熱釋電效應

當(dang)一(yi)些(xie)晶(jing)體(ti)受(shou)熱(re)時(shi)，在(zai)晶(jing)體(ti)兩(liang)端(duan)將(jiang)會(hui)產(chan)生(sheng)數(shu)量(liang)相(xiang)等(deng)而(er)符(fu)號(hao)相(xiang)反(fan)的(de)電(dian)荷(he)

，這(zhe)種(zhong)由(you)於(yu)熱(re)變(bian)化(hua)產(chan)生(sheng)的(de)電(dian)極(ji)化(hua)現(xian)象(xiang)，被(bei)稱(cheng)為(wei)熱(re)釋(shi)電(dian)效(xiao)應(ying)。通(tong)常(chang)，晶(jing)體(ti)自(zi)發(fa)極(ji)化(hua)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)束(shu)縛(fu)電(dian)荷(he)被(bei)來(lai)自(zi)空(kong)氣(qi)中(zhong)附(fu)著(zhe)在(zai)晶(jing)體(ti)表(biao)麵(mian)的(de)自(zi)由(you)電(dian)子(zi)所(suo)中(zhong)和(he)，其(qi)自(zi)發(fa)極(ji)化(hua)電(dian)矩(ju)不(bu)能(neng)表(biao)現(xian)出(chu)來(lai)。當(dang)溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)時(shi)，晶(jing)體(ti)結(jie)構(gou)中(zhong)的(de)正(zheng)負(fu)電(dian)荷(he)重(zhong)心(xin)相(xiang)對(dui)移(yi)位(wei)，自(zi)發(fa)極(ji)化(hua)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)，晶(jing)體(ti)表(biao)麵(mian)就(jiu)會(hui)產(chan)生(sheng)電(dian)荷(he)耗(hao)盡(jin)
，電(dian)荷(he)耗(hao)盡(jin)的(de)狀(zhuang)況(kuang)正(zheng)比(bi)於(yu)極(ji)化(hua)程(cheng)度(du)，圖(tu)1表示了熱釋電效應形成的原理。

 
圖1：熱釋電效應的形成原理

能產生熱釋電效應的晶體稱之為熱釋電體或熱釋電元件，其常用的材料有單晶(LiTaO3 等)、壓電陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）。

菲涅耳透鏡（圖3）根據菲涅耳原理製成
，把紅外光線分成可見區和盲區
，同時又有聚焦的作用
，使熱釋電人體紅外傳感器 (PIR) 靈敏度大大增加。菲涅耳透鏡折射式和反射式兩種形式
，其作用一是聚焦作用
，將熱釋的紅外信號折射（反射）在PIR上；二是將檢測區內分為若幹個明區和暗區，使進入檢測區的移動物體能以溫度變化的形式在PIR上產生變化熱釋紅外信號，這樣PIR就能產生變化電信號。

如果我們在熱電元件接上適當的電阻
，當元件受熱時
，電阻上就有電流流過，在兩端得到電壓信號。

 
圖2：熱釋電紅外傳感器結構及內部電路

 
圖3：菲涅爾透鏡

被動式熱釋電紅外傳感器的工作原理與特性

在自然界，任何高於絕對溫度（-273K）的de物wu體ti都dou將jiang產chan生sheng紅hong外wai光guang譜pu，不bu同tong溫wen度du的de物wu體ti釋shi放fang的de紅hong外wai能neng量liang的de波bo長chang是shi不bu一yi樣yang的de，因yin此ci紅hong外wai波bo長chang與yu溫wen度du的de高gao低di是shi相xiang關guan的de
，而er且qie輻fu射she能neng量liang的de大da小xiao與yu物wu體ti表biao麵mian溫wen度du有you關guan。

人體都有恒定的體溫
，一般在37°C左右，會發出10mm左(zuo)右(you)特(te)定(ding)波(bo)長(chang)的(de)紅(hong)外(wai)線(xian)，被(bei)動(dong)式(shi)紅(hong)外(wai)探(tan)頭(tou)就(jiu)是(shi)靠(kao)探(tan)測(ce)人(ren)體(ti)發(fa)射(she)的(de)紅(hong)外(wai)線(xian)而(er)進(jin)行(xing)工(gong)作(zuo)的(de)。紅(hong)外(wai)線(xian)通(tong)過(guo)菲(fei)涅(nie)耳(er)濾(lv)光(guang)片(pian)增(zeng)強(qiang)後(hou)聚(ju)集(ji)到(dao)熱(re)釋(shi)電(dian)元(yuan)件(jian)，這(zhe)種(zhong)元(yuan)件(jian)在(zai)接(jie)收(shou)到(dao)人(ren)體(ti)紅(hong)外(wai)輻(fu)射(she)變(bian)化(hua)時(shi)就(jiu)會(hui)失(shi)去(qu)電(dian)荷(he)平(ping)衡(heng)，向(xiang)外(wai)釋(shi)放(fang)電(dian)荷(he)，後(hou)經(jing)檢(jian)測(ce)處(chu)理(li)後(hou)就(jiu)能(neng)產(chan)生(sheng)報(bao)警(jing)信(xin)號(hao)。被(bei)動(dong)紅(hong)外(wai)探(tan)頭(tou)，其(qi)傳(chuan)感(gan)器(qi)包(bao)含(han)兩(liang)個(ge)互(hu)相(xiang)串(chuan)聯(lian)或(huo)並(bing)聯(lian)的(de)熱(re)釋(shi)電(dian)元(yuan)件(jian)，而(er)且(qie)製(zhi)成(cheng)的(de)兩(liang)個(ge)電(dian)極(ji)化(hua)方(fang)向(xiang)正(zheng)好(hao)相(xiang)反(fan)（如圖2側視圖C），環境背景輻射對兩個熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產生釋電效應相互抵消，於是探測器無信號輸出[3]。

