逢 甲 大 學 自動控制工程學系專題製作 專 題 論 文 ·...

逢 甲 大 學 自動控制工程學系專題製作

專 題 論 文

焦電型紅外線感測器

Pyroelectric Infrared Sensor

指導教授：黃建立

學 生：周佳賢

施易杰 中 華 民 國 九 十 五 年 五 月 十 二 日

ii

感 謝

承蒙吾師黃建立博士的細心指導和懇切教誨，為我們的畢業專題提供了研究

思考的方向，並再我們遭遇困難瓶頸時，能夠給予我們適時的意見和教導，使得

此專題可以順利的完成。

在實驗的時候，也感謝其他的助教從旁協助，讓我們在有需要時可以進入實

驗室，使得實驗的進度可以如期完成。也以最誠摯的言語感謝許多學長和同學的

意見，讓我們有更多的思考方向，在此由中的感謝。

最後對逢甲大學自動控制工程學系的所有師長能夠不辭辛勞提供如此良好

的學習環境，時常解答我們的疑惑，提示我們常犯錯的毛病，讓我們得以事半功

倍，師恩常在，不敢忘懷，再此致上最高的謝意和敬意。

iii

中文摘要

由於科技日益進步，日常生活中已經與科技脫不了關係，而科技也替我們帶

來了便利，使得生活更加豐富與方便。

本專題焦電型紅外線感測器，是利用人體所發出的微弱紅外線，透過焦電

型紅外線感測器，來達到開關的功能，並利用 IC555來計時。

目的是為了研究焦電型紅外線感測器的運用，可用來當作感應開關，將所學

的理論用在日常生活中。

iv

Abstract

With the innovations of technology﹐we have extremely intimate relation in our

daily life. Not only bring us the convenience﹐technology also makes our life

variously.

This project- pyroelectric body infrared sensor is a device that detects light body

heat to make on-off and also function with IC555 as a timer.

The purpose of studying the application of the pyroelectric body infrared sensor

can be made in practice by using it as a sensor switch in our everyday life.

