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热释电传感器原理解析 — 埃赛力达Excelitas红外热释电传感器优势分析

发布时间:2026-01-09 阅读量:169


深圳鑫赛创⭐
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埃赛力达(Excelitas)红外热释电传感器的工作原理,基于热释电效应红外光学探测的结合,核心是通过热释电材料捕捉人体红外辐射、转化为电信号,再经内部电路处理输出稳定的探测结果。



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PART 01






核心物理基础:热释电效应







效应定义某些极性晶体材料(如钽酸锂 LiTaO₃、锆钛酸铅 PZT)具有自发极化特性—— 晶体内部的正负电荷中心不重合,形成固有电偶极矩。当这类材料吸收红外辐射导致温度变化时,电偶极矩会随之改变,晶体表面会产生电荷的释放或积累,这一现象就是热释电效应



埃赛力达传感器核心采用高灵敏度钽酸锂晶体5.5–14μm 波段红外辐射(人体体温辐射的核心波段,约 9.5μm)响应极强;温度系数低,环境温度波动对极化强度影响小,抗干扰能力强;居里温度高(>600℃),适合工业 / 民用等宽温场景。

PART 02






传感器结构设计:
双元 / 四元元件的抗干扰逻辑






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热释电传感器常见干扰源

 

热释电传感器的误触发或信号失真

↓   主要来自以下几个方面   ↓



干扰类型
具体来源
对传感器的影响
红外辐射干扰
1. 阳光直射、强光照射
2. 暖气、空调、等热源
3. 汽车尾气、灯光等红外波段
热释电元件接收非,人体红外辐射,产生虚假信号,触发误报警。
电磁干扰EMI
1. 电机,继电器等大功率器件
2. 手机、路由器等射频设备
3. 电源线的电磁辐射
干扰内置 FET 放大电路,导致信号噪声增大,数字系列通信出错。
环境温度波动
  1. 昼夜温差大
  2. 空调启停导致温度突变
  3. 强风直吹传感器表面
元件温度快速变化,双元反向串联结构,无法完全抵消,产生漂移信号。
机械振动干扰
1. 设备震动导致透镜位移
2. 元件固定不牢,产生了机械应力
透镜与元件相对位置变化,破坏视场分割逻辑,引发误触发




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元件结构组成


两个性能完全一致的热释电元件(A、B),在基板上反向串联,共享同一个红外窗口,且被菲涅尔透镜分割为两个独立的探测视场。


埃赛力达主流型号(如 PYD1598、PYQ1548)均采用双元或四元热释电元件反向串联的结构,这是核心技术亮点,目的是抑制静态干扰。




静态环境抑制:当环境温度缓慢变化时,两个元件同时吸收热量,温度变化量相同,产生的热释电电荷大小相等、极性相反,相互抵消,输出信号为 0,避免误触发;


动态目标触发:当人体(红外辐射源)移动时,会依次进入元件 A、B 的视场,两个元件的温度变化存在时间差,产生的电荷无法抵消,从而输出有效的脉冲电信号。


四元元件强化:

高端型号(如 PYQ1548)的四元元件 + 温度参考通道,可进一步抵消复杂环境的温度漂移,提升探测精度




埃赛力达传感器分为模拟系列数字 DigiPyro® 系列,信号处理流程略有差异,但核心步骤一致:

电荷收集与放大:热释电元件产生的电荷极其微弱(pC 级别),需通过内置场效应管(FET) 进行阻抗变换和前置放大,将电荷信号转化为可检测的电压信号。这一步埃赛力达的优势是:集成 EMI 滤波电路,可抵抗手机、电机等电磁干扰。


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滤波与阈值判断(模拟系列):模拟型号(如 PYD1398)的输出为模拟电压信号,需外部电路配合:

带通滤波:保留 0.1–10Hz 的信号(人体移动的典型频率),滤除高频噪声和低频环境干扰;


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阈值比较:设定触发阈值,当信号超过阈值时,输出高电平,驱动继电器 / 指示灯等负载。

  1. 数字化处理:(DigiPyro® 数字系列)数字型号(如 PYD1598)内置ADC 模数转换器 + MCU,信号处理更智能:模拟信号经 ADC 转换为数字信号,MCU 进行数字滤波、温度补偿;


  2. 内置阈值算法:可通过 I²C 接口自定义灵敏度(1–16 级)和触发延时;直接输出中断信号或数字状态,无需外部调理电路,简化用户设计。



  • PART 04






    光学匹配 - 菲涅尔透镜的作用




红外热释电原理图中.png


热释电传感器往往需搭配菲涅尔透镜使用,透镜是决定探测范围和角度的关键,其原理是以下3个方面:

  1. ①红外聚焦:

    透镜采用聚乙烯(PE)材料,可透过 5.5–14μm 红外光,将大面积的红外辐射聚焦到热释电元件上,提升探测灵敏度。


  2. ②视场分割:

    透镜表面的同心圆纹路,将探测区域分割为多个交替的 “敏感区” 和 “盲区”,人体移动时会在敏感区和盲区之间切换,形成脉冲信号,增强触发可靠性。


  3. ③距离扩展:

    无透镜时探测距离仅 1–2m,搭配透镜后可达 10–15m,满足安防、智能家居的远距离需求。





  • PART 05






    关键特性总结: 原理决定的产品优势


原理特性
产品优势
典型应用

钽酸锂晶体
 5.5–14μm
响应

对人体红外辐射精准识别
无需制冷
人体感应灯
智能门锁
双元反向串联

抗环境温度漂移
误触发率低

安防报警器
户外探测器

数字系列集成
 MCU+ADC

低功耗(3μA)
数字输出,抗干扰强
无线传感器节点
电池供电设备
菲涅尔透镜
匹配

远距离探测
(10–15m)
宽视场角

周边防护
自动门



埃赛力达(Excelitas)红外热释电传感器是基于热释电陶瓷材料的红外探测器件,核心用于运动检测、入侵报警、智能家电等场景,其中DigiPyro® 数字系列与传统模拟系列覆盖低功耗、高精度、数字化输出等不同需求,技术成熟且市场认可度高。
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工作原理
热释电材料(如钽酸锂、锆钛酸铅)吸收 5.5–14μm 红外辐射后,温度变化产生表面电荷,经放大与信号处理输出运动触发信号;双元 / 四元元件反向串联可抑制环境温度漂移,提升抗干扰能力。
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    核心优势


  2. 宽光谱响应:适配人体与环境红外波段,无需制冷,成本低。


  • 低功耗设计:数字系列静态电流可低至3μA(1.8V 供电),适合电池供电设备。

  • 抗干扰能力:集成 EMI 滤波、温度补偿,数字输出减少模拟噪声影响。

  • 封装标准化:多采用 TO-5 金属封装,兼容主流光学镜头与 PCB 设计。


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    03

    关键型号参数速览

  2. LHI 778/LHI878(模拟系列)

  1. ⭐优势:成本低、设计简单,兼容传统 PIR IC(如 BISS0001),工业级温宽(-40℃至 85℃),EMI 防护良好。
  2. 差异:LHI778 小窗口、低成本,适合小视场消费类产品;LHI878 标准窗口、95° 视场,适配标准菲涅尔透镜,适合安防与商业照明。

  3. PYD 1588/PYD 1598(数字系列)
    ⭐优势:1.8V 供电、3μA 休眠电流,支持唤醒 / 休眠,延长电池寿命;集成数字处理,可设灵敏度、带通、脉冲计数,输出中断信号,简化外围电路
    差异:PYD1588 标准窗口、110° 视场,适合常规电池设备;PYD1598 大窗口、130° 视场,抗白光更强,适合长距离与户外场景

  1. 核心参数对比表


  2. 参数
    LHI 778
    LHI 878
    PYD 1588
    PYD 1598
    核心架构
    模拟双元互补陶瓷 + FET 源极跟随器
    模拟双元互补陶瓷 + FET 源极跟随器
    数字双元 + 集成数字化单元
    数字双元 + 集成数字化单元
    封装
    TO-5,小窗口
    TO-5,标准窗口
    TO-5,标准窗口
    TO-5,大窗口
    响应度
    3300–4000 V/W(100℃,1Hz)
    3300–4000 V/W(100℃,1Hz)
    高响应陶瓷元件
    高响应陶瓷元件
    噪声
    20–50 μVpp(25℃,0.3–10Hz)
    20–50 μVpp(25℃,0.3–10Hz)
    集成滤波,低噪声
    集成滤波,低噪声
    工作电压
    2–15 V
    2–15 V
    1.8 V低功耗
    1.8 V低功耗
    工作电流
    mA 级
    mA 级
    3 μA/1.8V
    3 μA/1.8V
    视场角
    小视场
    95°
    110°
    130°
    抗白光性能
    基础
    基础
    标准
    增强(大窗口)
    核心功能
    模拟输出
    模拟输出
    数字输出、中断、灵敏度 / 带通可调
    数字输出、中断、灵敏度 / 带通可调
    成本定位
    低成本
    标准成本
    中低成本
    标准成本



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选型与应用建议


    • 模拟转数字

      PYD 系列可直接输出数字信号与中断,无需额外 PIR IC,适合电池产品;LHI 系列需搭配专用 IC 与菲涅尔透镜。

    • 电源适配

      PYD 系列需 1.8V 稳压电源,LHI 系列支持 2–15V 宽压,两者引脚不兼容,不可直接互换。

    • 视场扩展

      均需菲涅尔透镜,PYD1598 大窗口适配更大透镜,探测距离更远。、


 型号
 最佳场景
 选型要点
 LHI 778
成本敏感、小视场消费类(智能开关、玩具)
成本优先,无需复杂功能
 LHI 878
标准视场、批量安防 / 商业照明
传统模拟方案,稳定可靠
 PYD 1588
电池供电、常规视场设备(智能门锁、小型探测器)
低功耗 + 数字功能,简化设计
 PYD 1598
长距离探测、户外 / 强白光环境(户外灯、远距离报警器)
强抗白光,适合严苛场景


END







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