透鏡時(shí)傳感器的探測(cè)半徑不足2米，只有配合菲涅爾透鏡使用才能發(fā)揮最大作用。配上菲涅爾透鏡時(shí)傳感器的探測(cè)半徑可達(dá)到10米。例如，一些傳感器對(duì)遠(yuǎn)在20米處快速行駛的汽車?yán)锏娜梭w也能可靠地檢測(cè)到。菲涅爾透鏡采用塑料片制作而成。圖2為它的平面圖。從圖2中可以看出，透鏡在水平方向上分寸成3個(gè)部分，每一部分在豎直方向上又等分成若干不同的區(qū)域。最上面部分的每一等份為一個(gè)透鏡單元，它們由一個(gè)個(gè)同心圓構(gòu)成，同心圓圓心在透鏡單元內(nèi)。中間和下半部分的每一等份也為分別一個(gè)透鏡單元，同樣由同心圓構(gòu)成，但同心圓圓心不在透鏡單元內(nèi)。當(dāng)光線通過這些透鏡單元后，就會(huì)形成明暗相間的可見區(qū)和盲區(qū)。由于每一個(gè)透鏡單元只有一個(gè)很小的視角，視角內(nèi)為可見區(qū)，視角外為盲區(qū)。任何兩個(gè)相鄰?fù)哥R單元之間均以一個(gè)盲區(qū)和可見區(qū)相間隔，它們斷續(xù)而不重疊和交叉，如圖2a。這樣，當(dāng)把透鏡放在傳感器正前方的適當(dāng)位置時(shí)，運(yùn)動(dòng)的人體一旦出現(xiàn)在透鏡的前方，人體輻射出的紅外線通過透鏡后在傳感器上形成不斷交替變化的陰影區(qū)（盲區(qū)）和明亮區(qū)（可見區(qū)），使傳感器表面的溫度不斷發(fā)生變化，從而輸出電信號(hào)。也可以這樣理解，人體在檢測(cè)區(qū)內(nèi)活動(dòng)時(shí)，一離開一個(gè)透鏡單元的視場(chǎng)，又會(huì)立即進(jìn)入另一個(gè)透鏡單元的視場(chǎng)，（因?yàn)橄噜復(fù)哥R單元之間相隔很近），傳感器上就出現(xiàn)隨人體移動(dòng)的盲區(qū)和可見區(qū)，導(dǎo)致傳感器的溫度變化，而輸出電信號(hào)。

當(dāng)傳感器沒有檢測(cè)到人體輻射出的紅外線信號(hào)時(shí)， 由于P1、P2自身產(chǎn)生極化，在電容的兩端產(chǎn)生極性相反、電量相等的正、負(fù)電荷，而這兩個(gè)電容的極性是相反串聯(lián)的，所以，正、負(fù)電荷相互抵消，回路中無電流，傳感器無輸出。

當(dāng)人體靜止在傳感器的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)時(shí)，照射到P1、P2上的紅外線光能能量相等，且達(dá)到平衡，極性相反、能量相等的光電流在回路中相互抵消。傳感器仍然沒有信號(hào)輸出。同理，在燈光或陽光下，因陽光移動(dòng)的速度非常緩慢，P1、P2上的紅外線光能能量仍然可以看作是相等的，且在回路中相互抵消；再加上傳感器的響應(yīng)頻率很低（一般為0.1~10Hz），即傳感器對(duì)紅外光的波長(zhǎng)的敏感范圍很窄（一般為5~15um），因此，傳感器對(duì)它們不敏感。

當(dāng)環(huán)境溫度變化而引起傳感器本身的溫度發(fā)生變化時(shí)，因P1、P2做在同一硅晶片上的，它所產(chǎn)生的極性相反、能量相等的光電流在回路中仍然相互抵消，傳感器無輸出。

從原理上講，任何發(fā)熱體都會(huì)產(chǎn)生紅外線，熱釋電人體紅外線傳感器對(duì)紅外線的敏感程度主要表現(xiàn)在傳感器敏感單元的溫度所發(fā)生的變化，而溫度的變化導(dǎo)致電信號(hào)的產(chǎn)生。環(huán)境與自身的溫度變化由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了它不向外輸出信號(hào)；而傳感器的低頻響應(yīng)（一般為0.1~10Hz）和對(duì)特定波長(zhǎng)紅外線（一般為5~15um）的響應(yīng)決定了傳感器只對(duì)外界的紅外線的輻射而引起傳感器的溫度的變化而敏感，而這種變化對(duì)人體而言就是移動(dòng)。所以，傳感器對(duì)人體的移動(dòng)或運(yùn)動(dòng)敏感，對(duì)靜止或移動(dòng)很緩慢的人體不敏感；它可以抗可見光和大部分紅外線的干擾。