v

目錄

感謝…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………ii

中文摘要……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………iii

Abstract………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………iv

目錄………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………v

圖目錄…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………vii

第一章 前言………………………………………………………………………………………………………………………………………………………1

第二章 感測器的簡介…………………………………………………………………………………………………………………………………2

2.1 感測器的基本認識……………………………………………………………………………………………………………2

2.2 感測器的基本特性……………………………………………………………………………………………………………3

2.3 感測器與雜訊………………………………………………………………………………………………………………………4

第三章 感測器的種類…………………………………………………………………………………………………………………………………6

3.1 感測器的分類與信號………………………………………………………………………………………………………6

3.2 感測器的種類………………………………………………………………………………………………………………………6

3.3 如何選擇適當的感測器…………………………………………………………………………………………………8

第四章 紅外線感測器………………………………………………………………………………………………………………………………10

4.1 紅外線感測器的認識……………………………………………………………………………………………………10

4.2 紅外線感測器的種類……………………………………………………………………………………………………11

4.2.1 熱型紅外線感測器……………………………………………………………………………………………12

4.2.2 量子型紅外線感測器………………………………………………………………………………………13

4.3 焦電型紅外線感測器的動作原理…………………………………………………………………………13

4.4 人體紅外線感測器應用的方法………………………………………………………………………………16

第五章 內部應用電路說明……………………………………………………………………………………………………………………19

5.1 元件的構造簡介………………………………………………………………………………………………………………19

5.2 運算放大器的原理與特性…………………………………………………………………………………………20

vi

5.2.1 什麼是運算放大器……………………………………………………………………………………………21

5.2.2 運算放大器之外部接腳…………………………………………………………………………………23

5.2.3 運算放大器之規格……………………………………………………………………………………………24

5.2.4 非反向放大器………………………………………………………………………………………………………26

5.2.5 反向放大器……………………………………………………………………………………………………………27

5.2.6 差動輸入放大器…………………………………………………………………………………………………27

5.3 第一級放大器……………………………………………………………………………………………………………………28

5.4 第二級調變放大電路……………………………………………………………………………………………………29

5.5 電路圖……………………………………………………………………………………………………………………………………30

5.6 菲涅爾透鏡…………………………………………………………………………………………………………………………31

第六章 總結…………………………………………………………………………………………………………………………………………………32

參考資料…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………33

附錄……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………34

vii

圖目錄

圖 4.1 各種光的波長圖…………………………………………………………………………………………………………………11

圖 4.2 紅外線感測器的分類圖……………………………………………………………………………………………………11

圖 4.3 紅外線感測器感度比較圖………………………………………………………………………………………………12

圖 4.4 焦電型紅外線感測器的原理圖……………………………………………………………………………………14

圖 4.5 紅外線人體感測系統的方塊圖……………………………………………………………………………………16

圖 5.1 PIR325 人體紅外線感測器接腳圗及內部方塊圗……………………………………………19

圖 5.2 IC555 腳位圖…………………………………………………………………………………………………………………………19

圖 5.3 7805 腳位圖……………………………………………………………………………………………………………………………20

圖 5.4 2904 腳位圖…………………………………………………………………………………………………………………………20

圖 5.5 運算放大器的接腳……………………………………………………………………………………………………………21

圖 5.6 共模信號…………………………………………………………………………………………………………………………………22

圖 5.7 典型放大器電路…………………………………………………………………………………………………………………23

圖 5.8 運算放大器接腳名稱………………………………………………………………………………………………………23

圖 5.9 輸入抵補電壓定義……………………………………………………………………………………………………………25

圖 5.10 非反相放大器………………………………………………………………………………………………………………………26

圖 5.11 反向放大器……………………………………………………………………………………………………………………………27

圖 5.12 第一級放大電路…………………………………………………………………………………………………………………28

圖 5.13 第二級調變放大電路………………………………………………………………………………………………………29

圖 5.14 焦電型紅外線感測器電路……………………………………………………………………………………………30

圖 5.15 菲涅爾透鏡結構圖……………………………………………………………………………………………………………31

圖 5.16 菲涅爾透鏡尺寸圖…………………………………………………………………………………………………………31

1

第一章 前言

日常生活中我們可以看到許多電子元件與感測元件應用的例子：光敏電阻與

小夜燈結合便是在夜晚能自動明亮的夜燈，紅外線人體感測器與馬達正反轉電路

結合後便是電動門，與沖水機構結合便是便斗的自動沖水系統，電子元件的使用

是機械自動化與邏輯運算的基礎，與各式的感測元件結合後更能附加對環境或人

為引導的感知能力，甚至模擬生物的感官知覺等功能。

我們在此是做較為單純簡單的體溫感測器，近年來，焦電感測器對紅外線的

偵測已被廣泛用於民生用途，諸如：保全系統的來客檢知、智慧型燈光控制等，

甚至於有關交通流量的監控與人員資訊的收集等方面的研究，主要是在定性上的

應用。而在定量上的應用，雖然有研究顯示它對輻射功率的量測有著良好的結

果，但是到目前為止則多以耳溫槍為主。主要是量測機構上需要光斬波器的搭

配，以及容易受到外來光線的影響，極少用在遠端溫度量測方面。

由於它在常溫下對紅外線即有十分靈敏的檢知反應，而且不必像量子型感測器需

要處於特殊的冷卻環境。因此，我們在此提出一項實際且易於安裝的量測裝置，

可解決上述的一些問題。以期能提供民生與工業上用來監看室內各種容易溫度上

升的設備，達到預先防止火災發生為目的。本量測裝置使用物美價廉的焦電感測

器，雖然需要光斬波器的配合，構造上較為複雜，但是價格卻比熱電堆便宜許多，

是值得開發的方向。本裝置僅能做單點量測，但若做成陣列(array)或矩陣式

（matrix）的架構，即可做溫度分佈的分析，以追蹤災害發生的原因。

2

第二章 感測器的簡介

2.1感測器的基本認識

所謂的感測器（sensor）是把聲、先、溫度…等物理量，用電子電路轉換成

電壓或電流等電氣量。亦即由某種元件去「檢測」週邊的物理量並「轉換」成電

氣量。此檢測器與轉換器有時是同一元件達成，有時可分開。學習感測電路設計

與應用包含二大部份：

1.認知感測元件結構與電氣特性。我們可以先不理會其製造過程與原理，畢竟我

們是應用感測元件而不是製造感測元件，故應先從結構上認知其電氣特性

，再加以應用。

2.瞭解電氣特性之復，設計相關電路發揮元件功能。

感測器的元件很多，在日常生活中工業產品處處可見，要弄清楚其結構，談

何容易，不清楚其結構而要發揮其電氣特性更是困難。當然我們的目標是應用感

測器，而不是設計或生產感測器。要知道其結構與特性有一最方便且正確的方法，

即是向生產的廠商取得特性資料，若無法取得特性資料，將無法順利進行電路設

計，也無法靈活應用此感測元件。

而我們應取得的特性實料應包含下列各項全部或部份:

