浅谈热释电红外传感器探测范围的稳定性

浅谈热释电红外传感器探测范围的稳定性

黄继勇

广州市番禺奥莱照明电器有限公司广东广州511434

摘要：随着社会的快速发展，热释电红外传感器已经广泛应用，基于探头工作原理的特殊性，环境和温度等因素的影响，无法避免探测范围会随着环境的变化而变化，一旦安装到指定位置后不可能频繁的调整灵敏度或更换零部件，从而直接影响很多场合适用性。为此，从工作原理及影响涉到的有关外界等因素，深入探讨如何通过技术手段和从使用原理上去提高热释电红外传感器的探测范围的稳定性。

关键词：热释电；红外传感器；探测范围；稳定性；距离

提高热释电红外传感器的探测范围的稳定性，使得产品适用性更强，红外传感器相对于其他类型（如微波）更能体现它的价格优势，为终端用户进一步提高选型的经济性和实用性；对于大多数用户对探测范围的苛刻要求，有效范围得到保证后可减少企业生产过程的测试环节，间接提高产品效益；

一、红外传感器探测范围不稳定造成的不利影响及危害

热释电红外传感器通常是替代手动开关，充当家居智能开关的角色，实际应用中，如果传感器探测范围不稳定，小则影响用户体验大则造成经济损失甚至造成安全事故。例如楼道照明，在黑夜的环境没有及时开启必要照明；在银行作为警报用途时，盗贼进入监测范围而没有及时开启警报装置；应用于家庭照明时，大大影响消费者的使用体验；如果应用于自动门禁系统，进出人员到达门口而没有及时开启，透明玻璃门的还有可能造成撞头，导致安全事故。因为探测范围的不稳定性，工厂生产时也会影响到QC对产品性能的判断，从而影响生产效率，导致其他的失误，更严重的后果会导致整批货的返工，造成经济损失。可见，探测范围的稳定性不容忽视。

二、影响红外传感器探测范围的主要因素

温度的影响。热释电红外传感器探测的是热源温差的变化，对环境温度是极为敏感的，当被感应人的体温与环境温度越接近时，有效范围探测越小，这时会变得迟钝，可见夏天气温高探测灵敏度变差，冬天气温低探测灵敏度却很好。实验证明，小于25℃时探测范围是比较理想的，大约29℃以上会随着环境温度越高变得越迟钝，甚至手摸到探头跟前才会被触发启动。

空气流动性的影响。空气流动性不好的封闭场所也会直接影响探测范围，例如通风不好的仓库、大棚、地下室、停车场等，由于长期空气没有流通，虽然空间足够大但很闷，当被感应人经过探测区域时，气流和温差的变化都极小，从而严重影响探测灵敏度变得很不稳定。

空间及特殊场合的影响。在狭窄的室内场所或室内杂物太多，由于空间影响镜片的视角，这样探测范围也会受到制约；产品应用于细长的楼道或走廊也会受到影响，由于环境特殊，被探测人的行走通常人是对朝着感器探头方向走，不能穿越感应扇区，结果是信号检测表现不好，探测距离极不稳定。

其他因素影响。户外日照充足的场合，例如天台，开阔的篮球场或广场等，西斜期间直接会影响探测灵敏度，同时受到地面散热的影响，特别是傍晚时分前后几个小时内由于地面白天吸收热量，日落后散热的影响，使得周围环境噪声变大，整体探测灵敏度很不稳定，甚至只有1-2米的探测距离，但随着时间的推移，几小时后会逐渐回复到正常水平。

三、提高探测范围稳定性的措施及方法

增加温度补偿电路。热释电红外传感器在工作原理上无法避免由于环境而产生对探测范围的影响，但是信号通路可以通过温敏元件实现增益在一定范围内进行调节，对探测范围的稳定性也能起到一定的积极作用，在寒冷的天气可以适当降低增益，而在炎热的环境下则适当增大增益，从而弥补由于被感应人的体温和环境温度接近而使得探测灵敏度迟钝的问题。通常采取有如下方法：

