【Arduino】108种传感器系列实验（17）---热释电传感器模块

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37款传感器与模块的提法，在网络上广泛流传，其实Arduino能够兼容的传感器模块肯定是不止37种的。鉴于本人手头积累了一些传感器和模块，依照实践出真知（一定要动手做）的理念，以学习和交流为目的，这里准备逐一动手试试做实验，不管成功与否，都会记录下来---小小的进步或是搞不定的问题，希望能够抛砖引玉。


【Arduino】108种传感器模块系列实验（资料+代码+图形+仿真）

实验十七：HC-SR312微型热释电传感器模块


热释电效应
在某些绝缘物质中,由于温度的变化引起极化状态改变的现象称为热释电效应。能实现热释电效应的物质被称为热电体。热电体物质有硫酸三甘肽（TGS）、铁电钛酸钡、电气石和蔗糖等。这一现象早在2300年前就被人们发现了，但对它的研究则始于18世纪。现在它成为固体物理中最活跃的研究领域之一。因为铁电体的热释电系数比一般热电体大得多，故成为应用广泛的热电体材料，除TGS及其衍生物外，铁电陶瓷（如PZT、PLZT等）成为易于通过组份改变控制性能、适于批量生产、价廉的实用型热电材料。


热释电效应在近10年被用于热释电红外探测器中，广泛地用于辐射和非接触式温度测量、红外光谱测量、激光参数测量、工业自动控制、空间技术、红外摄像中。我国利用ATGSAS晶体制成的红外摄像管已开始出口国外。其温度响应率达到4～5μA/℃，温度分辨率小于0.2℃，信号灵敏度高，图像清晰度和抗强光干扰能力也明显地提高，且滞后较小。此外，由于生物体中也存在热释电现象，故可预期热释电效应将在生物，乃至生命过程中有重要的应用。

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热释电元件

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热释电元件（探头）有多种型号，但结构、外型和电参数大致相同，一般由敏感元件、场效应管、阻抗变换器和滤光窗等构成，并在氮气环境下封装。

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热释电红外传感器在结构上引入场效应管，其目的在于完成阻抗变换。由于热电元输出的是电荷信号，并不能直接使用，因而需要用电阻将其转换为电压形式。故引入的N沟道结型场效应管应接成共漏形式来完成阻抗变换。热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。

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菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强化其能量幅度。


人体辐射的红外线中心波长为9~10--um，而探测元件的波长灵敏度在0.2~20--um范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7~10--um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。

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热释电人体红外传感器的特点是，它只在由于外界的辐射而引起本身温度变化时，才给出一个相应的电信号，当温度的变化趋于稳定后，就不再有信号输出。所以，热释电信号与它本身的温度变化率成正比，即热释电传感器只对运动的人体敏感。通常，敏感单元材料阻抗非常高，因此要用场效应管进行阻抗变换后才能实际使用。电路中高阻值电阻Rg 的作用是释放栅极电荷，使场效应管正常工作；采用源极输出时，要外接源极电阻Rs，源极电压约为0.4 ～ l.0V。制成敏感单元的PZT（ 锆钛酸铅） 是一种光谱材料，能探测各种波长辐射。为了使传感器对人体最敏感，而对太阳、电灯光等有抗干扰性，传感器采用了滤光片做窗口。滤光片使人体辐射的红外线最强的波长正好落在滤光窗相应波长的中心处，所以滤光窗能有效地让人体所辐射的红外线通过，而阻止太阳光、灯光等可见光中的红外线通过，以免引起干扰。为提高传感器的灵敏度，可在传感器前1 ～ 5cm处放置菲涅尔透镜，使探测距离从一般的2m 提高到10 至20m。在实验室试验时，可不加菲涅尔透镜。在实际应用中，传感器往往需要预热，这是由传感器本身决定的。一般被动红外探测器需要一分钟左右的预热时间。

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热释电人体红外传感器优缺点
优点：
本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好。价格低廉。
缺点：
◆容易受各种热源、光源干扰
◆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。
◆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。
要点：
应避开日光、汽车头灯、白炽灯直接照射，也不能对着热源(如暖气片、加热器)或空调，以避免环境温度较大的变化而造成误报；安装必须牢固，避免因风吹晃动而造成误报；传感器表面不允许用手摸；光学透镜外表面要定期用湿软布或棉花擦净，避免尘土影响灵敏度；安装高度2m。

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一些常用电路

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HC-SR312微型人体感应传感器模块是基于热释电效应，被动式人体红外线技术的数字智能自动控制产品，灵敏度高，可靠性强，广泛应用于各类自动感应电器设备。

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电原理图