(1)型名：各家的編號，以利將來修理或更換元件有所依據。

(2)材料或材質：感測元件常因材質不同，電路設計方法就會不相同。

(3)感測元件的感度、波長、頻率、內阻、指向特性…依各感測元件而定。

(4)電氣特性規格。

(5)外型結構圖，或內部結構圖，並包含尺寸。

(6)簡易特性規格。

(7)使用範圍，使用場所使用注意事項資料。

3

(8)特殊應用範圍資料。

只要我們有了以上的特性資料，就可著手作感測器特性測試。因只有明白

元件特性，才能發揮元件應有的功能。

2.2感測器的基本特性

感測器有以下三項基本特性：

1.感度

感度有 2種意義-

感測器輸出的變化量相對於輸入變化量之比，稱為感度係數。輸出量相對

於輸入量而校正的話，感度係數則成為無次元，有一般性，但如果感測元件有

次元時，宜稱之為變換係數或是變換效率。

(1)感度係數與輸入的大小無關，通常感度高時，表示感度係數大。（2）表

示感測器可感受多微小的輸入量（不是輸入量的變化）。

2.可靠性

感測器要求的基本性能是確立輸入出之問的 1對 1對應，但因為(1)雜訊

造成的不確定性，（2）系統的響應速度有限，不可能實現理想的 1對 1對應。

因此，設計感測器時，首須決定此對應可容許的不完全性，這也是感測器的評

價標準之一。

3.響應特性

妨礙感測器輸入出關係之 1對 1對應的主要原因是感測器的響應速度有限。

大部份感測器要求對測定量不變的大小能夠有響應，對直流亦須有感度，因而，

感測器有低通濾波器的特性。在實際的應用上，是依照用途來決定響應特性的長

4

短，如家電、安全用感測器不大要求高速響應特性；但通信、半導體用感測

器有時要求到 GHz 的寬帶特性，因此，響應特性的需求也是選擇感測器重要的

考慮因素。

2.3感測器與雜訊

感測器（sensor）所產生之訊號與雜訊（noise）兩者之比，即稱為該感測器

之 S/N比，依據感測器元件本身特性，及咸測器配置方法之不同而有差異。且由

於感測器電路之製作方法不良，常使雜訊增多，致 S/N比日形劣化。

雜訊的種類：

就雜訊的產生結構上探討，感測器與放大元件所產生之主要雜訊有三種，分

別為：熱雜訊、散粒雜訊以及過剩雜訊。

（1）熱雜訊

熱雜訊係導體內之電荷，從事熱運動時所產生。其大小可以倪奎士公式表示

之，在此不加以詳述。熱雜訊不受頻率影響，具有一定的功率頻譜，因此，又稱

為白色雜訊。但實際的白色光，其光能的大小並非依據波長而定，而振動的功率

頻譜，則依波長而有變化，故嚴格說來，兩者並不相同。

（2）散粒雜訊

電流係籍擁有單位電荷之電荷載體而導通，因此，當電荷載體到達電極時，

即有一定的電流導通，且其電流的導通並非連續不斷的。就定流量連續導通狀態

之電流觀察，當電荷到達時，即可觀測出有電流搖擺之雜訊產生。此項雜訊即稱

為散粒雜訊。在威測器電路中，若電晶體或 FET的輸入上，連接阻抗較高的感

測器，通常即會有此類的雜訊問題產生。

（3）過剩雜訊

5

電阻體上有電流導通時，即有產生過剩雜訊的可能。因此，此項雜訊又稱為

電流雜訊，且因此項雜訊的功率頻譜，是與頻率成反比，故又可以 i/f。此外，

就其與熱雜訊之白色雜訊對應狀態而言，又可稱為紅色雜訊。若電阻休內如有陷

波或晶格缺陷等情況時，會有較大的雜訊產生。過剩雜訊電壓之大小，與所附加

之電壓成正比。

雜訊處理

通常在處理雜訊問題，大部份都是使用濾波器來濾掉雜訊。但依雜訊頻率的

範圍，又可分為以下幾種濾波器：

（1）高通濾波器

（2）低通濾波器

（3）帶通濾波器

（4）帶阻濾波器

該使用那種濾波器則需依雜訊的頻譜範圍來設計出濾波器，故在使用濾波器

前應仔細分析頻率響應，找出濾波器的各個電容或電阻值，如此才能發揮出濾波

器最佳的功用。

6

第三章 感測器的種類

3.1感測器的分類與信號

感測器的分類：

1.輸入分類、對象分類。

2.輸出分類。

3.精確度分類。

感測器的信號：

感測器主要是接受測量對象所發出的單一現象，並轉換成容易區別的物理現

象。對測量對象所呈現出的現象輸入信號，轉換後的現象則為輸出信號。威測器

之輸出信號與輸入信號的比值稱為增益，而此種將測量對象之變化量轉換成容易

處理的物理現象稱為初級轉換。信號在轉換之際應注意的是輸入信號中應僅含有

代表資料的信號，亦即要注意信號的雜訊比（S/N）。且為使被測量之變化量能忠

實地被檢測，應注意以下諸特性：

(1)非干涉性

(2)高感度

(3)低測定壓

(4)高速轉換特性

(5)低雜訊性

(6)對環境抵抗力強

3.2感測器的種類

感測器的種類有很多，依其感測對象和特性的不同我們可以大約分成以下

幾類：

7

1.光感測元件：

(1)光二極體

