적외선 센서란 무엇인가요?

초전성 인체 적외선 센서의 원리와 응용

청태전

초전성 인체 적외선 센서는 최근 등장한 초전성 인체 적외선 센서의 일종이다. 1980년대 후반 새로운 센서 장치. 이제는 점점 더 광범위하게 사용되었습니다. 현재 일부 서적과 정기 간행물에서는 수동형 초전기 인체 적외선 센서의 기본 응용을 간략하게 소개하고 있습니다. 이 기사에서는 능동 및 수동 방법의 기본 적용 원칙에 대한 일반적인 소개를 제공합니다.

1. 초전식 인체 적외선 센서의 기본 구조 및 원리

현재 시중에 판매되는 초전식 인체 적외선 센서에는 주로 상하이에서 생산되는 SD02와 PH5324, 독일에서 생산되는 PH5324가 포함됩니다. 미국 HAMAMATSU사 제품 LH1954, LH1958, P2288, 일본 NIPPON CERAMIC사 제품 SCA02-1, RS02D 등 모델은 다르지만 구조, 외관 및 전기적 매개변수는 거의 동일하며 대부분은 서로 바꿔서 사용할 수 있습니다.

초전형 인체 적외선 센서(이하: 센서)는 세 가지 주요 부분, 즉 민감 장치, 임피던스 변환기 및 필터 창으로 구성됩니다. 그림 1은 P2288, SD02, SCA02-1의 모습을 보여줍니다. 그림 1a는 평면도이며 큰 직사각형 부분은 필터 창이고 두 개의 점선 프레임 직사각형은 영역이 약 ​​2x1mm2이고 간격이 1mm인 민감한 장치입니다. 그림 1b는 측면도이고 그림 1c는 저면도입니다. 모니터링 및 감지 각도는 그림 1a 및 d와 같습니다. 여기서 매개변수는 SCA02-1의 데이터이고 다른 두 매개변수는 대략 동일합니다. .

1. 민감부

내부 구조는 그림 1a와 그림 2에 나와 있습니다. 센서마다 민감한 장치의 제조 재료가 다릅니다. 예를 들어 SD02의 민감한 장치는 납 지르콘 티탄산염으로 만들어졌으며 P2288은 LiTaO3로 만들어졌습니다. 그런 다음 이러한 재료를 매우 얇은 시트로 만들고 그림 2의 P1 및 P2와 같이 전극의 양쪽 끝에 등가의 작은 커패시터가 형성됩니다. 이 두 개의 작은 커패시터가 동일한 실리콘 웨이퍼에 만들어지기 때문에 이들이 형성하는 등가의 작은 커패시터는 자체적으로 분극을 생성할 수 있습니다. 분극의 결과는 커패시터의 양쪽 끝에서 반대 극성의 양전하와 음전하가 생성된다는 것입니다. 그러나 두 커패시터의 극성은 직렬로 반대이다. 이는 센서의 고유한 디자인으로 인해 간섭에 대한 내성이 탁월합니다.

인체에서 방사되는 적외선 신호를 센서가 감지하지 못하는 경우 P1과 P2 자체의 분극으로 인해 커패시터 양단에 반대 극성의 등전하의 양전하와 음전하가 발생하게 된다 , 그리고 이 두 커패시터의 극성은 직렬로 반대이므로 양전하와 음전하가 서로 상쇄되고 루프에 전류가 없으며 센서에 출력이 없습니다.

센서의 감지 영역 내에 인체가 정지해 있을 때 P1과 P2에 조사되는 적외선 에너지는 에너지가 같아 균형을 이룬다. 극성이 반대이고 에너지가 같은 광전류가 상쇄된다. 루프에서 서로. 센서에 여전히 신호 출력이 없습니다. 마찬가지로 빛이나 햇빛 아래에서는 햇빛이 매우 느리게 움직이기 때문에 P1과 P2의 적외선 에너지는 여전히 동일한 것으로 간주될 수 있으며 루프에서 서로 상쇄될 수 있으며 센서의 응답 주파수도 매우 높습니다. 낮음(일반적으로 0.1~10Hz), 즉 적외선 파장에 대한 센서의 감도 범위가 매우 좁기 때문에(일반적으로 5~15um) 센서가 적외선에 민감하지 않습니다.

