CN106872051B - 一种人体红外感应装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的人体红外感应装置，通过所述热电堆芯片将人体的红外辐射能量直接转换为连续输出的电压信号，所述热敏电阻芯片在电路中回路中形成分压信号，再通过感应模块本体对电压信号及分压信号进行信号处理，根据电压信号及分压信号运算所述热电堆芯片和热敏电阻芯片是否有由红外辐射造成的温度差，从而判断周围空间是否存在人体，避免使用了灵活度差的延时控制芯片以及预先对延时参数的估算，提高了人体感应的准确性和使用便利性；无需明暗场菲涅尔镜片斩波装置，降低了模块的复杂程度，提高可靠性。

Description

一种人体红外感应装置
技术领域
本发明涉及红外检测技术领域，尤其涉及一种人体红外感应装置。
背景技术
传统的热释电式红外人体感应模块中，通常会采用延时控制芯片来实现灯具、自动门等外设在一定连续时间内持续工作的。由于具体实际情景中人们活动需求照明时间、自动门打开时间、水龙头流水时间等的不确定性，而延时控制芯片的延时参数完全取决于延时电容的大小，故热释电式红外人体感应模块一经安装后，就很难调整延时参数，延时过长不利于节能环保及自动控制，延时过短又容易频繁地开关外设，给人们活动造成不便，又影响外设工作寿命。同时，热释电式红外人体感应模块还需要装设明暗场菲涅尔镜片斩波装置，在传感器前方产生一个交替变化的“盲区”和“可见区”，当有人从透镜前走过时，人体发出的红外辐射才会间断地被热释电元件接收到，从而使其电荷极性不断转换，得以输出脉冲信号，故而不能检测静止或动作幅度不大的人体红外辐射信号。
发明内容
基于此，有必要提供一种能够静止或动作幅度不大的人体红外辐射信号的人体红外感应装置。
一种人体红外感应装置，包括：电源模块、电性连接所述电源模块的感应模块本体及热堆式探头模块，所述热堆式探头模块包括用于接收红外辐射的红外光学接收组件及热堆红外传感器，所述热堆红外传感器包括热电堆芯片及与所述热电堆芯片电性连接的热敏电阻芯片，其中：
所述红外光学接收组件将接收的红外辐射形成光斑并聚焦于所述热电堆芯片上，所述热电堆芯片接收所述光斑后形成连续输出的电压信号，所述热敏电阻芯片在电路中回路中形成分压信号；
所述感应模块本体根据所述电压信号及分压信号，运算所述热电堆芯片和热敏电阻芯片是否有由红外辐射造成的温度差，从而判断周围空间是否存在人体。
在一些较佳实施例中，所述电源模块为220V市电转换得到的低压直流电或者为USB接口输出的低压直流电或者为可充电锂离子或者为锂聚合物电池输出的低压直流电或者为若干个干电池输出的低压直流电。
在一些较佳实施例中，所述感应模块本体包括低通滤波电路、运算放大芯片、信号处理芯片、控制芯片、温度抵偿电路、通讯芯片、外设接口和继电器，所述电压信号依次经所述低通滤波电路、运算放大芯片、信号处理芯片及所述控制芯片后通过外接接口连接外接设备；所述分压信号依次经所述温度抵偿电路、运算放大芯片、信号处理芯片及通讯芯片后通过外接接口连接外接设备。
在一些较佳实施例中，所述光学接收组件包括沿所述红外辐射光线传播方向设置的若干个菲涅耳透镜及若干个聚焦透镜。
在一些较佳实施例中，所述光学接收组件还包括若干个平面或者双曲面的反射镜，所述反射镜用于将所述红外辐射光线反射至所述菲涅耳透镜上。
在一些较佳实施例中，所述热堆式探头模块还包括热绝缘防干扰组件，所述热绝缘防干扰组件包括设置于底端的引脚垫片及固定所述菲涅耳透镜及聚焦透镜的管套，所述引脚垫片为塑料或者陶瓷材料，所述管套为金属或者塑料或者陶瓷材料，所述套管表面镀有红外光学吸收或者反射材料。
在一些较佳实施例中，所述热堆红外传感器还包括红外滤光片，经所述红外滤光片过滤后的光斑聚焦于所述热电堆芯片上，所述红外滤光片为镀有红外光学镀膜材料的硅或者锗或者蓝宝石或者石英玻璃的红外滤光片。
在一些较佳实施例中，所述热电堆芯片由热电偶相互串联起来构成，所述热电偶由带空腔的硅衬底上的若干块接收面上的若干对多晶硅与铝或者赛贝克系数差较大的半导体材料制成的，所述热电偶的热端放置在所述硅衬底空腔顶部的薄膜结构上，所述热电偶的冷端放置在硅衬底导热侧壁上。