(2)光電晶體

(3)光耦合器

(4)光遮斷器

(5)固態電驛

(6)光敏電阻

2.溫度感測元件：

(1)熱電隅

(2)白金測溫感測器

(2)薄膜白金感測元件

(3)熱敏電阻

(4)IC化溫度感測元件

(5)紅外線感測器

3．磁性感測元件：

(1)霍耳元件

(2)霍耳 IC

(3)磁阻元件

(4)電流感測器

4．壓力感測器

5．超音波感測器

8

6．氣體與濕度感測器

3.3如何選擇適當的感測器

在選擇感測器時，即應需考慮其目的、用途、精確度、使用環境、成本等因

素，作適當的衡量後才採用。但通常這種多方面、多角度的考量相當的不容易，

但卻又不容被忽視。歸納起來，在選用時應注意的第一點是-一定要由設計者本

身來檢討並決定測量的對象。第二點是-決定所需之必要精確度、動態範圍。第

三點是-方便購買的，成本等因素，甚至使用時的維護難易度。都些都會選擇感

測器時不容忽視的重要因素。

選擇元件的一些方針：

1.物理特性偏差要小

有些感測元件輸出很小，如熱電偶，要驅動負載就要相當大的增益，增益太

大的結果，系統的穩定度就成了問題。而如熱敏電阻輸出雖較大，但輸出對溫度

是非線性，隨使用範圍擴大，情況將更嚴重。穩定度有問題，或輸出非線性，一

定要額外電路來解決。

2.溫度漂移小

只要是半導體元件，一定會有溫度漂移的問題存在，這也是無可奈何的事。

而目前的感測元件有很多是半導體製造而成，這已成一種趨勢。有溫度漂移一定

得加溫度補償的問題，且要下相當大的功夫，因為有些同種類的感測元件溫度係

數參差不齊，就算加了溫度補償電路或相等元件等，還是無法作到滿意的程度，

因此選擇半導體之感測器，最好內含溫度補償電路者較佳。

3.要有互換性

有些感測元件是半手工作成的，一個特性均會有偏差，故在電路設計時

9

需附加調整電路，使得故損壞時更換新感測器，可再加以調整，否則電路功能

無法再現。而特性偏差大時，再怎麼調整，原功能將無法與原來的相同。這些

在修理感測電路時，時常會碰到，由以上的說明，更換感測元件並非像更換 TTL

IC時那麼容易。

4.線性要好

什麼叫做「線性」？若輸出能依輸入照比例輸出，就是線性。但是半導體感

測元件非線性的甚多。如溫度感測器，部份壓力感測。器…等，均是非線性輸出。

5.輸出要大，消耗功率要小

感測元件功率消耗大，感測器特性會變差，因為消耗的功率大部份會變成溫

升，而溫升是半導體的致命傷，輸出太小時，則必需將增益放大，過度的放大，

或放大電路的不良，則造成系統不穩定；且線性也變差。放大的調整範圍也不宜

太廣。通常我們用 OPAMP來放大訊號，但要注意的是輸入的電阻不若太小，而放

大的範圍也不可太大。

6.元件價格適宜

雖然高價位的元件可能特性會較佳，但工業產品講究的是物美價廉，價格昂

貴，將失去設計意義，故應針對需求找到適合元件。

有了以上選擇元件概念，且又知道元件特性後，就要加上電子電路，將感測

到的物理信號轉換成電氣信號。若只有感測器，沒有電路轉換，則感測器將無法

發揮其元件的特性與功能。

而我們所作的專題因為是用來偵測物體的有無，而檢測的對象是人體，在翻

閱了很多書籍後，本專題是屬於人體感測的裝置，因此我們找出了最適合的感測

器元件一紅外線感測器。而紅外線感測器的確在工業上及日常生活中也被廣泛的

使用。

10

第四章 紅外線感測器

在家庭或辦公室常可以見到紅外線遙控器，控制家電產品，甚至買個防盜

器，也買到所謂的紅外線防盜器。在戰場上紅外線探照器使敵人無所遁形。醫學

上也用紅外線檢查或殺菌…紅外線完全已走入人們的生活中，那我們先了解何謂

紅外線?

4.1紅外線感測器的認識

自然界存在物，可因本身的溫度，而放出紅外光。由 Planck 的黑體輻射定

理，可知溫度高的物體，會放出短波長之紅外線，溫度低的則放出長波長之紅外

光。相反地若測知其紅外光，則可求得對象物的溫度。此外自然界的生物、植物

等，其自身溫度係極固定的，故由溫度變化，亦可知其異常現象。甚至廣大空問

中之溫度分佈圖，也可提供監視上的重要消息。

例如海洋上之污染監視被污染水域的水，因其輻射率不同，故輻射紅外線之

性質有差異，因此由溫度圖形，即可清楚辨別。像這樣監視用及紅外光檢測用之

紅外線感測器，其重要性也漸漸的提高了。

人眼可見光的波長是 400nm-700nm之問 9gm-logm處有峰值，故當人體接近

感測器時人體所輻射出來的紅外線在一感測器即會偵測到溫度的變化而有訊號

產生，且一般我們所謂的紅外線是指近紅外線，波長 800nm-v 1500nm可看下圖

來了解紅外線的範圍。

11

圖 4.1各種光的波長圖

4.2紅外線感測器的種類

紅外線感測器又可分成兩種:

圖 4.2紅外線感測器的分類圖

12

熱型感測器的特性：

(1)敏感度低。

(2)響應速度慢。

(3)使用溫度為 300K(室溫)。

(4)波長感度平坦。

(5)不適用於紅外線感像器。

量子型感測器的特性：

(1)敏感度高。

(2)響應速度快。

(3)波長感度，要依感測器而定，所以選擇性強。

(4)使用溫度低為 77K左右。

(5)適用於紅外線感像器。

圖 4.3紅外線感測器感度比較圖

4.2.1熱型紅外線感測器

紅外線是從熱的物體放射，我們人體、動物、水，甚至冰都會放射紅外線；

13

差別只在於因溫度與物體不同，而放射不同的紅外線。我們身體體溫度是 36-37

°C，放射 9000-10000nm 的遠紅外線而一般的物體若加熱到 400-7000°C 時，會

放射 3000 - 5000nm中問的紅外線。故熱型紅外線感測器，只要是紅外線存在就

能感知，不必考量波長因素。換言之，熱型紅外線對波長的依付性並不存在。

焦電效應熱型感知元件適用鈇酸錯酸鉛系陶瓷體（PZT）作材料。在此元件

面施加高電壓，使表面電荷分極；當紅外線入射感測器時，元件表面熱吸收膜將

此紅外線轉換成熱。此熱量使溫度上升，溫度上升的結果使原中和狀態的電荷被

破壞，因而產生表面電荷，此電荷經高阻抗輸入的 FET 放大；且轉換成阻抗型

態。他們的順序是：

紅外線入射＞熱＞電荷＞阻抗＞電壓輸出

另一熱型的感知元件是熱電堆。熱電堆承受由物體放射紅外線的能量，使受

光部分溫度發生變化，此溫度變化由熱電偶檢出。熱電偶檢出的電壓非常小，必

須將多個熱電偶串聯，使輸出電壓變大。就因為熱電偶串聯關係有點向熱電偶堆

積（Pile Up），我們常稱之為熱電堆串聯。此型威知元件常用於非接觸溫度計上。

而焦電威感元件常用於人體檢知電路上。

4.2.2量子型紅外線感測器

所謂的量子型是利用半導體內電子電洞遷移時，吸收到釋放能量差之光電效

應或利用 PN接面的光導電效應。換言之，由電驅動產生光，或由光之入射產生

光電動勢。因為量子型的紅外線感測器有波長的依附性，因此我們選擇熱型的紅

外線感測器來作為我們的感測元件。而一般來說，在應用於人體的感測方面，也

大都是使用熱型的紅外線感測器來檢知人體。

4.3焦電型紅外線感測器的動作原理

14

焦電型紅外線感測器為焦電物質的焦電特性效果性利用，此為檢出進所有物

體放出的紅外線能量的感測器。但焦電特性，對應 PZT（錯酸鈇酸鉛）等結晶構

造的溫度變化，指表面電荷變化的特性。

圖 4.4 焦電型紅外線感測器的原理圖

上圖為焦電型紅外線感測器的原理圖。此處表示溫度變化引起表面電荷的移

動。就圖[a]為表示無電荷移動的情形。又圖[b]為表示元件照射紅外線的情形。

此電源件若照射紅外線，內部電荷會產生極大的變化，根據此種變化，會產生電

流，此即為感測器元件威測到人體溫度時會產生訊號的原理。但紅外線感測器，

在性質上為檢出熱線。故由於此種意義，前所說的熱阻體也應包含於此範圍中。

但焦熱型感測器為常溫動作與威度，因無波長的影響性，與熱阻體不同，有優秀

的特性。一例為組合光學率光器，能構成按照用途的良質感測器。

焦電型紅外線感測器可以檢測相當寬廣的波長，可以從紅外線到遠紅外線均

能檢測。在應用時要針對用途必須加上各種濾光鏡（通常成品本身已裝妥）。若

加裝波長 9000nm-10000nm的濾光鏡，則是專門用於人體檢知。若讓所有紅外線

都能通過的濾光鏡則可做非接觸溫度計。由以上的說明可以瞭解焦電型紅外線感

測器具有以下特徵：

15

(1)焦電效果是由溫度變化而產生。要溫度變化就要有溫度差是什麼溫度差呢？

是指被測物與背景的溫度差。故溫度沒有變化時，或溫度徐徐變化的物體不能被

測量，即對感測器不會有訊號；此時要另裝截波器強制使溫度變化，此型已有成

品出售，大部分用於非接觸型溫度計。

(2)焦電元件是檢知物體放射出來的輻射紅外線，故不必接觸待測物焦電元件因

為是靠物體放射出來的紅外線使元件上產生電荷的變化而有訊號，故待測物不必

真正的接觸到感測器即會有訊號產生。

(3)應用時最好請供應商提供相關的特性資料，慎選各元件，尤其是濾光鏡部份。

(4)人體檢知除濾光境外，擔心引起其他錯誤動作，需另加裝菲湟爾透鏡

（FresnelLens），使指向特性變小，減少外部非待測物對感測器的影響，並濾去

雜訊。使用焦電型紅外感測器的要點：焦電型紅外線感測器為非常優秀紅外線感

測器之一種，使用上有幾種的限制事項。把這些的要點容易瞭解地綜合。

(1)焦電感測器依用於光學系，可能遠隔地的測溫。

(2)焦電感測器只有入射的有能量變化時才會發生輸出。

(3)焦電感測器在 0.2-20nm的波長頜域，具有平坦的感度特性。

(4)焦電感測器為用窗材質，按照用途使用區分。

(5)焦電感測器元件本身，阻抗非常高，一般與 FET並用，其輸出阻抗會

下降。

(6)焦電感測器有高級型的真空密封型，與普及型的樹脂盒型。

16

(7)焦電感測器檢出連續性溫度變化時，需要截波器。

(8)對偶型的感測器低頻波以及急激溫度變化的擺動強。

(9)對偶型與單一型比較雜訊大。

4.4人體紅外線感測器應用的方法

紅外線人體感測系統的方塊圖

圖 4.5 紅外線人體感測系統的方塊圖

1.人體-

感測器檢測的對象，在此為人體，偵測到人體後發出警告聲，過一段時問後，

若此對象無離閉此檢測距離即進行下一步動作。

2.聚光系統-

聚光系統，係收集遠紅外光能量並將其導入於焦電型感測器內。因人體所幅

射出來的遠紅外光能量與距離之二次方成反比，故所能偵測的人體距離為數

10cm而已，聚光系統類為解決此項問題的方法。

聚光系統內，可用兩種不同的反射透鏡，選用透鏡時，以能透遠紅外光能量

的良好材料為主。至於反射鏡以正面反射即可，此項聚光系統可使偵測的距離延

長至好幾公尺。而且，利用若干組不同的系統配合可成構成不同偵檢範圍的系統

結構。

17

3.焦電型感測器-

焦電型感測器係人體偵檢用之遠紅外線感測器的中樞。人體的的體溫大約

為 36°C (306K)，人體所輻射的遠紅外線光波長，在 9-10 um範圍內有波峰，由

於焦電型感測器上附加有 7-15 um之帶通特性的光學濾波器，當接近人體的溫度

發生變化時，即能產生反應。熱型感測器內所裝用的偵檢元件有一個及二個之

分。當裝有二個偵測元件時，對於周圍溫度的急遽變動、外部振盪及干擾雜訊等，

不會產生訊號。當此兩個偵測元件上，同時有訊號進入時，則可籍差動效應，使

其相互抵消。但自活動人體上所輻射的遠紅外線相繼進入於兩個偵測元件上時，

則就無法抵消。

4.帶通限制放大器-

帶通放大器係用來放大焦電感測器所輸出的訊號。人體活動的頻率範圍通常

係在 0.1-lOHz 之問，因此，所設計放大電路能在此範圍內擁有峰值即可。此放

大器的增益要依聚光系統偵測所得的距離來定，通常需 2000倍-5000倍左右。

5.訊號處理電路

此訊號處理電路，即係判定發自焦電型感測器的訊號是否屬於人體的訊號。

焦電型感測器所輸出的訊可有負側及正側兩種，雖然只要偵測一處即可，但為提

高偵測可靠性，仍以偵測兩側的訊號為宜。

6.定時電路-

定時器電路是執行體偵測後，甩來延伸的電路，可用來使經過一段時問後致

能 relay，使其再做下一步的動作。

7.繼電器輸出電路-

18

此電路便是用來做偵測人體後的主要作用，透過繼電器，可讓家電用品、電燈及

防盜用攝影機敔動等用途，而在這裡我們主要是用來做電視的閉關，當偵測到人

體的訊號後，經過定時器、relay 後即可使電視的電源關閉。此種利用焦電型紅

外線感測器的特點即是偵測範圍不受風向、季節變化等很多外力因素的影響。經

常都能保持當初所設計距離之偵測，且其消耗功率甚少。

19

第五章 內部應用電路說明

5.1 元件的構造簡介

圖 5.1 PIR325人體紅外線感測器接腳圗及內部方塊圗

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。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）。

