人体红外线感应器的工作原理 - MEMS/传感技术

　　红外智能节电开关是基于红外线技术的自动控制产品，当有人进入感应范围时，专用传感器探测到人体红外光谱的变化，自动接通负载，人不离开感应范围，将持续接通;人离开后，延时自动关闭负载。人到灯亮，人离灯熄，亲切方便，安全节能，更显示出人性化关怀。

　　一、红外光谱

　　人们肉眼看得见的光线叫可见光，可见光的波长为380～750nm。可见光的波长从短到长依次排序是紫光→蓝光→青光→绿光→黄光→橙光→红光。波长比红光更长的光，叫做红外光，或叫做红外线（红外）。红外光是人们无法用肉眼看见的光线。民部分光线的波长分布如下：

　　紫光（O.40～0.43μm）；蓝光（0.43～0.47μm）；青光（O.47～0.50μm）；绿光（0.50～0.56μm）；黄光（0.56～0.59μm）；橙光（0.59～0.62μm）；红光（0.62～0.76μm）；红外（0.76～1000μm）；红外光又可以分为：

　　近红外（760～3000nm）；中红外（3000～60000rim）；远红外（6000～150000nm）。

　　自然界中任何有温度的物体都会辐射红外线，只不过辐射的红外线波长不同而已。根据实验表明，人体辐射的红外线（能量）波长主要集中在约10000nm左右。根据人体红外线波长的这个特性，如果用一种探测装置，能够探测到人体辐射的红外线而去除不需要的其他光波。

　　就能实现检测人体活动信息的目的。因此，就出现了探测人体红外线的传感器产品。人体红外线传感器是根据热释电原理制作而成的。

　　二、热释电原理

　　人体红外感应传感器，是利用热释电效应原理制成的一种传感产品，什么是热释电效应呢？就是因温度的变化而产生电荷的一种现象。

　　为清楚说明热释电效也现像。以图示意说明。

　　图l是温度变化曲线示意图：图2是温度变化引起传感器表面电荷变化状态曲线示意图；图3是由传感器表面电荷变化引起的电压变化输出曲线示意图。

　　图l开始的阶段（T），在没有红外线照射下，热释电红外线传感器的温度没有变化，传感器表面的电荷处于中和状态，正负电子对等（A），此时，传感器没有输出（0）。图l第二阶段（T+△T），有温度变化时。在人体红外线的照射下，热释电红外线传感器的温度如果上升了△T，那么传感器表面的电荷就如图2（B）所示的那样发生相应的变化。如果温度变化为△T，其对应的电荷变化就产生△V的变化，因此，传感器输出△V。随着时间的延长，传感器表面就会重新吸附空气中的离子并相互抵消由此而达到如图2c所示的中和状态。此时，传感器又恢复到没有输出（O）。如图3所示。

　当温度下降时，温度又回到原来的状态（T），其自由极化状态如图2D所示。由于温度的下降变化件（相对而言）过程与温度上升变化相反，所以，传感器表而的电荷变化与上升时变化过程刚好相反，是个反过程。

　　因此，传感器的输出信号就是一△V，如图3所示。同理，随着时间的延长，传感器的表面又会重新吸附空气中的离子，而使传感器的输出信号再次为零。

　　传感器对人体活动信息的感应全过程输出信号如图3所示。从传感器输出图中不难看出，传感器对人体活动的一个动作所输出的信号是一个完整的波形。在实验中。如果用放大器把该信号放大，再用示波器观察就是一个正脉冲和一个负脉冲。也就是说，传感器输出感应到的一个移动信号近似于一个完整的l Hz脉冲信号。

　　三、红外线传感器

　　在热释电型传感器中，以前都是使用一元的传感器，由于一元传感器受杂散光等因素的影响比较大，应用效果比较差。所以，现在普遍使用双元传感单元，这种传感器有如下优点：

　　1.具有灵敏度高的特点。

　　2.两个单元器件反向连接。因此，同时输入的红外线会相互抵消，没有输出。由此增加了对外部杂散光、环境温度变化以及外部震动影响的稳定性（见图5）。

　　由于热释电型红外线传感器的输入阻抗极高，非常容易引入噪声。

　　因此就需要对传感器进行电磁屏蔽处理，因此采用金属封装，外壳接地（图4、图5的③脚）。这样就可以达到屏蔽杂波噪声的目的。

　　在自然界中，所有物体辐射的热能都与自身的温度成正比。物体的温度越高其辐射热能的峰值波长就越短。温度在36～37℃的人体辐射出来的热能峰值约在900～1000nm的红外线，因此，完全可以用热释电型红外线传感器检测到人体的有或无。

　　为了在监测人体有或无的过程中避免太阳光和照明灯光等光线的影响，通常对热释电型红外线传感器表面附加上滤光片，同时，由于人体的移动比较缓慢，因此还需要带有高效率，能够聚焦的菲涅尔透镜等配件，才能满足实际的使用需要。

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