在一些较佳实施例中，所述热敏电阻芯片由负温度电阻系数的材料制成，所述热敏电阻芯片与封装外壳和/或底座用热导材料连接，所述热敏电阻芯片的电阻值在电路中的分压电压值随所述封装壳内的温度改变而化。
本发明采用上述技术方案，其有益效果在于：
本发明提供的人体红外感应装置，所述热电堆芯片接收所述光斑后形成连续输出的电压信号，所述热敏电阻芯片在电路中回路中形成分压信号，所述感应模块本体根据所述电压信号及分压信号，运算所述热电堆芯片和热敏电阻芯片是否有由红外辐射造成的温度差，从而判断周围空间是否存在人体，避免使用了灵活度差的延时控制芯片以及预先对延时参数的估算，提高了人体感应的准确性和使用便利性；无需明暗场菲涅尔镜片斩波装置，降低了模块的复杂程度，提高可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的人体红外感应装置的原理示意图。
图2为本发明较佳实施例提供的所述热堆式探头模块的结构示意图。
图3为本发明较佳实施例提供的热堆红外传感器的结构示意图。
图4为本发明较佳实施例提供的人体红外感应装置的工作原理图。
图5为本发明实施例1提供的电路原理图。
图6为本发明实施例2提供的电路原理图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1，为本发明提供的一种人体红外感应装置100的原理示意图，包括：电源模块110、电性连接所述电源模块的感应模块本体120及热堆式探头模块130。以下详细说了各个部件的具体方案。
在一些优选的实施例中，所述电源模块为220V市电转换得到的低压直流电或者为USB接口输出的低压直流电或者为可充电锂离子或者为锂聚合物电池输出的低压直流电或者为若干个干电池输出的低压直流电。
请参阅图2及图3，分别为所述热堆式探头模块及热堆红外传感器的结构示意图，所述热堆式探头模块130包括用于接收红外辐射的红外光学接收组件131及热堆红外传感器132。所述热堆红外传感器132包括热电堆芯片1321及与所述热电堆芯片1321电性连接的热敏电阻芯片1322。
具体地，所述红外光学接收组件131将接收的红外辐射形成光斑并聚焦于所述热电堆芯片1321上，所述热电堆芯片1321接收所述光斑后形成连续输出的电压信号，所述热敏电阻芯片1322在电路中回路中形成分压信号；所述感应模块本体120根据所述电压信号及分压信号，运算所述热电堆芯片1321和热敏电阻芯片1322是否有由红外辐射造成的温度差，从而判断周围空间是否存在人体。
请一并参阅图4，所述感应模块本体120包括低通滤波电路、运算放大芯片、信号处理芯片、控制芯片、温度抵偿电路温度抵偿电路、通讯芯片、外设接口和继电器，所述电压信号依次经所述低通滤波电路、运算放大芯片、信号处理芯片及所述控制芯片后通过外接接口连接外接设备；所述分压信号依次经所述温度抵偿电路、运算放大芯片、信号处理芯片及通讯芯片后通过外接接口连接外接设备。
请再参阅图2，在一些优选的实施例中，所述光学接收组件131包括沿所述红外辐射光线传播方向设置的若干个菲涅耳透镜1311及若干个聚焦透镜1312。
进一步地，所述光学接收组件131还可以包括若干个平面或者双曲面的反射镜1313，所述反射镜1313用于将所述红外辐射光线反射至所述菲涅耳透镜1311上。可以理解，在所述反射镜1313的作用下，可以将红外辐射光尽可能的反射至所述菲涅耳透镜1311上，提高探测效率。
请再参阅图2，所述热堆式探头模块130还包括热绝缘防干扰组件133，所述热绝缘防干扰组件133包括设置于底端的引脚垫片1331及固定所述菲涅耳透镜及聚焦透镜的管套1332，所述引脚垫片1331为塑料或者陶瓷材料，所述管套1332为金属或者塑料或者陶瓷材料，所述套管表面镀有红外光学吸收或者反射材料。
请再参阅图3，所述热堆红外传感器132还包括红外滤光片1323，经所述红外滤光片1323过滤后的光斑聚焦于所述热电堆芯片1321上，所述红外滤光片1323为镀有红外光学镀膜材料的硅或者锗或者蓝宝石或者石英玻璃的红外滤光片。