주변 온도가 변하면 센서 자체의 온도도 변하는데, P1과 P2가 동일한 실리콘 웨이퍼에 만들어지기 때문에 이들이 생성하는 반대 극성과 동일한 에너지의 광전류는 여전히 센서에 남아 있습니다. 회로가 서로 상쇄되고 센서에 출력이 없습니다.

원칙적으로 모든 발열체는 적외선을 생성합니다. 적외선에 대한 초전성 인체 적외선 센서의 감도는 주로 센서의 민감한 장치의 온도 변화와 온도 변화에 반영됩니다. 생산의 전기 신호를 유발합니다.

센서의 저주파 응답(일반적으로 0.1~10Hz)과 특정 파장의 적외선(일반적으로 5Hz)에 대한 응답은 환경 자체의 온도 변화에 따라 내부 구조로 인해 외부로 신호를 출력하지 않는 것으로 결정됩니다. ~15um) 센서는 외부 적외선 복사에 의한 온도 변화에 민감하며 이러한 변화는 인체의 움직임과 동일합니다. 따라서 센서는 인체의 움직임에 민감하지만 정지하거나 천천히 움직이는 인체에는 민감하지 않으며 가시광선과 대부분의 적외선의 간섭을 견딜 수 있습니다.

2. 필터 창

그림 2의 M과 같이 여러 겹의 필터 필름으로 코팅된 얇은 유리판으로 구성됩니다. 필터 창은 효과적으로 효과적으로 7.0~14um 이외의 파장의 적외선을 걸러냅니다. 예를 들어, 파장이 7.5~14um인 적외선에 대한 SCA02-1의 투과율은 70이고, 6.5um에서는 65로 떨어지고, 5.0um에서는 0.1로 급격히 떨어지며, P2288의 응답 파장은 6~14um입니다. 중심 파장은 10um입니다.

물체에서 방출되는 적외선 방사 에너지와 가장 강한 파장 및 온도와의 관계는 λm*T=2989(um.k)를 만족합니다(여기서 λm은 최대 파장이고 T는 절대 온도). 인체의 정상 체온은 36~37.5도이다. C, 즉 309~310.5K, 그것이 방출하는 가장 강한 적외선의 파장은 λm=2989/(309~310.5)=9.67~9.64um이고, 중심 파장은 9.65um이다. 따라서 인체에서 방출되는 가장 강한 적외선의 파장은 정확히 필터창의 응답파장(7~14um)의 중심에 해당됩니다. 따라서 필터창은 인체에서 방출되는 적외선을 효과적으로 통과시킬 수 있으며, 햇빛, 빛 등 가시광선 중의 적외선은 최대한 통과시켜 간섭을 방지할 수 있다.

요약하면 센서는 인체와 체온이 비슷한 물체나 인체를 움직이거나 움직이는 경우에만 작동합니다.

프레넬 렌즈 프레넬 렌즈를 사용하지 않을 경우 센서의 감지 반경은 2미터 미만입니다. 프레넬 렌즈와 함께 사용해야 최대 효과를 얻을 수 있습니다. 프레넬 렌즈를 장착하면 센서의 감지 반경이 10미터에 이릅니다. 예를 들어 일부 센서는 빠르게 움직이는 자동차 안의 인체를 20미터 거리에서 안정적으로 감지할 수 있습니다. 프레넬 렌즈는 플라스틱 시트로 만들어집니다. 그림 3은 평면도이다. 그림에서 볼 수 있듯이 렌즈는 수평 방향으로 세 부분으로 나누어져 있고, 각 부분은 수직 방향으로도 여러 영역으로 나누어져 있습니다. 최상부의 동일한 부분은 렌즈 유닛으로, 동심원으로 구성되며, 동심원의 중심은 렌즈 유닛 내에 있습니다. 가운데 절반과 아래쪽 절반의 동일한 부분도 렌즈 유닛이며, 역시 동심원으로 구성되어 있지만 동심원의 중심은 렌즈 유닛 내에 있지 않습니다. 빛이 이러한 렌즈 장치를 통과하면 밝은 영역과 어두운 영역이 교대로 나타나는 가시 영역과 맹목 영역이 형성됩니다. 각 렌즈 유닛은 시야각이 작기 때문에 가시 영역은 시야각 내에 있고 맹인 영역은 시야각 외부에 있습니다. 두 개의 인접한 렌즈 유닛은 그림 3b와 같이 간헐적이고 중첩되거나 교차하지 않는 사각지대와 가시광선 영역으로 분리됩니다. 이와 같이 렌즈를 센서 바로 앞의 적절한 위치에 놓으면 움직이는 인체가 렌즈 앞에 나타나면 인체에서 방사되는 적외선이 렌즈를 통과하여 연속적으로 교번하는 그림자 영역을 형성하게 됩니다. (맹인 영역)과 밝은 영역(가시 영역)으로 인해 센서 표면의 온도가 지속적으로 변화하여 전기 신호가 출력됩니다. 또한 인체가 감지 영역에서 움직일 때 한 렌즈 유닛의 시야를 벗어나자마자 즉시 다른 렌즈 유닛의 시야로 들어간다는 것도 이해할 수 있습니다(인접한 렌즈 유닛이 매우 가깝기 때문입니다). 인체와 함께 움직이는 사각지대와 가시광선이 있어 센서의 온도가 변화하여 전기신호를 출력하게 됩니다.

