本文主要是關(guān)于熱釋電紅外傳感器的相關(guān)介紹，并著重對(duì)熱釋電紅外傳感器簡(jiǎn)單制作方法進(jìn)行了詳盡的闡述。
熱釋電紅外傳感器
我們都知道，紅外線是一種我們?nèi)庋劭床灰?jiàn)的光，紅外線最顯著的的特性是它具有熱效應(yīng)，也就是說(shuō)所有高于絕對(duì)零度的物質(zhì)都可以產(chǎn)生紅外線。利用紅外線技術(shù)可以控制很多產(chǎn)品，特別在自動(dòng)控制方面，比如自動(dòng)節(jié)能燈等。它利用人體發(fā)出的紅外線，當(dāng)人體進(jìn)入感應(yīng)范圍時(shí)，紅外傳感器探測(cè)到人體紅外光譜的變化，自動(dòng)接通輸出電路，打開(kāi)相應(yīng)負(fù)載，一旦人離開(kāi)后，輸出自動(dòng)關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。熱釋電紅外傳感器它是一種能檢測(cè)人或動(dòng)物發(fā)射的紅外線而輸出電信號(hào)的傳感器，利用它可以作為控制電路的輸入端。
熱釋電紅外傳感器控制原理圖
如圖，整個(gè)控制原理圖包括菲涅爾透鏡、熱釋電傳感器、放大器、比較器、控制電路輸出電路等部分。
熱釋電紅外傳感器在結(jié)構(gòu)上引入場(chǎng)效應(yīng)管，其目的在于完成阻抗變換。由于熱電元輸出的是電荷信號(hào)，并不能直接使用，因而需要用電阻將其轉(zhuǎn)換為電壓形式。故引入的N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)接成共漏形式來(lái)完成阻抗變換。熱釋電紅外傳感器由傳感探測(cè)元、干涉濾光片和場(chǎng)效應(yīng)管匹配器三部分組成。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將高熱電材料制成一定厚度的薄片，并在它的兩面鍍上金屬電極，然后加電對(duì)其進(jìn)行極化，這樣便制成了熱釋電探測(cè)元。
結(jié)構(gòu)
由于加電極化的電壓是有極性的，因此極化后的探測(cè)元也是有正、負(fù)極性的。該傳感器將兩個(gè)極性相反、特性一致的探測(cè)元串接在一起，目的是消除因環(huán)境和自身變化引起的干擾。它利用兩個(gè)極性相反、大小相等的干擾信號(hào)在內(nèi)部相互抵消的原理來(lái)使傳感器得到補(bǔ)償。對(duì)于輻射至傳感器的紅外輻射，熱釋電傳感器通過(guò)安裝在傳感器前面的菲涅爾透鏡將其聚焦后加至兩個(gè)探測(cè)元上，從而使傳感器輸出電壓信號(hào)。制造熱釋電紅外探測(cè)元的高熱電材料是一種廣譜材料，它的探測(cè)波長(zhǎng)范圍為0.2-20um。為了對(duì)某一波長(zhǎng)范圍的紅外輻射有較高的敏度，該傳感器在窗口上加裝了一塊干涉濾波片。這種濾波片除了允許某些波長(zhǎng)范圍的紅外輻射通過(guò)外，還能將燈光、陽(yáng)光和其它紅外輻射拒之門(mén)外。
優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：本身不發(fā)任何類型的輻射，器件功耗很小，隱蔽性好。價(jià)格低廉。
缺點(diǎn)：
◆容易受各種熱源、光源干擾
◆被動(dòng)紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收。
◆環(huán)境溫度和人體溫度接近時(shí)，探測(cè)和靈敏度明顯下降，有時(shí)造成短時(shí)失靈。
PIR管腳分配
檢測(cè)器應(yīng)避開(kāi)日光、汽車頭燈、白熾燈直接照射，也不能對(duì)著熱源（如暖氣片、加熱器）或空調(diào)，以避免環(huán)境溫度較大的變化而造成誤報(bào)；檢測(cè)器安裝必須牢固，避免因風(fēng)吹晃動(dòng)而造成誤報(bào)；傳感器表面不允許用手摸；光學(xué)透鏡外表面要定期用濕軟布或棉花擦凈，避免塵土影響靈敏度；安裝高度2m。要特別提出的是該檢測(cè)器電路板在工廠已調(diào)試好，保證檢測(cè)距離大于6m。若整個(gè)報(bào)警系統(tǒng)有問(wèn)題，請(qǐng)不要調(diào)整或改動(dòng)這部分電路，否則檢測(cè)距離就不能保證。
熱釋電紅外傳感器簡(jiǎn)單制作方法
