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第2章 热释电报警器的设计
2.1传感器
2.1.1 传感器的概念
最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用电信号的器件。国际电工委员会(IEC:InternationalElectrotechnical Committee)的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。按照Gopel等的说法是：“传感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系统则是组合有某种信息处理(模拟或数字)能力的传感器”。传感器是传感器系统的一个组成部分，它是被测量信号输入的第一道关口。
2.1.2传感器系统的原则
进入传感器的信号幅度是很小的，而且混杂有干扰信号和噪声。为了方便随后的处理过程，首先要将信号整形成具有最佳特性的波形，有时还需要将信号线性化，该工作是由放大器、滤波器以及其他一些模拟电路完成的。在某些情况下，这些电路的一部分是和传感器部件直接相邻的。成形后的信号随后转换成数字信号，并输入到微处理器。
2.1.3 传感器的性能
传感器系统的性能主要取决于传感器，传感器把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。有两类传感器：有源的和无源的。有源传感器能将一种能量形式直接转变成另一种，不需要外接的能源或激励源
有源(a)和无源(b)传感器的信号流程
无源传感器不能直接转换能量形式，但它能控制从另一输入端输入的能量或激励能传感器承担将某个对象或过程的特定特性转换成数量的工作。其“对象”可以是固体、液体或气体，而它们的状态可以是静态的，也可以是动态(即过程)的。对象特性被转换量化后可以通过多种方式检测。对象的特性可以是物理性质的，也可以是化学性质的。按照其工作原理，传感器将对象特性或状态参数转换成可测定的电学量，然后将此电信号分离出来，送入传感器系统加以评测或标示。
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2.1.4 热释电传感器的原理及应用
1. 前言 热释电红外传感器是一种非常有应用潜力的传感器。它能检测人或某些动物发射的红外线并转换成电信号输出。早在1938年，有人就提出利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视。直到六十年代，随着激光、红外技术的迅速发展，才又推动了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用开发。近年来，伴随着集成电路技术的飞速发展，以及对该传感器的特性的深入研究，相关的专用集成电路处理技术也迅速增长。本文先介绍热释电传感器的原理，然后再描述相关的专用集成电路处理技术。 2. 热释电效应 当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度，图2-1表示了热释电效应形成的原理。 图2-1 热释电效应的形成原理 能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件，其常用的材料有单晶（LiTaO3 等）、压电陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等），热释电传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有ΔT的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷ΔQ，即在两电极之间产生一微弱电压ΔV。由于它的输出阻抗极高，所以传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷ΔQ会跟空气中的离子所结合而消失，当环境温度稳定不变时，ΔT=0，传感器无输出。当人体进入检测区时，因人体温度与环境温度有差别，产生ΔT，则有信号输出；若人第4页 共 23 页
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体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出，所以这种传感器能检测人体或者动物的活动。热释电红外传感器的结构及内部电路见图2-2所示。传感器主要有外壳、滤光片、热释电元件PZT、场效应管FET等组成。其中，滤光片设置在窗口处，组成红外线通过的窗口。滤光片为6mm多层膜干涉滤光片，对太阳光和荧光灯光的短波长（约5mm以下）可很好滤除。热释电元件PZT将波长在8mm～12mm之间的红外信号的微弱变化转变为电信号，为了只对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅耳滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。 图2-2 热释电红外传感器的结构及内部电路 图2-3菲涅尔透镜 菲涅耳透镜（图2-3）根据菲涅耳原理制成，把红外光线分成可见区和盲区，同时又有聚焦的作用，使热释电人体红外传感器（PIR）灵敏度大大增加。菲涅耳透镜折射式和反射式两种形式，其作用一是聚焦作用，将热释的红外信号折射（反射）在
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PIR上；二是将检测区内分为若干个明区和暗区，使进入检测区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号，这样PIR就能产生变化电信号。 如果我们在热电元件接上适当的电阻，当元件受热时，电阻上就有电流流过，在两端得到电压信号。 3. 被动式热释电红外｛%传感器%｝的工作原理与特性
在自然界，任何高于绝对温度（-273K）的物体都将产生红外光谱，不同温度的物体释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低是相关的，而且辐射能量的大小与物体表面温度有关。
人体都有恒定的体温，一般在37°C左右，会发出10mm左右特定波长的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的红外线而进行工作的。红外线通过菲涅耳滤光片增强后聚集到热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后经检测处理后就能产生报警信号。被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元件，而且制成的两个电极化方向正好相反（如图2-2侧视图C），环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。 4. 被动式热释电红外探头的优缺点
不同于主动式红外传感器，被动红外传感器本身不发任何类型的辐射，隐蔽性好，器件功耗很小，价格低廉。但是，被动式热释电传感器也有缺点，如： ①信号幅度小，容易受各种热源、光源干扰；
②被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收； ③易受射频辐射的干扰；
④环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵； ⑤被动红外探测器的主要检测的运动方向为横向运动方向，对径向方向运动的物体检测能力比较差。
2.1.5热释电报警器的设计
热释电报警器的设计，主要由传感器、双门限电压比较器、光电耦合器和555组成的沿时报警器等组成
其框图如下2-4
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热 释电传感器 RE200
电源 检出偏差电压 双门限电压比较器 检查偏差信号 光电耦合器 PC817 输出信号 触发器 555 组成延时报警 图2-4 热释电报警器的设计框图 传感器是把物理信号转换成电信号，检出正、负偏差电压。
双门限电压比较器的功能是比较两个输入信号电压的大小，以便对输入信号进行幅值鉴别，检查输入信号的偏差信号。
光电耦合器是由发光二极管和光电三极管相互绝缘地组合在一起的，把输入的信号经过转换而输出信号。
触发555组成沿时报警器
2.2 比较器的设计
电压比较器的功能是比较两个输入信号电压的大小，以便对输入信号进行幅值鉴别。通常把其中一个电压设置为参考电压，记为UREF(UREF可取正值、负值或零值)；另一个为输入信号电压ui，两个电压分别接于集成运放的两个输入端上。电压比较器中的集成运放有两种工作方式，一是开环工作，所构成的比较器。如单门限比较器和过零比较器等；二是正反馈工作，所构成的比较器如迟滞比较器等。输入信号ui只要在参考电压UREF附近有微小的增减，都将引起集成运放在正、负饱和状态之间转换，也就是说，输出电压将在输出高电平UOH和输出低电平UOL之间的转换。通常要求这一转换时间应尽可能短，以便实现高速鉴别。为此，除了选用转换速率（压
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