2、濾光窗 

物體發(fā)射出的紅外線輻射能，最強(qiáng)波長(zhǎng)和溫度的關(guān)系滿足λm*T=2989（um.k）（其中λm為最大波長(zhǎng)，T為絕對(duì)溫度）。人體的正常體溫為36~37.5。C ，即309~310.5K，其輻射的最強(qiáng)的紅外線的波長(zhǎng)為λm=2989/（309~310.5）=9.67~9.64um，中心波長(zhǎng)為9.65um。因此，人體輻射的最強(qiáng)的紅外線的波長(zhǎng)正好落在濾光窗的響應(yīng)波長(zhǎng)（7~14um）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。

綜上所述，傳感器只對(duì)移動(dòng)或運(yùn)動(dòng)的人體和體溫近似人體的物體起作用。

菲涅爾透鏡不僅可以形成可見區(qū)和盲區(qū)，還有聚焦作用，其焦點(diǎn)一般為5厘米左右，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況或資料提供的說明調(diào)整菲涅爾透鏡與傳感器之間的距離，一般把透鏡固定在傳感器正前方1~5厘米的地方。

菲涅爾透鏡一般采用聚乙烯塑料片制成，顏色為乳白色或黑色，呈半透明狀，但對(duì)波長(zhǎng)為10um左右的紅外線來說卻是透明的。

MLX90620遠(yuǎn)紅外線傳感器采用了邁利芯公司的創(chuàng)新型非接觸溫度測(cè)量技術(shù)，是一種高性價(jià)比的熱成像解決方案。該16 x 4遠(yuǎn)紅外熱電堆傳感器陣列可覆蓋-20°C～300°C的溫度范圍，能生成目標(biāo)區(qū)域的實(shí)時(shí)熱值圖譜。有了它，就可以不用單點(diǎn)傳感器或昂貴的微測(cè)熱輻射計(jì)來掃描目標(biāo)區(qū)域了。

MLX90620遠(yuǎn)紅外線傳感器可即刻擷取64幅二維像素圖片，大大簡(jiǎn)化集成熱成像系統(tǒng)，從而將價(jià)格維持在大批量、低成本應(yīng)用領(lǐng)域能夠接受的范圍。該陣列在每個(gè)像素中集成了一個(gè)放大器和一個(gè)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可提供0.5-64赫茲的幀速率。在0°C －50°C溫度范圍內(nèi)使用時(shí)可保持±1.5°C的精確度。有60o x 15o和40o x 10o兩個(gè)視場(chǎng)可供選擇。MLX90620遠(yuǎn)紅外線傳感器擁有高速I2C兼容數(shù)字界面，采用的是帶控制單元的同步化觸發(fā)模式，可以單獨(dú)使用，也可以與多臺(tái)設(shè)備組合構(gòu)成陣列，獲得更高的圖像分辨率。 

邁利芯公司和德國(guó)海曼（Heimann）傳感器公司利用各自在熱電堆和信號(hào)處理領(lǐng)域數(shù)十年的專業(yè)技能聯(lián)合開發(fā)了這款性能優(yōu)越、足以改變行業(yè)格局的傳感器陣列產(chǎn)品。 

遠(yuǎn)紅外線成像正成為汽車行業(yè)非常重要的一項(xiàng)技術(shù)，能夠提高汽車的安全性。MLX90620遠(yuǎn)紅外線傳感器可用于車輛的行人探測(cè)、近距離盲點(diǎn)探測(cè)和乘坐率分類等領(lǐng)域。這種傳感器陣列提供的多點(diǎn)精確熱圖像還能幫助智能樓宇控制系統(tǒng)進(jìn)行溫度測(cè)量和入住率統(tǒng)計(jì)。在家用環(huán)境中，該陣列能夠使微波爐和其它傳統(tǒng)爐灶更加智能化。人們對(duì)能源效率的關(guān)注推動(dòng)了市場(chǎng)對(duì)熱成像設(shè)備的需求不斷上升。熱成像設(shè)備可以探測(cè)房間的熱損耗情況，并以圖像形式指明需要改進(jìn)的地方。MLX90620遠(yuǎn)紅外線傳感器非常適宜于家用和商用低分辨率紅外熱像儀，能滿足上述各任務(wù)的需要。在商用環(huán)境中，該傳感器為智能程序控制和熱檢測(cè)開辟了新的機(jī)會(huì)。最后，它還能用作智能火災(zāi)探測(cè)傳感器，可幫助消防人員和其他應(yīng)急服務(wù)人員發(fā)現(xiàn)熱點(diǎn)、探明疏散路線和隱蔽火源。