CN102466522B - 热释电红外传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子信息技术领域中的电气设备及电气工程类之光敏器件，具体是一种热释电红外传感器，包括半球形菲涅尔透镜(1)，所述菲涅尔透镜(1)下端密闭连接圆环形十孔管帽外罩(4)，探测敏感元(6)在保持器(5)上，所述保持器(5)支垫在陶瓷基片(8)和探测敏感元(6)之间，三极管(7)置于陶瓷基片(8)中间设置的通孔中，陶瓷基片(8)置于管座(3)上，所述外罩(4)密闭罩在管座(3)上，所述外罩(4)罩在上端面设有圆孔(10)的管帽(2)上，所述管帽(2)置于探测敏感元(6)上方。采用本方案的传感器具有成本低、防水防腐蚀性能强、探测距离远的优点。

Description

热释电红外传感器

技术领域

本发明属于电子信息技术领域中的电气设备及电气工程类之光敏器件，具体是一种热释电红外传感器。

背景技术

在选用热释电红外传感器，人们往往会考虑该传感器的成本、防水性和防腐蚀性、探测距离远近这几个指标。目前常用的热释电红外传感器工作过程是这样的：人体发出的红外光投射到菲涅尔透镜上，经透镜聚焦、放大后再投射到红外滤光片上，红外滤光片滤除杂波后再投射到探测敏感元上，探测敏感元将光信号变成电信号由场效应管输出。采用了红外滤光片，由于红外滤光片在滤除无用的光信号的同时，也把有用的人体的光信号滤除掉了一部分，因而其探测距离和敏感性受到了很大的影响。采用了红外滤光片也无疑增加了成本。故需要一种改进产品来的出现克服上述问题。

CN101451888A是与本申请最接近的现有技术。

发明内容

针对以上所述，本发明旨在提供一种成本低、防水防腐蚀性能强、探测距离远的热释电红外传感器。

为实现上述目的，本发明的包括半球形菲涅尔透镜，所述菲涅尔透镜下端密闭连接圆环形外罩，探测敏感元在保持器上，所述保持器支垫在陶瓷基片和探测敏感元之间，三极管置于陶瓷基片中间设置的通孔中，陶瓷基片置于管座上，所述外罩密闭罩在管座上，所述外罩管帽2上，所述管帽2置于探测敏感元6上方。导线9穿过陶瓷基片8和管座3边缘设置通孔11后连接三极管7。

热释电红外传感器由菲涅尔透镜1、管帽2、管座3形成的电磁屏蔽罩，探测敏感元6和通电三极管7、陶瓷基片8、管座3形成的场效应管匹配器四部分组成。

本实施例中上述四部分的作用和功能如下：

菲涅尔透镜：菲涅尔透镜是热释电红外传感器不可缺少的组成部分，其作用有三：一是将人体辐射的红外线聚焦到探测敏感元元上；二是产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区，以适应热释电探测元要求不断变化的要求；三是将探测敏感元和电路组件包裹、密封，不让其受潮而失效。菲涅尔透镜一般用塑料制造，先将塑料加工成薄镜片，然后对镜片进行棱状或梳状处理，使镜片成为高灵敏区和盲区交替出现的透镜。在使用中，将热释电传感器安装于透镜的焦点区，这样当有人在镜前移动时，其辐射的红外线就会通过透镜形成高灵敏区和盲区交替出现的红外辐射并传到传感器的探测敏感元上，使探测敏感元产生时强时弱的或时有时无的电脉冲信号，并通过阻抗变换器的变换由输出端输出。

管帽、管座形成的电磁屏蔽罩：管帽、管座与菲涅尔透镜构成密闭的环境以防止水气和电磁杂波的进入。

探测敏感元：该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，目的在于消除因环境温度和自身变化引起的干扰。它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号可在内部相互抵消的原理，使传感器密闭罩在上端面设有圆孔的管帽上，所述管帽置于探测敏感元上方。所述管帽上端面设置有10个圆孔，利用了十孔管帽来代替红外滤光片的电磁屏蔽功能，这人体发出的红外光投射到菲涅尔透镜上，经透镜聚焦、放大后经过直径为1mm的圆孔直接投射到探测敏感元上，探测敏感元将光信号变成电信号由通电三极管和陶瓷基片形成的场效应管输出。导线穿过陶瓷基片和管座边缘设置的通孔后连接三极管。