圖 5.2 IC555腳位圖

這顆是IC555在我們的電路中，是利用電路結構來做一個計時器，再透過繼

電器產生一個主動式的開關。

20

圖 5.3 7805腳位圖

這是一顆穩壓電晶體，這個電路中，我們是使用 12V的電池，經過電阻與電

容的配置，來產生一個穩定的 5V電壓。

圖 5.4 2904腳位圖

這顆IC我們電路中用來放大紅外線感測器所產生的微弱電壓，裡面共有兩顆

運算放大器。

5.2 運算放大器原理與特性

要靈活使用運算放大器，需先了解合為運算放大器，並要對此元件的內部電

路結構、特性及規格深切認識，才可正確的使用。

5.2.1什麼是運算放大器

21

運算放大器試一種具有可變的複級放大器，因其採用差動輸入電路，更具有

理想放大器的特性，它的特性如下：

1. 無限定的的電壓增益值(infinite voltage gain) →Av ∞。

2. 無限定的輸入阻抗值(infinite input impedance) →Zin ∞。

3. 零輸出阻抗值(zero output impedance) →Ζ out 0。

4. 當兩輸入端之輸入訊號若相等則輸出信號為 0。

5. 信號經放大器在無延遲的條件下，具有寬廣的帶域寬度(infinite bandwidth)。

實際上任何放大器之特性均未能達到上述之理想特性，但能接近此特性即可

稱之為理想特性。

例如，某放大器因受為受網路之限制其增益值為 10，但原無回授條件下時

之增益值為 1000，表示此元件具有無限定的電壓增益值之特性。

通常運算放大器第一級均採差動級放大器，此差動放大器對差動信號提供非

常高的增益值，但若兩相同信號同時由兩輸出端輸入時，則提供甚低的增益值。

由於運算放大器提供甚高的輸入阻抗值，因此輸入級的設計變的十分重要，

方能使輸入阻抗值固定不變、共模響應(common-mode response)及抵補電壓(offset

voltage)被降低。

圖 5.5 運算放大器的接腳

反相輸入端

非反相輸入端 輸出端

22

A

圖 5.6共模信號

在輸入級需供應一低的輸出阻抗值，及提供足夠的電流量以便推動負載，而

其本身內部則應具有高的輸入阻抗值，不至於對中間級發生負載效應，因此輸出

即通常是採用涉及隨耦器之電路形式。

典型運算放大器內部電路，尤應對其輸入電路有所了解， 1Q 、 2Q 之涉及電

阻器( ER )增加輸入級的輸入阻抗值，促使輸入級的集極電流變的甚低，因此其輸

入晶體的射-基極間之交流電阻值變的甚高，形式甚低的驅動電流，而引起輸入

級的電壓增益損失，故通常均採用定電流源電路作輸入級電路，以提供第一級的

射極電流，而降低共模信號的線路靈敏度，既然共電流源之內部電阻( ocR )是高

的，則差動放大器隊共模訊號( cmA )增益必降的甚低。

若欲降低輸入電流量，則需提高輸入阻抗值，第一級 1Q ， 2Q 可能採用達靈

頓電路或場效電晶體，乃因採用場效電晶體可得到甚高的輸入阻抗值，雖採用場

效電晶體與採用電晶體之輸入抵補電壓值(V os )均對溫度引起的電流變化較

高，但可採用各種不同的補償電路裝置，予以降低，尤其積體電路( IC circuits)

