被动红外运动传感器 passive infrared sensor

被动红外运动传感器,通常被简称缩写为 PIR ,通俗一点也会被称为人体红外传感器,它可以用来检测黑体辐射(黑体辐射指处于热力学平衡态的黑体发出的电磁辐射)。这个传感器可以对波长为 10μm(10微米或10000纳米)的红外辐射作出响应,差不多是人和动物体温对应的红外辐射。

接近传感器和被动红外运动传感器不同的是:接近传感器需要自己主动产生红外辐射,这种辐射会被附近的物体打断或反射。

图1

PIR 传感器模块一般就在一小块电路板上(图1右侧),一般来说探测范围是5 – 10米,可以通过跳线来选择三个引脚分别是供电(3 到 6V DC)、接地和输出。当然如果要使用这样的 PIR 传感器来控制灯或者别的什么东西,需要额外添加不同的组件。它的透镜可以根据实际需要进行选择。

应用

户外那些基于运动感应的照明设施一般都是使用了 PIR 传感器。此外,一些安全系统和监控会使用 PIR 传感器来检测人体活动。一些野生动物的观测系统也会使用 PIR 传感器来启动摄像头来观测动物。

在汽车上安装类似的传感器可以感知行人。一些工业场所的室内照明也会使用到:有人进来则开灯、没人活动则关灯。

它是如何工作的?

PIR 传感器模块包含多个组件。可以看到它的外部有一组至少15个小透镜,它可以将环境中的红外光聚焦到热释电探测器(pyroelectric detector)上,也称为热释电传感器(pyroelectric sensor)。探测器的响应由放大器(amplifier)处理,因此信号可以触发机电继电器或固态继电器。而这个继电器接下来会控制一个外部的装置,比如灯或者报警器。

大部分 PIR 传感器可以让用户自行设置传感器的灵敏度以及继电器合上的时间长短。用户可以设置在一天之中哪些时间开启 PIR 传感器。如果再加一个光电晶体管(phototransistor)则可以控制 PIR 传感器在白天的时候关闭。

热释电传感器(pyroelectric sensor)

热释电探测器实际上是一种压电式(piezoelectric)器件。它基于一个钽酸锂(lithium tantalate)晶片,入射的热辐射让它产生一个小电压。然而像其他压电元件一样,它不响应稳定状态的输入,而需要通过转换来激活。(图1左侧)

简单来说,当温度变一下,热释电探测器会有一次响应,但是之后就会回到原来的状态(即使温度不再改变);而其他类型的光传感器(如:红外光电二极管)就不太一样:后者的响应会始终和温度输入信号有关。

PIR 传感器模块中的热释电探测器安装在密封的金属容器中。中间的矩形窗口通常由硅制成,长波红外辐射可以透过硅、而可见光则不行。(图2右下)

关于它的透镜

每个透镜面向目标的一个可见区域。当红外辐射源从一个区域移动到下一个区域时,它产生输出信号。透镜是一个由聚乙烯制成的穹顶,通常是白色的,覆盖在热释电探测器上(可以拆下来)。穹顶外表光滑,但内部却有着精细的结构。

这些是菲涅尔透镜,比传统的光学镜头更便宜,更小、更轻、更容易制造。菲涅耳透镜会产生一些畸变和像差,但这些缺点并不会影响到 PIR 传感器的工作。

图2

图2左侧说明了一个简单的菲涅尔透镜原理。左图最上方是一个传统光学透镜:有一个平面和一个曲面,远处的物体发出几乎平行的红外光,由透镜聚焦。左图中间将透镜分割成几块。左图最下方的图片中将每一块的透镜都缩短,但是却起到了同样的聚焦效果(虽然会增加少量的失真)。同样的原理也能用于两面都是曲面的透镜(右上图)。

菲涅尔透镜在灯塔中得到了早期的应用,它大大减轻了用于聚焦光束的巨大玻璃透镜的重量。

图3左侧中当物体发生移动时,红外光会从不同的角度进入透镜,然后被透镜聚焦到热释电传感器中,从而产生输出信号。

图3

不同形状的透镜应用场景也不同:图3右上的透镜可以装在天花板上,面朝下探测物体;而图3右下的透镜则对横向移动的目标更加灵敏。

常见的问题

  • 对温度敏感:在较暖和的天气里,一些物体会变得较热,它们与人类皮肤之间的温差会减小。这可能会降低 PIR 传感器的性能。
  • 传感器上的探测器比较脆弱:探测器上的硅窗很容易受到灰尘或油脂的侵蚀。如果没有透镜的保护,应当避免触摸组件。
  • 对湿度敏感:水会吸收远红外光。因此,透镜或探测器上的水会降低其性能,所以 PIR 传感器在大雨或大雪中可能不起作用。

文章主要参考翻译了:《Encyclopedia of Electronic Components Vol.3 Sensors》 2017年版,并有所改动。

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