采用本方案的热释电红外传感器，由于利用了菲涅尔透镜来代替红外滤光片的密闭功能，起到了很好的防水防腐蚀的作用，同时，利用了十孔管帽来代替红外滤光片的电磁屏蔽功能，这样就省去了红外滤光片，降低了成本，又因为红外滤光片在滤除无用的光信号的同时，也把有用的人体的光信号也滤除掉了一部分，因而十孔管帽来代替红外滤光片后其探测距离比普通传感器要远，感应更灵敏，解决了红外传感器在夏天探测距离近的行业难题。

附图说明

图1为本发明热释电红外传感器的分解结构示意图。

图2为本发明热释电红外传感器的剖面结构示意图。

具体实施方式

如图1-2所示，热释电红外传感器包括半球形菲涅尔透镜1，所述菲涅尔透镜1下端密闭连接圆环形外罩4，探测敏感元6在保持器5上，所述保持器5支垫在陶瓷基片8和探测敏感元6之间，三极管7置于陶瓷基片8中间设置的通孔中，陶瓷基片8置于管座3上，所述外罩4密闭罩在管座3上，所述外罩4罩在上端面设有圆孔10的起到补偿作用。对于辐射至传感器的红外辐射，热释电红外传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后通过管帽上的10个圆孔加至探测敏感元上，探测敏感元将红外光信号转换成电信号，经过由场效应管组成的源极跟随器输出，因此传感器会输出探测信号电压。用来制造热释电红外探测敏感元的高热电材料是一种广谱材料，它的探测波长范围为0.2～20μm。红外辐射在大气中传播时会被大气吸收而降低辐射强度，不过这种吸收对整个红外辐射波段的吸收是不均匀的。在1～2.5μm、3～5μm、8～14μm这三个波长范围内，大气的吸收是很小的。人体辐射的红外线波长为9.5μm，恰好位于8～14μm这个大气窗口的波长范围内。因此人体发出的红外辐射能够较好地穿过大气到达热释电红外传感器。

场效应管：通电三极管7、陶瓷基片8、管座3形成的场效应管匹配器，热释电红外探测探测敏感元的阻抗高达1000MΩ，因此必须采用变换元件对其输出的信号进行阻抗变换后才能作为控制信号输出。通常使用具有高输入阻抗的场效应管，将其接成源极跟随器，使其变成低输出阻抗的控制信号，与放大器的输入端相匹配。

本实施例中热释电红外传感器的工作原理主要表现为：

自然界的任何物体，只要其温度高于绝对零度(在本实施例中优选为-273℃)，总是不断地向外发出红外辐射，并以光的速度传播能量。物体向外辐射红外辐射的能量与物体的温度和红外辐射的波长有关。假定物体发射红外辐射的峰值波长为λm，它的温度为T，则辐射能量等于红外辐射的峰值波长为λm与物体温度T的乘积。这一乘积为一常数，即λm·T＝2998≈3000(μm·K)。

物体的温度越高，它所发射的红外辐射的峰值波长越小，发出红外辐射的能量也越大。

某些被称为“铁电体”的电介质材料，如钛酸铅、硫酸三甘肽、钽酸锂等，，受到红外辐射后其温度会升高，这种现象称为红外辐射的热效应。能够在红外辐射下产生热效应的材料称为高热电系数材料。上述材料便是这种能在红外辐射下产生热效应的高热电系数材料。

通常，电介质的内部是没有载流子的，因此它没有导电能力。但是任何电介质毫无例外地都是由带电粒子组成的，即由电子和原子核组成的。在外加电压的作用下，这些带电粒子也要发生移动，带正电荷的粒子趋向负极，带负电荷的粒子趋向正极。其结果是使电介质的一个表面带正电，另一个表面带负电，我们称这种现象为电极化。在电压加上去的瞬间到电极化状态建立起来的这段时间内，电介质内部的电荷顺着外加电场的方向运动，形成一种电流，这个电流成为位移电流。但是当极化状态建立之后，位移电流即消失。对于大多数的电介质，当电压除去后，极化状态随之消失，其带电粒子的运动又恢复原态。