1）使用热敏电阻，控制放大器的反馈量；

2）使用热敏电阻放置在两个放大器之间，在一定范围内控制信号的衰减量。

3）例用热敏电阻接成分压网络将温度的变化转化电压值的变化，由单片机在一定范围内对灵敏度实现调节。

多探头技术。利用多个探头实现大部分有效探测区域内能同时有两个探头共同作用，对被探测人由于移动方向、移动速度等因素对微小信号的损失。红外探头探测距离越远信号也会变弱，如果两个以上探头可以实现探测区交错重叠，有交增加了被感应的可能性，最终实现信号补偿。

1）单个探头承担探测角度尽可能小。如原来一个探头实现180度的探测，可以改为两个探头，如此每个探头只而90度有效探测即可，从而使最大角度的有效探测范围也变远，中间区域由于两个探头有交错，能共同作用，使得探测可靠性更高；

2）探头在不同空间位置的分布。例如朝前放置的探头管理正前方远处信号，朝下的探头主要管理近处的有效信号，范围大了，盲区小了完美配合。

镜片匹配：实际上一个红外传感器的探测范围是由电路和镜片的共同配合而组成的，镜片除了起到信号的聚焦作用还起到防尘防水的作用，镜片质量及焦距配合会直接影响探测范围，所以除了从电子线路方面的考虑，对镜片应合理选用，同时焦距理应调到最佳。同样的电路在不同镜片配合下效果差异是很明显的，选用镜片准则：方的镜片比圆的效果好；尺寸越大效果越好；厚度越薄效果越好；朝下用圆镜片，朝前用方镜片。

红外探头的选型：常用的红外探头按视角窗口大小可分为大中小之分，常用有双敏感元和四敏感元，另外特殊工艺探头，如信号增强型，低噪型等。通常选型时遵循以下原则：

1）水平朝前方的探头建议选用中或小并且是长方型的视角窗口，探头长边平行于镜片的长边，有利于获得更大的视角，双敏感元也可以配合其他特殊工艺；

2）垂直朝下方（如天花感应灯）建议选用尽可能大的并且是正方型视角窗口，双敏感元或四敏感元，也可以配合其他的特殊工艺。

降低噪声：想要获得高的探测范围并可靠工作，除了高的增益外还要考虑减少噪声的引入，设计上主要有如下原则：

1）探头尽可能的压平PCB板，即便一定要垫高则信号脚也尽可能的短并且考虑屏蔽处理；

2）探头电源应独立设计，尽可能不要与其他部分共用，由于电流需求不大可采取多级去耦处理获得高质量电源；

3）探头输出的小信号与放大器之间距离尽可能短，尽量避免与电源线交叉，如有条件可以把放大器部分屏蔽处理。

其他处理。第一，信号分析技术。通过软件分析来自于放大器送来的信号，识别远近距离的感应信号及其他干扰信号的特征，同时也可以结合多种判别方法，有效的排除一切无用信号，在一定程度上也是对微弱信号的一种补偿处理。第二，结合其他感应元素实现互补。红外传感器的优点很多，但也做不到百分百对环境影响的克服，因此就演生出多种感应元素结合的产物，例如红外与微波的结合，红外与超声波的结合，红外与声控结合，红外与光控结合等。如此来很多不适用的场合因为有其他感应元素加以补充，取长补短。

结语

热释电红外传感器已经在各个领域场合逐渐普及推广，市场前境广阔，消费者也提出了更高的要求取得市场的竞争地位，可见对探测范围的稳定性是很有必要探入探讨的。随着科技的发展技术的革新，探测元件的灵敏度将来也会做得更高而成本也会逐步降低，目前来说，不管用的什么方法来实现，基本上都是牺牲成本或通过复杂的结构来取更高的探测范围和高稳定性，如此看来，设计过程中还得权衡探测灵敏度和成本及装配工艺性的取舍，如何提高探测范围而降低成本和提高工艺性也值得深思。

参考文献：

1、肖景和，赵健编著.红外线、热释电与超声波遥控电路[M].北京：人民邮电出版社，2003.8-55