已廣泛被應用，且都以場效電晶體作輸入級元件，以提高輸入阻抗值，而其他部

分則採用電晶體來組成。

若運算放大器第一級電壓增益為 ( )1010 1 =vA ，第二級是 ( )100100 2 =vA ，及

第三級是 ( )2020 3 =vA ，則其總電壓增益 ( )tA 之值為：

( )( )( ) 000,202010010321 === AAAAt

1V

2V

23

Q1 Q2

Q3

Q4 Q5

Q6

Q7

Q8

具有定電流源的 中間放大級 輸出級

差動輸入級

圖 5.7典型放大器電路

5.2.2 運算放大器之外部接腳

運算放大器之外部接腳圖，外端接腳說明如下：

3

2

4

7

6

51

圖 5.8運算放大器接腳名稱

頻率補償

+V

反

相

輸

-V

輸

出

端

+V

-V

反相輸入端

非反相輸入端 輸出端

24

1. V+ ， V− ：此為接電源供應器，提供適當的正、負電壓值。

2. 頻率補償：補償裝置有時超前、落後或降落法，以防止運算放大器發生

震盪現象。

3. 輸出端：放大器的輸出信號由此端輸出。

4. 反相輸入端：若將非反相端接地，且由反相輸入端輸入信號，則其輸出

端必輸出與輸入信號相差 180∘之信號。

6. 非反相輸入端：若將反相輸入端接地，且由非反向輸入端輸入信號，其輸出

端之輸出信號與輸入信號同相。

5.2.3 運算放大器之規格

1. 開迴路增益值(open loop gain) 1oA ：此增益值為運算放大器在無回授狀

況下之增益值，通常有數千倍之增益。

2. 輸入補抵電壓值(input offset voltage) osV ：為非常微小且不希望被放大

器的信號，它出現在兩輸入端間，當兩輸入端彼此連接至 OV時，則引

起一個輸入信號電壓，其只要原因乃為輸入電晶體的射基極電壓沒有匹

配所引起， osV 的值通常為數 mV而已。

3. 偏壓電流或電流(bias current) bI ：此電流用來驅動運算放大器的輸入

級，故基極電流必須供應到輸入電晶體。

4. 輸入抵補電流(input offset current) osI ：其值就是指運算放大器兩輸入

電晶體的基極電流差，產生原因為兩輸入電晶體的β值不匹配所致。

若 1BI 為反相輸入電晶體的驅動電流， 2BI 為非反相電晶體的驅動電流

，則輸入抵補電流 21 BBos III −= ，故需設置補償電路，以維持靜態時兩

輸入端能平衡，但通常 osI 之值僅為數奈到數百奈安培(nano-amps)而已。

5. 輸入電阻值(input resistance) inR ：此電阻值由於放大器對輸入信號之阻

抗所引成，當信號由輸出端輸出時則可發現，其值通常在數百M Ω以上。

6. 輸出電阻值(output resistance) outR ：此電阻值由於放大器內部電路元件

25

所引起，典型值為 1MΩ以上，但亦有高達上百MΩ以上。

7. 絕對的最大額定值(absolute maximum ratings)：此類額定值計有下列幾

種：

(1) 最大功率耗損(maximum power dissipation)。

(2) 工作溫度範圍(operation temperature range)。

(3) 最大電源供應電壓(maximum supply voltage)。

(4) 最大差動輸入電壓(maximum differential input voltage)。

(5) 最大共模輸入電壓(maximum common mode input voltage)。

(6) 儲存的溫度範圍(storage temperature range)。

假若使用時超過上述的額定範圍，則必損害到運算放大器。

通常製造廠商亦會提供放大器特性曲線，給予設計者參考設計使用，

其特性曲線有下列幾種：

(1) 最大輸出電壓 ( )( )maxoutV 對負載 ( )LR 之曲線。

(2) 最大輸出電壓 ( )( )maxoutV 對電源電壓之曲線。

(3) 輸入抵補電壓 ( )osV 對溫度之曲線。

(4) 偏流(偏壓電流)對溫度之曲線。

(5) 其他需要之曲線

圖 5.9 輸入抵補電壓定義

在設計時，若欲分析輸入抵補電壓、開環路增益值之常數時，需要了解最大；

最小溫度及室溫等三種額定值方可做詳細的分析。

1BI

2BI21 BBOS III −=

26

5.2.4非反相放大器

非反相放大器，而允許放大器用來當很高的輸入阻抗，且非反相放大器線路

的電壓增益可由 1R 與 fR 來固定，其輸入阻抗很高的，因僅有單一路徑接地，並

使此輸入電流流經此高輸入阻抗。

圖 5.10 非反相放大器

1R 與 fR 當作電壓分配器(voltage divider)有微量的負載，既然此電流需要驅

動此放大級是很小量的 ( )0≅BI ，因此此電流流經 1R 和 fR 亦是很小，而提供給反

項輸入端的電壓是：

+ 1

1

RRRV

fout

假若 VVin 1= ，此放大器將反應到 iV 大於 outV / 1oA ，且驅動放大迄直到在反相

輸入端電壓等於非反相輸入端電壓為止( 01 ≅= oouti AVV )，假若 1R =10KΩ、

fR =100KΩ、 outV 將有 11V ，使 iV 低的足夠停止驅動此放大器，因此輸出電壓

則永遠為 11V，直到輸入電壓到改變為止。

利用 1R 與 fR 來供應部份輸出電壓給輸入端，而送到反相輸入端時稱之為回

1R fR

inV

1V

outV

27

授，這是非常重要的觀念， 1R + fR 需被固定，放大器方能提供足夠的驅動電流。

5.2.5反相放大器

反相放大器，其輸入信號與輸入信號相為恰相差 180∘，因非反相放大器的

開環路增義士很高，以至於僅需很小的 iV 即可用來驅動放大器輸出到它的集線電

壓(通常 ( )maxoutV 比電源電壓低)；假若一個正電壓 inV 被供應到電路， 1V 將被變為

大於 0而驅動這輸出電壓為負值(因輸入信號是輸自反相輸入端)，這輸出信號將

繼續往負方向增加，值到反相輸入端的電壓幾乎為零時 ( )01 ≅= oouti AVV ，因