对于上述现象，某些铁电体电介质材料却是个例外，像上述的几种铁电体材料，当被极化后撤去外加电压时，这种极化现象仍然被保留下来，这种现象被称为自发极化。自发极化的强度与温度相关，当温度升高时，极化强度降低。

自发极化的铁电体平时靠捕捉大气中的浮游电荷保持平衡状态。当受到红外辐射后，其内部温度便会升高，介质内部的极化状态便随之降低，它的表面电荷浓度也降低了。这也就相当于“释放”了一部分电荷，这种现象称为电介质的热释电效应。将释放出的电荷通过放大器放大后就成了一种控制信号，利用这一原理制成的红外传感器称为热释电红外传感器。

需要指出的是，如果红外辐射持续下去，电介质的温度就会升到新的平衡状态，表面电荷也同时达到平衡。这时它就不再释放电荷，也就不再有信号输出了，因此，对于这类热释电红外传感器，只有在红外辐射强度不断变化，它的内部温度随之不断升降的过程中，传感器才有信号输出，而在稳定状态下，输出信号则为零。因此在应用这类传感器时，应设法使红外辐射不断变化，这样才能使传感器不断有信号输出。为了满足这一要求，通常在热释电传感器的使用中，总是要在它的前面加装一个菲涅尔透镜。

普通的热释电红外传感器的工作过程是：人体发出的红外光投射到菲涅尔透镜上，经透镜聚焦、放大后再投射到红外滤光片上，红外滤光片滤除杂波后再投射到探测敏感元上，探测敏感元将光信号变成电信号由场效应管输出。管帽、管座、红外滤光片构成密闭的环境以防止水气和电磁杂波的进入。

热释电红外传感器的工作过程是：人体发出的红外光投射到菲涅尔透镜上，经透镜聚焦、放大后经过直径为1mm的圆孔直接投射到探测敏感元上，探测敏感元将光信号变成电信号由场效应管输出。管帽、管座、菲涅尔透镜构成密闭的环境以防止水气和电磁杂波的进入。

热释电红外传感器的创新之处在于：巧妙的利用菲涅尔透镜来代替红外滤光片的密闭功能，巧妙的利用十孔管帽来代替红外滤光片的电磁屏蔽功能。这样就省去了红外滤光片，降低了成本。又因为红外滤光片在滤除无用的光信号的同时，也把有用的人体的光信号也滤除掉了一部分，因而上端面设有10个圆孔的管帽的热释电红外传感器探测距离比普通传感器要远很多，感应更灵敏，解决了红外传感器在夏天探测距离近的行业难题，成本降低30％，探测距离提高30％。

Claims (5)

1.热释电红外传感器，包括半球形菲涅尔透镜(1)，所述菲涅尔透镜(1)下端密闭连接圆环形十孔管帽外罩(4)，探测敏感元(6)在保持器(5)上，所述保持器(5)支垫在陶瓷基片(8)和探测敏感元(6)之间，三极管(7)置于陶瓷基片(8)中间设置的通孔中，陶瓷基片(8)置于管座(3)上，所述外罩(4)密闭罩在管座(3)上，其特征在于：所述外罩(4)罩在上端面设有圆孔(10)的管帽(2)上，所述管帽(2)置于探测敏感元(6)上方。

2.按照权利要求1所述的热释电红外传感器，其特征在于：所述管帽(2)上端面设置有10个圆孔(10)。

3.按照权利要求1或2所述的热释电红外传感器，其特征在于：所述圆孔(10)的直径为1mm。

4.按照权利要求1所述的热释电红外传感器，其特征在于：半球形菲涅尔透镜(1)与十孔管帽(2)、管座(3)组成密闭环境以防止水气的进入。

5.按照权利要求1所述的热释电红外传感器，其特征在于：十孔管帽(2)与管座(3)组成电磁屏蔽罩以防止电磁杂波的进入。

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