【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(xiàn)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(xiàn)傳感器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)：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(xiàn)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(jiàn)圖1。對(duì)不同的傳感器來(lái)說(shuō)，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(xiàn)。例如，SCA02-1對(duì)7.5~14um波長(zhǎng)的紅外線(xiàn)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(chē)?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(xiàn)通過(guò)這些透鏡單元后，就會(huì)形成明暗相間的可見(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)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(xiàn)通過(guò)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(jiàn)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(kāi)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(jiàn)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(méi)有檢測(cè)到人體輻射出的紅外線(xiàn)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(wú)電流，傳感器無(wú)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(xiàn)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(méi)有信號(hào)輸出。同理，在燈光或陽(yáng)光下，因陽(yáng)光移動(dòng)的速度非常緩慢，P1、P2上的紅外線(xiàn)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(wú)輸出。

從原理上講，任何發(fā)熱體都會(huì)產(chǎn)生紅外線(xiàn)，熱釋電人體紅外線(xiàn)傳感器對(duì)紅外線(xiàn)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(xiàn)（一般為5~15um）的響應(yīng)決定了傳感器只對(duì)外界的紅外線(xiàn)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(jiàn)光和大部分紅外線(xiàn)的干擾。

2、濾光窗 

物體發(fā)射出的紅外線(xiàn)輻射能，最強(qiáng)波長(zhǎng)和溫度的關(guān)系滿(mǎn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)通過(guò)，而最大限度地阻止陽(yáng)光、燈光等可見(jiàn)光中的紅外線(xiàn)的通過(guò)，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(jiàn)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(shuō)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(xiàn)來(lái)說(shuō)卻是透明的。

MLX90620遠(yuǎn)紅外線(xiàn)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?xún)r(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(lái)掃描目標(biāo)區(qū)域了。

MLX90620遠(yuǎn)紅外線(xiàn)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(xiàn)傳感器擁有高速I(mǎi)2C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(zhuān)業(yè)技能聯(lián)合開(kāi)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(xiàn)成像正成為汽車(chē)行業(yè)非常重要的一項(xiàng)技術(shù)，能夠提高汽車(chē)的安全性。MLX90620遠(yuǎn)紅外線(xiàn)傳感器可用于車(chē)輛的行人探測(cè)、近距離盲點(diǎn)探測(cè)和乘坐率分類(lèi)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(xiàn)傳感器非常適宜于家用和商用低分辨率紅外熱像儀，能滿(mǎn)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(kāi)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(xiàn)和隱蔽火源。