紅外線感測器工作原理

(1)

紅外線感測器工作原理

周宗儀。中山工商。綜合高中。三年 7 班。

(2)

壹●前言:

一九九一年的一月十七日凌晨時分，美國和多國部隊的空軍大舉出擊，點燃波斯灣戰火，有效地摧毀伊拉克、科威特境內之重要軍事設施。其中使用紅外線技術之裝備在此次戰爭中，扮演著極重要的角色，且相當具有新聞價值。在聯軍舉行之記者招待會裡，多次利用戰機「即時錄影設備，展示聯軍轟炸成果，這也人多是利用紅外線技術裝備所拍攝的影片。不但告訴世人，武器裝備運用紅外線技術之精準性，而且也直接支持聯軍沒有濫炸之証明。此次波斯灣戰爭，美國之所以如此強調夜戰，最主要的原因即是美軍在夜戰戰術層面擁有絕對科技優勢，且隨著夜戰系統的不斷更新，美國已經建立了全世界第一支能夠二十四小時作戰的打擊武力，而所謂夜戰系統，即是完全基於紅外線感應的科學原理。

貳●正言:

一.紅外線技術的基本概念:

自然界中一切溫度高於絕對審度(- 273℃)的物體都不斷的輻射著紅外線，這種現象稱為熱輻射。紅外線是一種人眼看不見的光波，它是由物質內部的分子、原子運動所產生的電磁輻射，是電磁頻譜的一部分，其波段介於可見光與微波波段之間 (0.761~1﹐000 微米)通常我們依波長把紅外光譜分成四個波段:近紅外光(0.76~3 微米)。中紅外光(3~6 微米)。中遠紅外光(6~20 微米)。遠紅外光(20~1~1﹐000 微米)。

一切物體都有其自身的紅外線輻射特性。為研究各種不同物體的紅外線輻射，人們用理想的輻射體一絕對黑體(簡稱黑體)作基準。能吸收全部入射的輻射而不會產生反射的物體稱為黑體。良好的吸收體必然也是良好的輻射體，因此，黑體的輻射效率最高，將其輻射率比定為 l，任何實際物體的輻射發射量與同一溫度下黑體的輻射發射量之比稱為該物體的輻射率比，其值必小於"1"。物體的輻射率比與該物體的材料種類、表面特性、溫度、波長等因素有關。黑體的輻射特性可用普朗克定律描述，該定律繪出了以黑體作為溫度函數的光譜分佈。對某一溫度，輻射量最大的波長與其溫度的乘積為常數，這個關係稱作維恩定律。對所有波長積分所得到的總輻射量與溫度的四次方成正比，這個關係稱作斯蒂芬一波爾茲曼定律。物體發出的輻射，大多要通過大氣才能到達紅外光學系統，由於大氣中的二氧化碳.、水氣等氣體對紅外線輻射會產生選擇性的吸收及其他微粒的散射，使紅外線輻射產生不同程度的衰減。人們把某些衰減較小的波段，稱作大氣窗口。在 0,76~20 微米波段內有三個大氣窗口: 1~2,7 微米，3~5 微米，8~14 微米。目前紅外

(3)

線系統所使用的波段，大多限於上述三個人氣窗口之中(大氣窗口還與大氣成份、

溫度和相對濕度等因素有關)。由於紅外線系統所探測的目標處於各自的特定背景之中，從而使探測過程複雜化，因此，在設計紅外線系統時，不但要考慮紅外線輻射大氣中的傳輸效應，還要採取抑背景的技術，以提高紅外線系統探測和識別目標的能力。

二.紅外線感測器:

PIR325 人體紅外線感測器主要由是利用溫度變化產生電荷現象，故又名「焦電型」

人體紅外線感測器。此人體紅外線感測器是以 TGG（三甘氨酸硫酸鹽或）PZT（汰酸系壓電材料）等強介質所作成的光感測器，電源電壓為 3~15VDC，使用溫度範圍在-10℃~+50℃，源極的輸出信號極小，僅有數 mV 到數十 mV，能接受所有熱體所輻射出來的紅外線（包括人體）。

PIR325 人體紅外線感測器接腳圖及內部方塊圖如圖 1 所示，其中 Pin1(Drain) 為輸出端，Pin2(Source)為電壓輸入，最大可至 15V，Pin3(Ground)接電源負極。

