PIR sensor一般認知是從Passive Infra-Red sensor的縮寫而來，直譯是「被動紅外線感測器」，也常稱為Passive Infrared detector，通常在安防行業，感測器多稱為detector，用語習慣不一，有時也稱作被動紅線傳感器；PIR 感測器主要由光學系統、紅外線感測器和電子電路等部分組成，架構示意如圖一所示。紅外線感測器常見的是焦電式感測器(Pyro-electric Infrared Sensor)，原理是感測器接受到特定波長範圍的紅外線，會會影響到感測器的接受器元件，產生電位差的訊號；光學系統主要有反射式和透鏡式兩大類，本文是針對透鏡式做原理和應用說明，略過反射式而不探討；電子電路非我司擅長項目，也不在探討的範圍[1]。

[1]百度百科PIR sensor。 [2]截圖自日本松下PIR sensor的目錄。

上述PIR作動的機理，首先要先從瞭解紅外線來開始探討；物體在呈現不同的溫度的時間，會發出不同顏色的光，稱為色溫，舉例，加熱白熾燈(雖然前幾年已標售)，初點亮到至溫度升高，鎢絲會因溫度不同，發出光線的顏色也會由深紅、淺紅、橙、黃、白、青、藍逐漸改變，這時描述顏色現象的指標單位是採用K(非實際溫度值)來描述，例如2000K時，顏色看起來很紅色；另外的物理單位來描述光的顏色，是採用波長，可見光的波長範圍約為430nm~770nm，各波長代表的顏色，如圖二所示[3]，在可見光的範圍之外，更短或更長的波長，都歸在不可見光的範圍，而紅外線(Infrared, IR)是指760nm~10000nm之間的波長長的光，該波段區間又能細分成「近、短、中、長和遠」的各種紅外波，詳情可參考文獻[3]。

人體體溫在36.5°C，這時人體會自然釋放出紅外線，波長約在9000nm ~10000nm；此為人體自然的發出波長範圍，和其他無生命的物體相比較，人體發出的紅外線是有鑑別度的(溫體動物也會發出接近的波段)；針對此特性，業界利用鍍膜技術，盡量把低於600nm的非紅外波段的光線濾掉如圖三所示，再配合能接收到紅外波段範圍的感測器，就是一款常規的PIR sensor。

[3]維基百科。 [4]Murata PIR Sensor規格書

參考圖四的說明，把四個焦電元件的連續感應的反應組合在一起，就能形成時間序列的電位變化曲線，如圖五所示，整個過程的文字說明如下： 1．偵測目標經過了+ - + -的四個焦電元件。 2．產生出類比波形。 3．+的會產生正值的伏特值。 4．-的會產生負值的伏特值。 5．在兩個元件之間，會有+/-落差值。 整個時間序列的曲線如圖五，有了此訊號曲線，接續需要的就是先把類比訊號曲線，藉由濾波器的功能，轉換成數位訊號曲線，此時PIR的偵測效果已轉成數位訊號，后面就是需要相關演算法來判讀此數位訊號的位置或方向或移動規跡。

上述的PIR senor的實現，是採用焦電式外紅線感測器(Pyro-electric Infrared Sensor)，焦電式的接受器，動作原理是經過極化處理的接受器，本身帶正電荷或負電荷，當接受到紅外線的能量，接受器上的電荷分佈會改變，產生電位變動的訊號，接受到的紅外線輻射能量愈多，電位變動愈大，把電位變動值，視作為電子訊號，用「時序(time series)」的記錄，記錄會出現曲線值，如圖四所示；此訊號是極為微弱的，需要經過電路放大迴路把訊號放大，並轉為數位訊號，接續才能透過演算法來做偵測的辨識。

