¿Qué es un sensor de infrarrojos?

El principio y la aplicación del sensor infrarrojo piroeléctrico del cuerpo humano

Qing Taiquan

El sensor infrarrojo piroeléctrico del cuerpo humano es un tipo de sensor infrarrojo piroeléctrico del cuerpo humano que apareció a finales de los años 1980. Nuevos dispositivos sensores. Ahora se ha utilizado cada vez más. En la actualidad, algunos libros y publicaciones periódicas sólo presentan brevemente las aplicaciones básicas de los sensores infrarrojos piroeléctricos pasivos del cuerpo humano. Este artículo ofrece una introducción general a los principios básicos de aplicación de los métodos activos y pasivos.

1. La estructura básica y el principio de los sensores infrarrojos piroeléctricos del cuerpo humano

En la actualidad, los sensores infrarrojos piroeléctricos del cuerpo humano en el mercado incluyen principalmente SD02 y PH5324 producidos en Shanghai y producidos en Alemania. LH1954, LH1958, P2288 producidos por la empresa HAMAMATSU de los Estados Unidos, SCA02-1, RS02D producidos por la empresa japonesa NIPPON CERAMIC, etc. Aunque sus modelos son diferentes, su estructura, apariencia y parámetros eléctricos son más o menos los mismos, y la mayoría de ellos pueden usarse indistintamente entre sí.

El sensor infrarrojo piroeléctrico del cuerpo humano (en adelante, sensor) consta de tres partes principales: una unidad sensible, un convertidor de impedancia y una ventana de filtro. La Figura 1 muestra la apariencia de P2288, SD02 y SCA02-1. La Figura 1a es su vista superior, en la que la parte rectangular más grande es la ventana del filtro y los dos rectángulos del marco punteado son las unidades sensibles, con un área de aproximadamente 2x1 mm2 y un espacio de 1 mm. La Figura 1b es una vista lateral; la Figura 1c es una vista inferior; sus ángulos de monitoreo y detección son como se muestran en las Figuras 1a y d, donde los parámetros son los datos de SCA02-1 y los parámetros de los otros dos son aproximadamente los mismos. .

1. Unidad sensible

La estructura interna se muestra en la Figura 1a y la Figura 2. Para diferentes sensores, los materiales de fabricación de la unidad sensible son diferentes. Por ejemplo, la unidad sensible de SD02 está hecha de titanato de circonato de plomo; P2288 está hecha de LiTaO3. Luego, estos materiales se convierten en láminas muy delgadas y se extrae un electrodo de los lados opuestos de cada lámina. Se forma un pequeño capacitor equivalente en ambos extremos del electrodo, como P1 y P2 en la Figura 2. Debido a que estos dos pequeños capacitores están fabricados en la misma oblea de silicio, el pequeño capacitor equivalente que forman puede producir polarización por sí solo. El resultado de la polarización es que se generan cargas positivas y negativas de polaridad opuesta en ambos extremos del capacitor. Pero la polaridad de los dos condensadores en serie es opuesta. Este es el diseño único del sensor, que lo hace excepcionalmente inmune a las interferencias.

Cuando el sensor no detecta la señal infrarroja radiada por el cuerpo humano, debido a la polarización de los propios P1 y P2, se generan cargas positivas y negativas de polaridad opuesta e igual carga en ambos extremos del condensador. , y estos dos Las polaridades de los condensadores son opuestas en serie, por lo que las cargas positiva y negativa se cancelan entre sí, no hay corriente en el circuito y el sensor no tiene salida.

Cuando el cuerpo humano está estacionario dentro del área de detección del sensor, la energía de la luz infrarroja irradiada en P1 y P2 es igual en energía y alcanza un equilibrio. Las fotocorrientes con polaridad opuesta e igual energía se cancelan. unos a otros en el circuito. El sensor aún no emite señal. De la misma manera, bajo la luz o la luz del sol, debido a que la luz del sol se mueve muy lentamente, la energía de la luz infrarroja en P1 y P2 aún puede considerarse igual y se anulan entre sí en el bucle; además, la frecuencia de respuesta del sensor es muy alta; bajo (generalmente 0,1 ~ 10 Hz), es decir, el rango de sensibilidad del sensor a la longitud de onda de la luz infrarroja es muy estrecho (generalmente 5 ~ 15 um), por lo tanto, el sensor no es sensible a ellos.

Cuando la temperatura ambiente cambia, provocando que la temperatura del propio sensor cambie, debido a que P1 y P2 están hechos en la misma oblea de silicio, las fotocorrientes con polaridad opuesta e igual energía generadas por ellas todavía están en el circuito, se cancelan entre sí y el sensor no tiene salida.

