主動式紅外線感測器使用方式(續)

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紅外線感測器
光電四A 4990B003 許盈薇
光學感測器的定義
光學感測器是利用光敏元件將光訊號轉換為電訊號的感測器。
常用光敏元件的感應波長在可見光波長附近﹐如紅外線波長和紫外
線波長。
光學感測器不只是應用於光的測量﹐更常用於作為探測元件﹐組成
其它類型的感測器﹐對非電量(如溫度等)進行檢測﹐只要將這些
非電量轉換為光訊號的變化﹐便可實現對非電量的檢測。

感測器(Sensor)種類包括以
物理原理:以金屬元件為主
光 (紅外線)、磁力
振動、超音波 (距離)、壓力
化學原理:以電位化學量來感測
氣體 (瓦斯、一氧化碳等)、離子
溫 (溼) 度
生物原理:以生物材料為感測元件
醫療、空氣品質之監測
等做為檢出的對象感測器
紅外線感測器種類(續)
•量子型紅外線感測器
原理是利用光電效應來感應溫度的變化,例如光二極
體,以及利用光電效應的 CdS、PbS 等元件。
紅外線LED 與接收器
紅外線感測器
CNY70光感測器
紅外線感測器使用方式
紅外線感測器使用方式可分為
主動式(遮斷式)
由一組紅外線發射器與接收器所組成。
發射器必須不斷發射近紅外線至接收端,屬於一維點
對點感應方式。
適用於室內或室外點對點的直線距離使用 。
被動式
而被動式人體紅外線感測器(又稱為PIR)
感應器本身不會發射紅外線光束,而是靠物體之熱源
移動觸發感應器,屬於二維或三維的感應方式。
適用於室內封閉空間防盜器、感應照明。
主動式紅外線感測器使用方式
•主動式紅外線感測器為利用紅外光線以檢知受體的一種感測器。
使用上分為二類:
•反射型:紅外線光源與感光元件並排放置,紅外線
光線是否自物體反射來判斷物體的方式。
主動式紅外線感測器使用方式(續)
•遮光型:紅外線光源與感光元件設置相向的位置,當從紅
外線光源射往感光元件的光線被遮斷時,即判斷其間有物
體存在的方向。
紅外線感測器之應用
•工業上的應用—計件器
以電子電路偵測紅外線發射與接收之間的阻隔或反射
情形來判斷是否物體通過。
物體阻隔紅外線
物體反射紅外線
紅外線感測器之應用(續)
•耳溫槍(或額溫槍)
•人體在不同體溫時,輻射出的紅外線頻率會有微量
的不同。因此,透過紅外線偵測器,就可以測出人的
體溫。
紅外線感測器之應用(續)
•警報系統
利用焦電型紅外線感測器,可偵測人體幅射出的紅外
線,也有些是利用紅外線發射器與接收器之間的接收
狀況,來偵測是否有物體的存在。

紅外線感測器
依紅外線的波長範圍和紅外線輻射源可區分為
近紅外線(Near Infra-red, NIR);780~2,000nm。
中紅外線(Middle Infra-red, MIR);2,000~6,000nm。
遠紅外線(Far Infra-red, FIR);6,000~14,000nm。
物體只要高於絕對零度(攝氏-273.15K),即會產生黑體幅射
用下列式子表示:
圖:黑體幅射曲線,在不同溫度時產生不同曲線
我們用此公式,可以計算人體表面溫度近似波峰在9.4 ,從圖一我們可以之知道一個發熱體2000K,我們可能
看到發可見光,一個發熱體500K,我們不可能看到發可見光,確能感到其產生熱氣。
紅外線感測器之應用(續)
•夜間拍攝
•利用紅外線發射器發射紅外線,再利用紅外線感測器接
收反射回來的紅外線,因此,可在黑夜中拍攝影像。
紅外線感測器之應用(續)
自走車—循線感測器
利用反射式紅外線感測器達成循跡動作
13

熱像儀器所配備鏡頭為能使3-5μm 或8-14μm 波段紅外線穿透的材質所研磨成的透鏡組,其中35μm 波段以矽(Si) 材質透鏡最常見,8-14μm 則以鍺(Ge)或ZnSe材質最常見;視窗過濾片方面
(Window filter)亦是以Si 或Ge 材質為主。

