[Sensor] PIR 热释电效应菲涅尔透镜

Eva ·

更新时间:2024-09-21

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前言：作为一名嵌入式软件工程师，适当懂些硬件就行。但我就是“好高骛远”啊，对硬件的原理也充满了好奇。很多自然的原理被利用起来真的很神奇，就像我当前项目中正在使用的一款传感器——PIR，利用假期稍微做个了解，也不求积累。说明：（括号中的参考和灰色块引用内容）为扩展性的内容，不必要点开阅读。而非括号部分为本人不想拾人牙慧，又想娓娓道来，而直接给出的参考，需要点开阅读。
目录什么是PIR？热释电效应（Pyroelectric Effect）概念历史原理用途菲涅尔透镜（Fresnel lenses）概念、历史原理用途PIR的原理我的思考 什么是PIR？

PIR: Passive InfraRed（用于缩写的字母已大写），“被动红外线”技术。可以简单的理解为，一个可以感知红外线存在的技术。PIR sensor主要用于探测人体。

查询国内的多个网站，对于PIR的全称众说不一，这里有一些无伤大雅的误解，在维基百科上得到了很好的解释：Passive Infrared sensor有时也简写为PIR。但就技术而言，PIR指的是Passive Infrared. WiKi: Passive infrared sensor

PIR sensor核心的原理是“热释电效应“，辅助的工具叫“菲涅尔透镜“，下面进行一一介绍。

热释电效应（Pyroelectric Effect） 概念

具有自发式极化的晶体随温度变化，自发式极化强度发生变化，从而在晶体表面产生极化电荷的现象。这个“自发式极化”太专业，简单来说，就是某些晶体温度变化，表面产生电荷的现象。

历史

这个还是参考Wikipedia上的说法，咱百度百科上没有说。热释电现象最早见于公元前314年，提奥夫拉斯图斯（亚里士多德的好友）在他的著作中提及电气石加热可以吸引稻草屑。之后于18世纪该理论得到陆续发展。1824年布鲁斯特为其正式命名“热释电效应”，此后得到更多的探索。 Wiki: Pyroelectric Effect

原理

正如概念中所说，利用某些晶体对温度的敏感性，在其表面产生电荷，这些电荷在附近空间形成电场，作用于带电微粒。通过与外部电路相连，形成电流。（参考：https://wenku.baidu.com/view/1f586cf49e31433239689329.html）

用途

人体探测器，非接触式测温（这次新冠疫情那个一点都不准确的体温枪，就是用这个原理，只不过是主动发射红外线，接收其反射的主动测量，参考资料：https://www.sohu.com/a/377211423_100019045）。

菲涅尔透镜（Fresnel lenses） 概念、历史

参考百科：https://baike.baidu.com/item/菲涅尔透镜

原理

（小朋友，看这个视频吧：https://v.youku.com/v_show/id_XNDY1MTMzNzk4OA==.html）
一言以蔽之，就是把凸透镜中的在介质中衰减的部分去掉了，只保留球面折射部分。

用途

交通信号灯、汽车头灯、灯塔的灯，这三个本质上目的一样，都是为了光线传递更远，穿透力更强。

PIR的原理

只要物体的温度高于绝对零点（-273K），就有红外辐射的存在，而人体的温度一般高于环境温度，波长在9.4um左右。PIR Sensor正是利用这一点，通过菲涅尔透镜对辐射进行过滤，只保留波长在10um以下（根据透镜的齿纹有所不同）的辐射，然后由热释电元件接收过滤后的波，在其表面产生热释电效应，进而产生电流。
在实际的PIR上面，通常通过两个热释电元件串联或并联的方式来实现。当没有热量变化时，两个热释电元件对周围温度的感知会产生相同的极化电荷，之间没有压差；当有热量变化时，两个热释电元件上产生的电荷不同，从而产生压差，这有点类似于电路中“差分”的概念。
菲涅尔透镜在PIR上面除了做薄了凸透镜以外，还通过设计齿纹来过滤透过的光的波长，并产生明区与暗区。
一个很好的参考：https://wenku.baidu.com/view/675d33ed910ef12d2af9e7f6.html

我的思考

热释电效应，说白了就是温度变化产生电流，那是不是可以利用这个原理来发电呢？比如在我家门口的无线门铃上，安一个热释电元件，每当有人经过，就会产生压差，给我的电池充电，门铃就永远不用充电了。
PIR中的菲涅尔透镜，从功能上就是个光的滤波器，在LiFi技术中的滤波元件也许可以通过设置齿纹的方式实现滤波。