偵測的目標通常是移動的人員，偵測的機制是接收到目標人員發出的特定波長範圍的紅外線輻射熱，那麼，如何理解PIR傳感器是如何正確接受到目標物發出的紅外線？發熱體發出的輻射能，是遵守熱輻射(thermal radiation)定律，熱輻射是非接觸式熱傳現象，有別於熱傳導和熱對流，是一種不需要介質就能傳遞熱量的熱傳模式，熱傳模式可以簡化理解成是以發熱源為中心，往四周輻射，示意如圖五，由於輻射的總能量是固定的，隨著輻射距離增加，每單位面積的輻射能量也會快速減小，假若，PIR sensor放置在離熱源為距離d，那麼，在距離d的圓周上的任一位置，接受器正向圓心，所接受到的輻射熱能是一樣大小；在設計原理，此現象遵守熱輻定律而無法改變，但可以透過光學系統來增加接收能量，以及對接收的能量做能量重新分配，此是光學件為何是PIR傳感器裡重要的關鍵元件。

PIR約略是1940年代開始發展的，最早是使用在軍事和科技領域方面，經過數十年的時間，近年來，PIR傳感器已經廣為在商業和居家的感應照明系統上應用；時值當下，隨著互聯網的發展，PIR傳感器更有效益的應用到保全、智能家電(省電或智能偵測)、居家防護(看護、醫療系統)以及其他需偵測移動的應用領域，應用範圍也越加廣泛，PIR有一項特質是在當今社會是極有優勢，PIR僅能偵測移動，偵測的機制是紅外線的能量的變化，不同攝像頭式的影像辨識，存在有個人隱私的疑慮，此特質更易於讓PIR能結合在智能家電或互聯網生態鏈；一項歷史已久的產品，在經過半個世紀之后，由於新的時代科技與生活模式的躍進，透過更複雜更智能的演算法，推動PIR應用到更廣泛的應用領域，此也考究光學設計人員的能力，需要精確的光學設計能力，才能合適的配合客戶進行新的PIR系統開發。

最初的PIR sensor的應用，也許極為單純，只能偵測到簡易的行動模式，例如判斷有無目標物(例如人類)進入到偵測範圍，畢竟早在數十年前發明的產品，當時的時空背景，連接到PIR sensor的設備選擇，猜測應該極為有限，也可能難以考查；大概可以想像，以雙接受器型的PIR sensor的應用，可以想像到的最簡易的移動模式，如圖六所示，就是相反的方向的移動，會有不同的電位訊號產生，此時可利用兩個不同的電位變化型態，來判斷同一位置的兩個方向，例如進入和離開。

上述是單一PIR sensor的簡易動作偵測狀況，直觀來說，如果要發揮PIR sensor的應用範圍，可以嘗試排列組合出不同數目的PIR sensor，藉由不同的sensor，在不同位置、方位、與偵測區的組合，可以想像，隨著加入的組合愈複雜，伴隨的演算法會很複雜，以及計算量會很龐大，如何在物體移動的當下，偵測到訊號，即刻計算完畢並辨試出訊號，這些都是令設計者極為困擾的硬件需求；隨著科技進步，半導體IC技術發達，過往複雜且計算量大的演算法，已經逐漸成為可行，舉如圖七為例[5]，透過數組PIR sensor的組合式偵測，套用複雜的演算法，圖上黑色線是實際的人的移動路徑，紅色線是PIR偵測到的路線，顯示出PIR sensor可實現室內偵測到人移動的路徑；此類偵測能力，舉例，或可結合互聯網和雲端AI系統，可應用在獨居老人的生命偵測，做為居家安全的警示系統的前沿產品應用，並同時不會外洩個人居家隱私(無需攝像頭的影像辨識)。

PIR sensor的光學原理，以及相對應的透鏡光學設計說明，請點擊連結到下一頁做說明。

[5]Dan Yang, Bin Xu, Kaiyou Rao and Weihau Sheng, Passive Infrared (PIR) -Based Indoor Position Tracking for Smart Homes Using Accessibility Maps and A-Star Algorithm, Sensors 2018, 18, 332.

作者：金大秦。 本內容為原創技術文件，若有轉載，請加上此文章連結，謝謝。PIR Sensor介紹說明。