隨著信息技術(shù)的普及，紅外探測(cè)技術(shù)取得了迅速的發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于夜視儀、報(bào)警、醫(yī)療和自動(dòng)控制等領(lǐng)域。在紅外探測(cè)系統(tǒng)中，紅外傳感器是核心器件，它的性能決定了整個(gè)紅外探測(cè)系統(tǒng)的靈敏性，而前置放大電路又是影響紅外傳感器性能的關(guān)鍵部分。由于紅外傳感器的響應(yīng)信號(hào)十分微弱，故對(duì)前置放大器提出了嚴(yán)格的要求，如低噪、高增、低頻特性好及抗干擾強(qiáng)等。
以下針對(duì)熱釋電傳感器的輸出信號(hào)的特點(diǎn)，提出一種新型的高增益、低噪聲的前置放大電路設(shè)計(jì)方案。該方案很好地滿足了熱釋電傳感器對(duì)前置放大器低噪聲、高增益、低頻特性好及抗干擾能力強(qiáng)的要求。
一、輸出信號(hào)特性及其噪聲分析
熱釋電紅外傳感器輸出電信號(hào)的幅度和頻率主要決定于目標(biāo)人體的溫度、探測(cè)區(qū)域背景、人體與傳感器的距離、人體移動(dòng)的速度、光學(xué)透鏡系統(tǒng)的焦距和它的設(shè)計(jì)方 式。人體溫度和探測(cè)區(qū)域背景的溫差很大，離傳感器越近，輸出電信號(hào)的幅值將越大。雙敏感元熱釋電傳感器配合菲涅爾光學(xué)透鏡使用時(shí)，輸出信號(hào)波形電壓峰峰值 約為1mV，頻率可由下公式計(jì)算：
式中，f是輸出信號(hào)頻率（Hz）；Vb是人體移動(dòng)速度（m/s）；fb是光學(xué)系統(tǒng)焦距（mm）；S是傳感器敏感元的面積（mm）；L是人體離傳感器的距離（m）。對(duì)于雙敏感元傳感器，標(biāo)準(zhǔn)尺寸為2&TImes;1mm2，人體移動(dòng)速度范圍為0.5～5m/s，常用探測(cè)器上使用的菲涅爾透鏡焦距為25mm，由此我們可計(jì)算出傳感器輸出信號(hào)的頻率范圍為0.08～8Hz。
由于傳感器輸出的信號(hào)非常微弱，容易受到噪聲的干擾，甚至有效信號(hào)被淹沒(méi)在噪聲中。研究發(fā)現(xiàn)傳感器上輸出信號(hào)的干擾源主要來(lái)自傳感器的熱噪聲、固有噪聲、放大器的電壓和電流噪聲等。熱噪聲是由探測(cè)器材料中的電荷載流子的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的。要減小熱噪聲帶來(lái)的影響，應(yīng)盡量縮短熱釋電紅外傳感器和前置放大電路之間的距離，減少外界熱干擾，并在前置放大電路中串入低通濾波電路，限制噪聲帶寬。傳感器的固有噪聲電壓峰峰值約為50μV，室外熱空氣流動(dòng)能夠產(chǎn)生接近250μV的噪聲，在室內(nèi)也接近180μV。其他可能存在的干擾，如空間電磁波干擾和機(jī)械振動(dòng)等，噪聲幅值接近100μV。三種噪聲疊加最大幅值接近300μV。
二、前置放大電路的設(shè)計(jì)
根據(jù)熱釋電紅外傳感器輸出信號(hào)特性，前置放大電路信號(hào)處理要從多種噪聲干擾中提取有用的微弱信號(hào)，故前置放大電路應(yīng)具有低噪聲、高增益、低頻特性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。因此，通常由如圖所示的包括帶通濾波、兩級(jí)高增益放大、比較電路三個(gè)部分組成。
上圖中熱釋電傳感器D端和5V電源間串聯(lián)10kΩ電阻，用于降低射頻干擾，G端接地，S端接47kΩ負(fù)載電阻，偏置電壓約為1V。傳感器輸出直接耦合到低噪聲運(yùn)放（LM324）構(gòu)成的帶通濾波和第一級(jí)放大電路的反向輸入端，再由電阻R6 、電容C8耦合到第二級(jí)反向放大電路進(jìn)行進(jìn)一步濾波、放大。
上限截止頻率為：
下限截止頻率為：
電路增益與頻率有關(guān)，當(dāng)輸入信號(hào)頻率為1Hz時(shí)，第一級(jí)放大增益約為：
第二級(jí)放大增益為：
計(jì)算得帶寬為15.83Hz，電路總增益為66dB。雙限電壓比較器由四運(yùn)放（LM324）的另兩個(gè)放大器構(gòu)成。從前文對(duì)噪聲分析可知，噪聲源最大幅值接近300μV，經(jīng)兩級(jí)放大電路后，最大噪聲幅值達(dá)到600mV。第二級(jí)放大電路偏置在VCC/2，即2.5V，因此，雙限電壓比較器的高低閾值應(yīng)設(shè)置為3.1V和1.9V時(shí)才能有效抗噪聲干擾，即當(dāng)放大器輸出信號(hào)電平大于3.1V或者小于1.9V時(shí)，比較器輸出高電平，表示探測(cè)到移動(dòng)人體。