此 1R 和 fR 是介於 outV 與 inV 之間的電壓分配器，而 outV 對 inV 的比值恰為 fR 對 1R

之比，點“A”常被稱為虛接地(virtual ground)，由於 iV1 之值幾乎為零之故。

圖 5.11反相放大器

5.2.6 差動輸入放大器

差動放大器，應注意到介於反向輸入端與非反向輸入端電壓插是非常

小(通常小於 1mA)，乃因 1/ oout AV 是很小所致，因此考慮到反相與非反相輸入端

是具有同樣電壓。

1R fR

inV

outV

28

5.3 第一級放大電路

圖 5.12第一級放大電路

從紅外線感測元件的第二個接腳，即S端接到第一級放大器，因為感測元件感測

到人體時，訊號會從S端輸出，而此級反向放大器目的即是用來將小訊號放大。

反向器前的電容，是用來濾直流，將大部分的直流效應去除，使小訊號通過，亦

即只讓小訊號進入第一級的反向放大電路，進行訊號放大。R1電阻值 1KΩ，R2

電阻值 2.2MΩ，目的是要將小訊號放大，放大倍率 2200倍，因為從紅外線感測

器進來的訊號很小很小，電壓只有幾十µV。非反向端的電阻R3是用來降低由於

OP AMP本身的輸入電流所造成的偏補電壓，其值約等於R1/R2。

29

5.4 第二級調變放大電路

圖 5.13第二級調變放大電路

從感測器檢測到的小訊號經第一級的放大電路後進入第二級的放大電路，其目的

是因小訊號在經第一級放大電路放大訊號後，其訊號仍然很小，不足以驅動最後

的負載電路，故我們需要更大的放大倍率，然而OP AMP並不能無止盡的放大，

其有一定的放大程度，亦即當OP AMP達到飽和時，就不能繼續放大了。我們在

第二級放大電路則使用可變電阻來設計成一個可調整放大倍率的放大電路，最主

要的功用是可藉由放大倍率的調整來增加或減少感測距離。當放大倍率增加時，

使小訊號放的更大，因此感測的距離也相對增加。而放大倍率減少時，則感測的

距離也相對減少。故藉由此可變電阻可達到感測距離調整的功能。R4電阻值 1.5K

Ω，回授部份使用 1M的可變電阻，加上第一級的放大電路放大到一定的程度，

用第二級做適當的調整，使訊號明顯以便於觀察。

30

5.5電路圖

圖 5.14焦電型紅外線感測器電路

這個電路圖有幾個比較重要的地方，由我來稍加說明：

1. 先透過 7805將 12V的電壓，穩定輸出為 5V，來驅動四顆運算放大器，以及

紅外線感測器。

2. 運算放大器將紅外線感測器所輸出的微小電壓，放大足以驅動繼電器。以及

透過IC555的電路來計時，達到不會二次感測的效果。

3. 需要小心通過LED燈的電流大小，因此須串聯一個電阻，以避免電流過大使

得LED燈燒掉。

4. 還有因為繼電器的規格很多種，每種的腳位都有所不同，如果沒有稍加注意，

它可能會不作動。

31

不過，當這個電路完成後，卻也遇到了問題，發覺到感測器在一個開放空間

中，會感應不靈敏，因此我們便從書上找到了解決的方法。

5.6 菲涅爾透鏡

因為人體的所散射出來的紅外線是很微弱的，因此感測器所感測到的訊號很

微弱，容易有兩次感測或感測不到的情形發生。不過，透過菲涅爾透境的光學效

果，可以將紅外線聚焦在紅外線感測器上，如此一來，訊號比較明顯，比較不會

有錯誤的情形，而且，也比較能精確的感應紅外線的來源，不會感應不良。以下

就是菲爾涅透鏡的結構圖：

圖 5.15菲涅爾透鏡結構圖

圖 5.16菲涅爾透鏡尺寸圖

32

第六章 總結

當我們開始找老師時，其實一開始也不知道該從哪個題目下手，後來老師很

認真的找了幾個網站給我們看，要我們從中找比較有興趣的方向開始做，我們也

從好幾個題目猶豫不決中，最後決定做這個焦電型紅外線感測器，雖然已經找到

了題目但是我們對這樣東西也是幾乎不懂的，所以，就只好一直去網路跟圖書

館，找我們需要的資料，一開始也不是很順利，雖然有了資料，但是在我們開始

要去找元件時，紅外線感測器就找了好久，因為有的不是不符合我們的需要，不

然就是沒有特定的型號，後來，一連找了好幾家電子材料行，費盡千辛萬苦終於

找到我們需要的感測器。

雖然，材料是有了，但是我們在接麵包版時，卻也遇到許多問題，一開始是

電路完全不會動，後來還需要一條線一條線的檢查電路，後來，陸續檢查了好幾

次才使得電路有作動，但是，我們弄的繼電器卻是有時會沒有反應，我們就在想

是不是因為放大的倍率不夠去驅動它，我們除了去換別的繼電器外，也更改了電

路，使得放大倍率增加，後來終於使得整個電路能動了。可是這時卻發現感測器

在物體移動過慢或是距離太進或太遠，感覺不是很靈敏。後來終於在網路上找到

可以利用菲爾涅透鏡，來聚焦紅外線讓感應比較好，然後讓感測器與感測體調整

到一定的距離，這樣感應就會比較明顯了。

從以前完全不知道如何做，到後來能夠自己找資料，自己遇到問題，能夠找

別人或是查書來解決問題，這樣的感覺真好，並且感謝老師的熱心指導，使我們

的專題能夠順利進行，否則，我們應該需要花更多的時間才能排除所遇到的問

題，這次的專題真是讓我們獲益良多，得到課堂以外的實做經驗，真是十分難得

的經驗。最後，感謝老師在這段實驗期間，對我們的指導與照顧，在此獻上最大

的感謝。

33

參考資料

[1] 賴耿陽，感測器應用技術，建宏出版社，1992。

[2] 孫清華，感測器應用電路的設計、製作，全華科技圖書股份有限公司，1992。

[3] 黃克定，感測器與周邊電路，文笙書局，1994。

[4] 陳克紹、曹永偉，感測器原理與應用技術，全華科技圖書股份有限公司，1988。

[5] 羅煥茂，感測器，全華科技圖書股份有限公司，1995。

[6] 鄭振東，感測器電路設計手，全華科技圖書股份有限公司，1994。

[7] 陳福春，感測器，全華科技圖書股份有限公司，1989。

[8] 盧明智，感測器原理與應用實習，全華科技圖書股份有限公司，2001。

[9] 游金湖，感測器應用電路，建國圖書，1992。

34

附錄

本組所使用的焦電型紅外線感測器之規格： Type PIR325 Detector Type Twin Sensitive Area 5-14μm Output Voltage 20mV Nosie 20μV Offset Voltage 1V Supply Voltage 2.5-15V Operating Temperature 303-343K