프레넬 렌즈는 가시 영역과 사각 영역을 형성할 수 있을 뿐만 아니라 포커싱 효과도 있습니다. 초점은 일반적으로 약 5cm입니다. 실제 적용에서는 프레넬 렌즈를 실제 상황에 맞게 조정해야 합니다. 또는 데이터에서 제공하는 지침에 따라 렌즈와 센서 사이의 거리는 일반적으로 센서 바로 앞에서 1~5cm로 고정됩니다.

프레넬 렌즈는 일반적으로 폴리에틸렌 플라스틱 시트로 만들어지며 색상은 유백색 또는 검정색이며 반투명하지만 파장이 약 10um인 적외선에는 투명합니다.

표 1은 초전성 인체 적외선 센서 SCA02-1의 주요 전기적 매개 변수를 보여줍니다.

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2. 초전성 인체 적외선 센서의 기본 응용

그림 4는 P2288 또는 SCA02-1 센서로 구성된 초전성 인체 적외선 센서입니다. 탐지 및 증폭 회로.

표 1

항목 매개변수 조건

전원 전압 2.2~10.0V

소스 전압 0.3~2.0V 25. C

소스 임피던스 47KΩ Id=6~43uA

전기 밸런스 10Max)

주파수 응답 0.3~30Hz 12db(Max)

응답 파장 7.5~14um, 평균 70 이상

작동 온도 -10~50. C

그림 4

PY1은 센서 P2288 또는 SCA02-1이고 IC1은 저잡음 고속 연산 증폭기 LM358 등입니다. PY1은 인체의 적외선 신호를 감지한 후 핀 2에서 매우 약한 전기 신호를 출력하고 이를 비반전 증폭기 IC1a에 직접 입력하여 약 2500배 증폭한 다음 핀에서 특정 진폭의 신호를 출력합니다. 그런 다음 추가 증폭을 위해 커패시터 C8을 통해 반전 증폭기 IC1b에 연결됩니다. IC2는 IC1b의 7핀의 전압 진폭이 Ua와 Ub의 진폭 사이에 있을 때 IC1b의 7핀의 전압 진폭이 Ub의 진폭보다 크면 출력이 없습니다. , IC의 IC2 핀 7은 IC1b의 핀 7의 전압 진폭이 Ua의 진폭보다 낮을 때 D1과 D2의 상호 절연 및 "OR" 효과를 통해 하이 레벨을 출력합니다. P점 레벨 제어 신호로부터 하이 레벨 출력. R11은 창의 임계값 레벨을 설정하는 데 사용되며 R11을 조정하면 감지기의 감도를 조정할 수 있습니다. P점은 다음과 같은 실제 회로에서 사용할 수 있는 높은 수준의 제어 신호를 출력합니다.

1. "전기, 위험" 안전 경고 회로는 전기가 흐르는 장소에 사람이 들어가면 음성과 소리, 빛을 발산하여 안전에 주의를 환기시키는 회로입니다.

2. 자동문은 주로 은행이나 호텔에서 사용된다. 누군가 들어오면 자동으로 문이 열리고, 누군가 나가면 자동으로 닫힙니다.

3. 적외선 도난 경보기는 은행, 사무실 건물, 가정 및 기타 장소의 도난 방지 경보기에 사용됩니다.

4. 고속도로 차량 교통 카운터

5. 조명 자동 켜짐 및 꺼짐, 인체 접근 시 자동 스위치 등

(이 글은 '전자세계' 1996.10, 11호에 게재되었으며, 여기서는 삭제되었습니다.)

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7. 초전성 인체 적외선 센서의 원리 및 응용

Reference/technology/article.htm