三、熱釋電紅外傳感器的應(yīng)用
熱釋電紅外傳感器的應(yīng)用很廣，大體可分為定性測(cè)量和定量測(cè)量?jī)深悺?/p>
定量測(cè)量是測(cè)量紅外光源的溫度T，是一種非接觸的測(cè)定溫度的方法。它的基本依據(jù)如下，首先輻射能流密度 ωλ可表示為：
式中，ωλ為輻射率，相當(dāng)于對(duì)絕對(duì)黑體的修正，是一個(gè)小于等于1的數(shù)；h為普朗克常數(shù)；λ為波長(zhǎng)，c為光速；k為波爾茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度。
由公式可以看出，如果光源輻射率一定，紅外傳感器與光源相對(duì)位置及光學(xué)系統(tǒng)固定，則傳感器的溫度相對(duì)于光源溫度有一個(gè)確定的關(guān)系。
實(shí)際用斬光板來(lái)對(duì)光源進(jìn)行斬光，所以熱釋電器件的溫度時(shí)而反映光源溫度，時(shí)而反映斬光板溫度，因而熱釋電器件輸出的脈動(dòng)電壓幅度為以光源溫度T，斬光板溫度為自變量的兩個(gè)函數(shù)之差。
定性測(cè)量是熱釋電紅外傳感器最大應(yīng)用領(lǐng)域。它的基本原理是根據(jù)檢測(cè)物與背景輻射性質(zhì)的不同、檢測(cè)目標(biāo)存在與否。人體的表面溫度約為34℃，紅外線峰值約為10μm，人體移動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)相應(yīng)于頻率為0.1～10Hz，熱釋電的方法檢測(cè)人體與可見(jiàn)光傳感器相比，有幾個(gè)特點(diǎn)，一是利用人體自身發(fā)光，不用其它光源，因而工作裝置簡(jiǎn)單、可靠，另外由于紅外線不被人感覺(jué)，所以具有隱蔽性好的優(yōu)點(diǎn)。
近些年來(lái)，熱釋電紅外傳感器除了用于遙感、制導(dǎo)、夜視、主動(dòng)雷達(dá)、熱成像、氣體分析、輻射計(jì)、測(cè)溫等軍事和工業(yè)場(chǎng)合外，它在消費(fèi)電子電器產(chǎn)品中的應(yīng)用正迅速增長(zhǎng)。目前應(yīng)用最多的是檢測(cè)人的傳感器，比如用于防盜報(bào)警系統(tǒng)。
紅外報(bào)警器組成框圖
物體射出的紅外線先通過(guò)菲涅爾透鏡，然后到達(dá)熱釋電紅外探測(cè)器。這時(shí)，熱釋電紅外探測(cè)器將輸出脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)經(jīng)放大和濾波后，由電壓比較器將其與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，當(dāng)輸出信號(hào)達(dá)到一定值時(shí)，報(bào)警電路發(fā)出警報(bào)。其中的前置放大電路采用第一個(gè)圖1中所設(shè)計(jì)的方案，通過(guò)測(cè)試表明信號(hào)處理電路低頻特性較好，對(duì)傳感器輸出的低頻微弱信號(hào)有比較高的放大增益，抗噪聲干擾能力強(qiáng)。電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明該前放信號(hào)處理電路配合熱釋電紅外傳感器使用時(shí)靈敏度高、探測(cè)誤差率較低。
四、小結(jié)
通過(guò)分析熱釋電紅外傳感器輸出信號(hào)特性，對(duì)設(shè)計(jì)前放電路的噪聲信號(hào)進(jìn)行了分析研究，表明該微弱信號(hào)處理電路在低頻時(shí)具有較高增益，頻率特性曲線在1Hz附近比較平坦，對(duì)低頻信號(hào)放大時(shí)失真小，3dB帶寬只有15.94Hz，能夠有效濾除高頻干擾，提高信噪比，滿足熱釋電紅外傳感器輸出對(duì)信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)的要求。但具體應(yīng)用時(shí)，還應(yīng)充分考慮實(shí)際探測(cè)環(huán)境對(duì)傳感器輸出信號(hào)的影響，合理選擇、設(shè)計(jì)信號(hào)處理電路，才能減少誤差，最大限度的發(fā)揮紅外傳感器的探測(cè)作用。
結(jié)語(yǔ)
關(guān)于熱釋電紅外傳感器的相關(guān)介紹就到這了，希望通過(guò)本文能讓你對(duì)熱釋電紅外傳感器有更全面的認(rèn)識(shí)。