圖 1. PRI325 人體紅外線感測器接腳圗及內部方塊圖

【圖片來源】檢索於 2007/10/07 http://designer.mech.yzu.edu.tw/

PIR325 人體紅外線感測器包含兩個感測元件，如下圖 2 所示，兩個感測元件均無受到遮擋時輸出保持平衡，即無明顯電壓變化；當其中一感測器被遮擋時，

產生單一電壓訊號輸出，此時可發現輸出電壓訊號值變大；當第二個感測元件都被遮擋時，此時電壓輸出訊號將下降，並在隨後自行回復平衡時的電壓。

(4)

圗 2. 輸出變化測試圖

【圖片來源】檢索日期 2007/10/07 http://designer.mech.yzu.edu.tw/

實際使用 PIR325 人體紅外線感測器做測試，由示波器可以得到輸出端電壓變化如圖 3 所示。當人體或熱源體經過 PIR325 人體紅外線感測器時，先激發第一個感測元件產生高電位，若隨後激發第二個感測元件便產生低電位，最後兩感測元件再同時回到正常電位。

圗 3. 實際測試輸出電位圖

整個紅外線感測器尚包含 HA17555 計時晶片、JRC2904 晶片、78L05 晶片、繼電器、1N4148 開關二極管、以及多組電容、電阻、電感。其中 HA17555 晶片的主要功能是做為方波產生器、振盪器或是計時器，是數位電路中常使用的元件。在此紅外線感測電路中，HA17555 晶片作為計時器使用，並由一可變電阻調整時間由 1 秒~15 秒。作動方式為紅外線感測器輸出電壓變化後，觸發 HA17555 並控制繼電器開始動作，讓 COM 和 ON 兩端導通，同時 HA17555 開始倒數計時時間，當倒數時間到了，而紅外線感測器沒有再感測到紅外線變化時，HA17555 會使繼電器截止，讓 COM 和 ON 兩端停止導通。

(5)

2. 利用 PIR325 人體紅外線感測器作為電路開關

結合以上各元件及電路，即可達到利用 PIR325 人體紅外線感測器來作為電路開關的目標。整體電路如圖 4 所示。由於我們直接加的電壓源衰減的很快，沒有辦法達到穩壓的效果，因此利用 78L05 做一個穩壓器，將輸入的電壓固定在+5V 以改善電路。PIR325 人體紅外線感測器所產生的電壓訊號較弱，經由 2 顆 2904 晶片做二階放大後，觸發 LED 亮燈以方便使用者觀察，同時觸發 HA17555 計時晶片，

並藉由計時的方式控制末端繼電器切換，達到電路開關的目的。

圖 4. 利用 PIR325 人體紅外線感測器來作為電路開關整體電路

使用此紅外線套件時，可調整電路中的 VR1 來改變 PIR325 人體紅外線感測器的感測距離，距離範圍約 5cm~250cm；調整 VR2 來改變 HA17555 計時晶片的倒數時間長短，倒數時間範圍約 1 秒~15 秒。測試中，當我們調整 VR1 來改變感測距離時，PIR325 人體紅外線感測器所測得的範圍將隨著變化，如圖 5 所示。此時人

(6)

體穿越感測範圍的時間將影響感測器所得到的結果，穿越速度太慢或 HA17555 計時晶片的倒數時間過長時，可能致使 PIR325 人體紅外線感測器在物體穿越時得到二次有效感測，因而觸發繼電器開關二次，失去紅外線感測的準確性。故使用上當感測距離變大時，倒數時間將需要越久。而此套件在多次測試後，距離在 5cm~100cm 可以得到較準確的感測結果，在 100cm~250cm 距離時，較易產生多次感測的現象，準確性較差。

圖 5. 感測範圍示意圖

此紅外線感測套件電路及元件都相當簡易，惟使用前之測試及調教需花費較多時間方可得到較準確的感測值。套件中 PIR325 人體紅外線感測器屬於外露式的裝置方式，易受其它雜訊影響而出錯，使用安裝時需特別注意套件本身的可靠性及強健性。

參●結論

紅外線感測器其實生活中就有很多日常用品屬於這種原理，只是我們都不曉得構造以及如何製造，例：電視遙控器、滑鼠、感應燈、防盜系統…，以後也許會有更多紅外線產品，現在紅外線已經到能在醫療上發展的，能確定的是紅外線在日常生活中是不可或缺的，許多家電都使用了紅外線的原理才能這麼方便。

肆●引註資料:

(一)紅外線技術的基本概念。檢索日期 2007/10/02，http://zh.wikipedia.org/

(二)王坤池(2003)。紅外線感測器。檢索日期 2007/10/07，http://designer.mech.yzu.edu.tw