En principio, cualquier elemento calefactor producirá rayos infrarrojos. La sensibilidad del sensor de rayos infrarrojos piroeléctrico del cuerpo humano a los rayos infrarrojos se refleja principalmente en los cambios en la temperatura de la unidad sensible del sensor y en los cambios de temperatura. provocar señales eléctricas de producción.

Los cambios de temperatura del ambiente y del mismo determinan que no emita señales externamente debido a su estructura interna, mientras que la respuesta de baja frecuencia del sensor (generalmente 0.1~10Hz) y la respuesta a los rayos infrarrojos de una longitud de onda específica (generalmente 5); ~15um) determinan que el sensor solo responde a El sensor es sensible a los cambios de temperatura causados ​​por la radiación infrarroja externa, y este cambio es equivalente al movimiento del cuerpo humano. Por lo tanto, el sensor es sensible al movimiento o movimiento del cuerpo humano, pero no al cuerpo humano estacionario o que se mueve lentamente; puede resistir la interferencia de la luz visible y la mayoría de los rayos infrarrojos;

2. Ventana de filtro

Está hecha de una delgada lámina de vidrio recubierta con múltiples capas de películas de filtro, como se muestra en M en la Figura 2. La ventana de filtro puede efectivamente Filtra los rayos infrarrojos con longitudes de onda distintas de 7,0 ~ 14um. Por ejemplo, la penetración de SCA02-1 para rayos infrarrojos con una longitud de onda de 7,5~14um es 70, que cae a 65 a 6,5um y cae bruscamente a 0,1 a 5,0um la longitud de onda de respuesta de P2288 es de 6~14um; la longitud de onda central es de 10 um.

La relación entre la energía de radiación infrarroja emitida por un objeto y la longitud de onda y temperatura más fuertes satisface λm*T=2989 (um.k) (donde λm es la longitud de onda máxima y T es la temperatura absoluta). La temperatura corporal normal del cuerpo humano es 36 ~ 37,5. C, es decir, 309~310,5K, la longitud de onda del rayo infrarrojo más fuerte que irradia es λm=2989/(309~310,5)=9,67~9,64um, y la longitud de onda central es 9,65um. Por lo tanto, la longitud de onda de los rayos infrarrojos más fuertes irradiados por el cuerpo humano cae exactamente en el centro de la longitud de onda de respuesta de la ventana del filtro (7~14um). Por lo tanto, la ventana del filtro puede permitir eficazmente el paso de los rayos infrarrojos irradiados por el cuerpo humano y evitar que los rayos infrarrojos de la luz visible, como la luz solar y las luces, pasen en la mayor medida posible para evitar causar interferencias.

En resumen, el sensor sólo funciona en cuerpos humanos en movimiento o en movimiento y en objetos con temperaturas corporales similares a las del cuerpo humano.

Lente Fresnel Cuando no se utiliza la lente Fresnel, el radio de detección del sensor es inferior a 2 metros. Sólo cuando se utiliza con una lente Fresnel se puede lograr su máximo efecto. Cuando está equipado con una lente Fresnel, el radio de detección del sensor puede alcanzar los 10 metros. Por ejemplo, algunos sensores pueden detectar de forma fiable un cuerpo humano en un coche que circula a gran velocidad desde una distancia de 20 metros. Las lentes de Fresnel están hechas de láminas de plástico. La figura 3 es su vista en planta. Como puede verse en la figura, la lente está dividida en tres partes en dirección horizontal y cada parte está dividida en varias áreas diferentes en dirección vertical. Cada sección igual de la parte superior es una unidad de lente, que se compone de círculos concéntricos, y los centros de los círculos concéntricos están dentro de la unidad de lente. Cada porción igual de la mitad media e inferior es también una unidad de lente, que también está compuesta de círculos concéntricos, pero el centro de los círculos concéntricos no está dentro de la unidad de lente. Cuando la luz pasa a través de estas unidades de lentes, se forman áreas visibles y ciegas de áreas claras y oscuras alternas. Dado que cada unidad de lente tiene sólo un pequeño ángulo de visión, el área visible está dentro del ángulo de visión y el área ciega está fuera del ángulo de visión. Dos unidades de lentes adyacentes cualesquiera están separadas por una zona ciega y una zona visible, que son intermitentes y no se superponen ni se cruzan, como se muestra en la Figura 3b. De esta manera, cuando la lente se coloca en una posición adecuada directamente frente al sensor, una vez que un cuerpo humano en movimiento aparece frente a la lente, los rayos infrarrojos irradiados por el cuerpo humano pasan a través de la lente y forman áreas de sombra que se alternan continuamente. (áreas ciegas) y áreas brillantes (área visible), lo que hace que la temperatura de la superficie del sensor cambie continuamente, emitiendo así una señal eléctrica. También se puede entender que cuando el cuerpo humano se mueve dentro del área de detección, tan pronto como abandona el campo de visión de una unidad de lente, entrará inmediatamente en el campo de visión de otra unidad de lente (debido a que las unidades de lentes adyacentes son muy cerca uno del otro), y el sensor Hay áreas ciegas y áreas visibles que se mueven con el cuerpo humano, lo que hace que la temperatura del sensor cambie y emita una señal eléctrica.