可以理解，红外光学接收组件131接收到的红外辐射经所述反射镜1313反射或直接照到菲涅耳透镜1311和/或聚焦镜片1312汇聚成光斑，经过所述红外滤光片1323进行光学滤波处理，减少环境光的影响。
在一些优选的实施例中，所述热电堆芯片1321由热电偶(图未示)相互串联起来构成，所述热电偶由带空腔的硅衬底上的若干块接收面上的若干对多晶硅与铝或者赛贝克系数差较大的半导体材料制成的，所述热电偶的热端放置在所述硅衬底空腔顶部的薄膜结构上，所述热电偶的冷端放置在硅衬底导热侧壁上。
可以理解，当体表温度为t的人体出现在所述热堆探头模块130的探测区域内时，会辐射出波长为λ＝ηt4的红外能量，当所述光斑聚焦到所述热电堆芯片1321上时，所述薄膜结构就吸收红外辐射能量E0＝hc/λ从而升温Δt，所述热电偶的冷、热端之间就产生温度差ΔT，所述热电偶的正负极间就会产生热电动势Vn，所述热电堆的正负极间就得到若干个串联起来的热电偶的热电动势之和Vtotal＝V1+V2+…+Vn，所述热电动势之和是连续输出的电压信号。
在一些优选的实施例中，所述热敏电阻芯片1322由负温度电阻系数的材料制成，所述热敏电阻芯片与封装外壳和/或底座用热导材料连接，所述热敏电阻芯片的电阻值在电路中的分压电压值随所述封装壳内的温度改变而化。
可以理解，连续输出的电压信号，正比于热电堆芯片冷热端之间的温度差；冷端温度与热敏电阻芯片(即环境空气温度一致)，热端温度正比于所吸收红外辐射来源的待测物体表面温度，在本发明优选的实施例中分别为探测区域背景温度和人体表温度，即连续电压信号正比于待测物体表面与环境空气之间的温度差。
请再参阅图4，可以理解，在所述电压信号依次经所述低通滤波电路、运算放大芯片、信号处理芯片及所述控制芯片后及所述分压信号依次经所述温度抵偿电路、运算放大芯片、信号处理芯片及通讯芯片后；所述感应模块本体120根据所述电压信号及分压信号，运算所述热电堆芯片1321和热敏电阻芯片1322是否有由红外辐射造成的温度差，从而判断周围空间是否存在人体，继而根据预设程序通过所述继电器和/或通讯芯片及电性外设接口控制外接设备。
环境空气温度在一定范围内改变只会影响所述热电堆芯片电压信号和所述热敏电阻芯片分压信号，不会引起运算得到的大电压信号变化，而通过选择合适的所述感应模块本体中后级控制部分的电路元件参数值，将触发控制动作的阈值设定为人体表温度对应的运算得到的大电压信号。
本发明提供的人体红外感应装置，所述热电堆芯片1321接收所述光斑后形成连续输出的电压信号，所述热敏电阻芯片1322在电路中回路中形成分压信号，所述感应模块本体120根据所述电压信号及分压信号，运算所述热电堆芯片和热敏电阻芯片是否有由红外辐射造成的温度差，从而判断周围空间是否存在人体，避免使用了灵活度差的延时控制芯片以及预先对延时参数的估算，提高了人体感应的准确性和使用便利性；无需明暗场菲涅尔镜片展波装置，降低了模块的复杂程度，提高可靠性。
以下为具体实施例部分：
实施例1
第一种方式如图5，采用5V直流电源供电，电源适配器接口可以选用标准microUSB母口，以方便供电；当感应区域内存在红外辐射信号时，热电堆芯片吸热产生热电动势，从Sensor的1、3引脚输出小电压信号Vtotal，Vtotal经R1和C1，R2和C2构成的RC电路，初步过滤掉高频噪声信号后，再经过IC1芯片过滤去除共模噪声信号，同时在IC1进行运算放大后输出电压g1*Vtotal，放大倍率g1由R2/R1决定；热敏电阻的分压信号VNTC从Sensor的2、4引脚输出，经R7和C5构成的RC电路，初步过滤掉高频噪声信号后，由IC2对g1*Vtotal和VNTC进行差分比较运算，输出电压信号ΔV＝g1*Vtotal-VNTC，反映出被测目标物体表面与环境间的温度差ΔT＝a*ΔV，温差电压系数a由Sensor和IC的电子参数决定；通过选取合适参数的电子元件，使得ΔV能够驱动三极管Q1，从而导通继电器的1、2引脚，继电器3、4引脚断开，4、5引脚闭合，继而控制外接设备工作；或者ΔV经过控制芯片IC3(示意图中未包含)直接进行运算，判断出所述热电堆芯片和热敏电阻芯片是否有由红外辐射造成的温度差，从而推断出感应模块周围空间的不同方向上是否存在人体，继而根据预设程序通过所述继电器和/或通讯芯片IC4(示意图中未包含)及外设接口J1(示意图中未包含)控制外接设备工作。