被動式熱釋電紅外探頭的優缺點

不同於主動式紅外傳感器，被動紅外傳感器本身不發任何類型的輻射，隱蔽性好
，器件功耗很小
，價格低廉。 但是，被動式熱釋電傳感器也有缺點
，如：

信號幅度小
，容易受各種熱源
、光源幹擾；

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；

易受射頻輻射的幹擾；

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；

被動紅外探測器的主要檢測的運動方向為橫向運動方向，對徑向方向運動的物體檢測能力比較差。

熱釋電紅外探頭處理芯片原理及應用

suiranbeidongshireshidianhongwaitantouyouxiequedian，danshiliyongteshuxinhaochulifangfahou，rengranshitazaimouxielingyujuyouguangkuodeyingyongqianjing。yinci，youhenduoshengchanshanggenjuPIR傳感器的特性設計了專用信號處理器，比如HOLTEK HT761X
、PTI PT8A26XXP、WELTREND WT8072,BISS0001。本文對PTI（百利通電子有限公司）專用芯片PT8A26XXP作一個應用實例的介紹。

圖4陰影部分是PIR信號處理部分，有兩個運算放大器、一個窗口比較器、一個穩壓器、一個係統振蕩器和一個邏輯控製器。其它是依賴處理結果的控製部分，這裏重點介紹PIR信號處理部分，控製部分就簡單略過。

由於PIR 信號變化緩慢、幅值小
，針對該特點
，專用信號處理器一般分為三步處理，具體處理步驟如下：

濾波放大

普通PIR傳感器輸出信號幅值一般都很小，大約幾百微伏到幾毫伏
，為了後續電路能作有效的處理
，考慮到傳感器的信噪比，通常取增益72.5dB
，通帶0.3Hz~7Hz。同時，由於是處理模擬小信號，所以為了保證放大器的工作穩定可靠，電路中特別集成了一個穩壓器用於給傳感器、放大器和比較器供電

窗口比較器

 
圖4：人體感應開關框圖

 
圖5：人體感應開關的信號處理過程

噪聲抑製數字信號處理

根(gen)據(ju)對(dui)人(ren)體(ti)運(yun)動(dong)特(te)點(dian)以(yi)及(ji)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)特(te)性(xing)的(de)長(chang)期(qi)研(yan)究(jiu)，用(yong)固(gu)定(ding)時(shi)間(jian)內(nei)計(ji)脈(mai)衝(chong)個(ge)數(shu)和(he)測(ce)脈(mai)衝(chong)寬(kuan)度(du)的(de)方(fang)法(fa)來(lai)甄(zhen)別(bie)有(you)效(xiao)的(de)人(ren)體(ti)信(xin)號(hao)

，這(zhe)裏(li)由(you)係(xi)統(tong)振(zhen)蕩(dang)器(qi)提(ti)供(gong)時(shi)鍾(zhong)源(yuan)（16kHz）。具體判別方法如下[4]：

脈衝寬度低於24ms的都算作噪聲，不予處理；單個有效脈衝：寬度必須大於340 ms
；雙脈衝，其中寬的必須大於160ms 
，窄的大於 24ms ；三個脈衝有效
，每個都必須大於 24ms 。
經過上述三步處理後就能準確、可靠地判斷人體信號。根據具體應用場合實現既定控製，例如報警器自動告警


，自動開啟某個設備。 PT8A26XX 係(xi)列(lie)主(zhu)要(yao)是(shi)用(yong)於(yu)自(zi)動(dong)延(yan)時(shi)開(kai)關(guan)

，其(qi)中(zhong)延(yan)時(shi)可(ke)調(tiao)
，還(hai)可(ke)設(she)定(ding)白(bai)天(tian)不(bu)工(gong)作(zuo)。另(ling)外(wai)其(qi)它(ta)幾(ji)個(ge)公(gong)司(si)處(chu)理(li)器(qi)功(gong)能(neng)都(dou)基(ji)本(ben)類(lei)似(si)，在(zai)節(jie)能(neng)領(ling)域(yu)應(ying)用(yong)較(jiao)廣(guang)。

結論

隨著相關信號處理器性能和可靠性的不斷提高，熱釋電晶體已廣泛用於紅外光譜儀
、紅外遙感以及熱輻射探測器，因其價格低廉、技ji術shu性xing能neng穩wen定ding而er受shou到dao廣guang大da用yong戶hu和he專zhuan業ye人ren士shi的de歡huan迎ying，廣guang泛fan應ying用yong於yu各ge種zhong自zi動dong化hua控kong製zhi裝zhuang置zhi中zhong，既ji可ke作zuo為wei紅hong外wai激ji光guang的de一yi種zhong較jiao理li想xiang的de探tan測ce器qi
，又you可ke適shi用yong於yu防fang盜dao報bao警jing、來客告知及非接觸開關等紅外領域。除了在眾所周知的摟道自動開關、防盜報警上得到應用外，在更多的領域應用前景看好。