La lente Fresnel no solo puede formar áreas visibles y áreas ciegas, sino que también tiene un efecto de enfoque. Su enfoque es generalmente de unos 5 cm. En la aplicación real, la lente Fresnel debe ajustarse según la situación real. o las instrucciones proporcionadas por los datos. La distancia entre la lente y el sensor generalmente se fija de 1 a 5 cm directamente delante del sensor.

Las lentes Fresnel generalmente están hechas de láminas de plástico de polietileno. Son de color blanco lechoso o negro y translúcidas, pero son transparentes a los rayos infrarrojos con una longitud de onda de aproximadamente 10 um.

En la tabla 1 se muestran los principales parámetros eléctricos del sensor infrarrojo piroeléctrico del cuerpo humano SCA02-1.

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2. Aplicaciones básicas de los sensores infrarrojos piroeléctricos del cuerpo humano

La Figura 4 es un sensor infrarrojo piroeléctrico del cuerpo humano compuesto por un sensor P2288 o SCA02-1 Circuito de detección y amplificación.

Tabla 1

Artículo Parámetros Condiciones

Voltaje de fuente de alimentación 2,2~10,0 V

Voltaje de fuente 0,3~2,0 V 25. C

Impedancia de fuente 47KΩ Id=6~43uA

Balance eléctrico 10Max)

Respuesta de frecuencia 0.3~30Hz 12db (Max)

Longitud de onda de respuesta 7,5~14um, promedio superior a 70

Temperatura de funcionamiento -10~50. C

Figura 4

PY1 es el sensor P2288 o SCA02-1, e IC1 es el amplificador operacional de alta velocidad y bajo ruido LM358, etc. Después de que PY1 detecta la señal infrarroja del cuerpo humano, emite una señal eléctrica muy débil desde el pin 2 y la ingresa directamente al amplificador no inversor IC1a para amplificarla aproximadamente 2500 veces. Luego emite una señal de cierta amplitud desde el pin. 1, y luego lo acopla al amplificador inversor IC1b a través del condensador C8 para una mayor amplificación. IC2 forma un comparador de voltaje de ventana. Cuando la amplitud de voltaje de los 7 pines de IC1b está entre las amplitudes de Ua y Ub, los pines 1 y 7 de IC2 no tienen salida cuando la amplitud de voltaje de los 7 pines de IC1b es mayor que la amplitud de Ub. , el pin 7 de IC2 de IC genera un nivel alto; cuando la amplitud de voltaje del pin 7 de IC1b es menor que la amplitud de Ua, el pin 1 de IC2 genera un nivel alto a través del aislamiento mutuo y el efecto "OR" de D1 y D2; Salida de alto nivel desde la señal de control de nivel del punto P. R11 se utiliza para establecer el nivel de umbral de la ventana y ajustar R11 puede ajustar la sensibilidad del detector. El punto P emite una señal de control de alto nivel que se puede utilizar en los siguientes circuitos prácticos.

1. El circuito de advertencia de seguridad "Electricidad, peligro" se utiliza en lugares donde hay electricidad. Cuando alguien ingresa a estos lugares, recuerda a las personas que presten atención a la seguridad emitiendo voz, sonido y luz.

2. Las puertas automáticas se utilizan principalmente en bancos y hoteles. Cuando alguien llega, la puerta se abre automáticamente y cuando alguien sale, se cierra automáticamente.

3. La alarma antirrobo por infrarrojos se utiliza para alarmas antirrobo en bancos, edificios de oficinas, hogares y otros lugares.

4. Contador de tráfico de vehículos en carretera.

5. Encendido y apagado automático de iluminación, interruptor automático cuando se acerca el cuerpo humano, etc.

(Este artículo se publicó en los números 1996.10 y 11 de "Electronic World" y se eliminó aquí)

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7. Principio y aplicaciones del sensor infrarrojo piroeléctrico del cuerpo humano

Referencia/tecnología/artículo.htm