由于电路连续工作产生热量累积会造成升温，在本实施例中加入了正温度电阻系数的电阻R6与热堆红外传感器中的热敏电阻芯片组成温度抵偿电路，模块电路升温后，两者的分压电压一个增加，一个减小，选择合适的参数值，可以在一定温度漂移范围内相互抵消，从而增强了长时间连续工作的稳定性。
实施例2
第一种方式如图6，与实施例1不同之处在于继电器采用12V直流电源供电，电源适配器接口可以选用标准3.5mm电源母口，以适用于大功率外接设备的使用场景，这里不再赘述。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种人体红外感应装置，其特征在于，包括：电源模块、电性连接所述电源模块的感应模块本体及热堆式探头模块，所述热堆式探头模块包括用于接收红外辐射的红外光学接收组件及热堆红外传感器，所述热堆红外传感器包括热电堆芯片及与所述热电堆芯片电性连接的热敏电阻芯片，其中：所述红外光学接收组件将接收的红外辐射形成光斑并聚焦于所述热电堆芯片上，所述热电堆芯片接收所述光斑后形成连续输出的电压信号，所述热敏电阻芯片在电路中回路中形成分压信号；所述感应模块本体根据所述电压信号及分压信号，运算所述热电堆芯片和热敏电阻芯片是否有由红外辐射造成的温度差，从而判断周围空间是否存在人体；
所述感应模块本体包括低通滤波电路、运算放大芯片、信号处理芯片、控制芯片、温度抵偿电路、通讯芯片、外设接口和继电器，所述电压信号依次经所述低通滤波电路、运算放大芯片、信号处理芯片及所述控制芯片后通过外接接口连接外接设备；所述分压信号依次经所述温度抵偿电路、运算放大芯片、信号处理芯片及通讯芯片后通过外接接口连接外接设备。
2.根据权利要求1所述的人体红外感应装置，其特征在于，所述电源模块为220V市电转换得到的低压直流电或者为USB接口输出的低压直流电或者为可充电锂离子或者为锂聚合物电池输出的低压直流电或者为若干个干电池输出的低压直流电。
3.根据权利要求1所述的人体红外感应装置，其特征在于，所述光学接收组件包括沿所述红外辐射光线传播方向设置的若干个菲涅耳透镜及若干个聚焦透镜。
4.根据权利要求3所述的人体红外感应装置，其特征在于，所述光学接收组件还包括若干个平面或者双曲面的反射镜，所述反射镜用于将所述红外辐射光线反射至所述菲涅耳透镜上。
5.根据权利要求4所述的人体红外感应装置，其特征在于，所述热堆式探头模块还包括热绝缘防干扰组件，所述热绝缘防干扰组件包括设置于底端的引脚垫片及固定所述菲涅耳透镜及聚焦透镜的管套，所述引脚垫片为塑料或者陶瓷材料，所述管套为金属或者塑料或者陶瓷材料，所述管套表面镀有红外光学吸收或者反射材料。
6.根据权利要求1所述的人体红外感应装置，其特征在于，所述热堆红外传感器还包括红外滤光片，经所述红外滤光片过滤后的光斑聚焦于所述热电堆芯片上，所述红外滤光片为镀有红外光学镀膜材料的硅或者锗或者蓝宝石或者石英玻璃的红外滤光片。
7.根据权利要求6所述的人体红外感应装置，其特征在于，所述热电堆芯片由热电偶相互串联起来构成，所述热电偶由带空腔的硅衬底上的若干块接收面上的若干对多晶硅与铝或者赛贝克系数差较大的半导体材料制成的，所述热电偶的热端放置在所述硅衬底空腔顶部的薄膜结构上，所述热电偶的冷端放置在硅衬底导热侧壁上。
8.根据权利要求7所述的人体红外感应装置，其特征在于，所述热敏电阻芯片由负温度电阻系数的材料制成，所述热敏电阻芯片与封装外壳和/或底座用热导材料连接，所述热敏电阻芯片的电阻值在电路中的分压电压值随所述封装外壳内的温度改变而化。
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