由於進光量影響靈敏度,加上以Si 或Ge 為材質的紅外光穿透率相較於可見光的石英等材質並不
高,以至於紅外光鏡頭多採低F-number 設計(如F/0.8, F/1, F/1.5, F/1.8...)來增加進光度。

常溫紅外線感測器常用波段為8-14μm,透鏡也有用較便宜材料PE OR LDPE…等等,但其穿透率約
40~50%,常用於PIR 或THERMOPILE 方面。
圖:PKI 紅外線穿透率對波長曲線。
紅外線常用材質如圖,包括電阻式的
VOxolometer 與壓電感應式的BST Pyroelectric
為主,PZT 壓電陶瓷(鋯鈦酸系材料)。
材料不一樣,讀出訊號方式也不同,基本上要將
訊號轉換成電壓,以利後面 A/D or 放大器處理,
Responsivity 決定材料訊號大小,下列將介紹
各種材料原
理及工作方式。
圖:PKI 偵測不同氣體用不同過濾片一覽
圖:紅外線常用材料特性
PIR SENSOR ELEMENT 需求至少兩
片或更多,因為PIR 對振動也會感
測到訊號,因此用兩片對接,可以
降低振動感測訊號,約降低振動訊
號100~1000倍,對於焦電材料電阻
圖六:PIR 內部結構。
大於10^12 歐姆,因此1/f 雜訊相
PIR 此人體紅外線感測器是以TGG(三甘氨酸硫
當大,1/f 又是PIR 主要雜訊,其
酸鹽或)PZT(汰酸系壓電材料)等強介質所作
雜訊公式如下。
成的紅外光感測器,電源工作電壓為3~15VDC,
使用溫度範圍在-10℃~+50℃,源極的輸出信號
極小,但相對THERMOPILE 算很大,一般需要接
源極到地電組,約10k~47k.歐姆之間,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),其訊號特性如同子彈射入
砂堆內,產生大訊號,接著不久即消失,除非
重復產生訊號。

THERMOPILE 感測器:
圖:各項物體對熱傳導能力,明顯固體大於液體,液體大於汽體。
1823 年,Seebeck 發現由兩種不同金屬接合成
的線路上,若兩接點間有溫差時,即會產生電位
差。這個現象即是熱電偶 (thermal couples)
測量溫度梯度及熱電產生(thermoelectric
generator) 之工作原理。由於一般材料的熱電
效率低,不能引起科學家廣泛的興趣,熱電現象
這個領域幾乎停滯不前。製造熱電產生器或熱電
偶致冷器的材料稱為熱電(thermoelectric
materials),是一種將電能與熱能交互轉變的材
料,THERMOPILE 即用此材料特性做成。
圖:金屬兩端冷熱不同,會產生電壓差。
THERMOPILE 與
BOLOMETER 多採用空中
懸浮板方式感測訊號,
以避免熱能散失太快,
參考圖八,THERMOPILE
因材料用金屬感測訊號,
產生電壓訊號非常小但
其雜訊很低,故S/N 訊
號比PIR 好。
THERMOPILE 用放大讀
取訊號,OP 需要選取具
有LOW OFFSET,LOW
NOISE 的放大器,否則
微小訊號將被OP
OFFSET 吃掉,量不到訊
號,後極放大也無法處理。
圖:上圖為THERMOPILE 對溫度變化,會產生電壓差,其相對PIR 訊號小很
多。

結論
這裡討論中紅外線與遠紅外線常溫環境工作產品,由於材料不同用途
也不同,讀取訊號方式也不同,PIR 與THERMOPILE 使用單一元件較
多,之前多是類比式,最近有些數位式上市,適合需要體積小產品,
或設計要求省開發時間產品,THERMOPILE ARRAY 目前有使用低點數
ARRAY,客戶認為點數16*16OR 32*32 較有市場,BOLOMETER 國內外
開發很久,BOLOMETER ARRAYSENSOR 目前以法國商業化最成熟。
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參考資料:

[1] PerkinElmer “INFRARED SENSING TECHNOLOGIES-FOR A
HEALTHIER,CLEANER AND SAFER TOMORROW”,SECTION 1,page
7~11,2008。
[2] EXCELITAS “Infrared Sensing For Secure Homes, Healthier Families
and Energy Savings”, SECTION 1,page 7~11,2010。
http://www.seraphim.com.tw/upfiles/c_supports01318413053.pdf
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