PIR（Passive Infrared）探测器，顾名思义，是通过感知物体发出的红外辐射来检测周围的运动，广泛应用于入侵报警系统和智能照明系统中。它们通常用于安全监控领域，能够在人体等温度较高的物体经过时，迅速触发警报或开启照明设备。本文将详细探讨 PIR 探测器的工作原理、常见类型、以及应用领域。
1. PIR 探测器的工作原理
PIR 探测器是一种热释电设备，能够通过感知周围物体发出的红外辐射变化来检测运动。当人体或其他温暖的物体移动时，PIR 探测器会感知到热辐射的变化，从而触发报警或其他动作。具体来说，PIR 探测器的核心组件是热释电材料，它能够在加热或冷却时产生电压，并通过这种电压变化来检测环境的温度变化。
PIR 探测器的工作原理可以通过下图来展示：
图 1. 可见光与红外光谱
图片由加州大学伯克利分校数字地球观察提供
（图示展示了人眼可见光谱与红外光谱的区别，PIR 探测器工作于红外光谱范围内）
1.1 热释电效应
热释电效应是指某些材料在温度变化时能够产生电压。当物体发出红外辐射时，PIR 探测器的热释电材料感知到这一变化，并根据红外辐射的强度变化来判断是否有物体运动。由于人体温度较高，因此可以通过红外辐射的变化轻松检测到人的运动。
1.2 传感器结构与应用
PIR 探测器通常包括一个视场或线性距离规格，并且多数配有塑料透镜，这些透镜可以聚焦红外辐射并提高探测灵敏度。透镜将红外辐射集中到探测器的热释电材料上，从而更精确地探测运动。
图 2. PIR 探测器结构
图片取自 Parallax Inc 的 555-28027 数据表
（图示展示了常见的 PIR 探测器结构）
2. 加速度计：运动检测的另一种技术
加速度计通常用于智能手机、平板电脑以及许多嵌入式系统中，它能够检测加速度的变化并转化为电信号。加速度计使用 MEMS（微机电系统）技术，通过悬浮硅结构检测加速度的变化。当加速度施加到传感器上时，质量块会发生偏移，从而使电容桥不平衡，这一不平衡状态会产生电信号，从而进行加速度测量。
图 3. STMicroElectronics MEMS 3 轴加速度计
图片取自 LIS2DH 数据表
（图示展示了加速度计的结构与原理）
3. 倾斜传感器：运动检测与角度测量
倾斜传感器（也称为运动探测器或倾斜开关）能够检测物体的倾斜角度变化。它们通常用于检测设备是否处于正确的水平状态。常见的设计类型是滚球传感器开关，这种传感器利用滚球在倾斜角度变化时与导电销接触，从而实现开关的打开或关闭。
图 4. 滚球传感器开关
图片取自 C&K 的数据表（部件号：RB-220-07 R）
（图示展示了滚球传感器的工作原理）
虽然水银倾斜开关曾经非常流行，但如今在符合 RoHS 标准的设计中已不再使用水银，转而采用更环保的材料。
4. 振动传感器：检测物理变化
振动传感器用于检测物体的振动或加速度变化。常见的振动传感器包括加速度计和压电传感器。压电传感器利用压电效应将物理变化（如振动或力）转化为电信号，广泛应用于检测振动和机械冲击。
图 5. 压电传感器
（图示展示了压电传感器的工作原理及其应用）
5. 旋转传感器：测量角度和位置变化
旋转传感器用于测量物体的旋转角度或位置。简单的旋转传感器可以使用电位计作为分压器，输出与旋转角度成正比的电压信号。更复杂的旋转传感器，如正交编码器，则通过生成等间隔的脉冲来提供位置反馈，并且通常用于测量电机轴的旋转。
图 6. 正交编码器
（图示展示了正交编码器的工作原理）
6. 力传感器：测量力和压力变化
力传感器能够测量施加到物体上的力或压力，常见的类型包括应变计和称重传感器。称重传感器通常使用应变仪来测量材料的变形并将其转化为电信号。例如，当施加力使得梁发生弯曲时，梁上的应变仪会发生电阻变化，进而转换为电信号。
图 7. 称重传感器
图片改编自 Tekscan
（图示展示了称重传感器的工作原理）
7. 压力传感器：多种技术的选择
压力传感器用于测量气体或液体的压力，常见的类型包括：
不同类型的压力传感器采用不同的技术，例如压阻应变计技术、压电效应技术、以及电容式压力传感器等。
总结
本文详细介绍了多种传感器的工作原理和应用，包括 PIR 探测器、加速度计、倾斜传感器、振动传感器、旋转传感器、力传感器和压力传感器。这些传感器技术在智能家居、工业自动化、健康监测等多个领域得到了广泛应用。了解这些传感器的原理和应用将有助于设计和优化相关的电子设备与系统。
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