熱釋電紅外探測實驗裝置的設計與應用

王孟祿，張 鐳

(河南大學 物理與電子學院，河南 開封 475004)

熱釋電紅外探測實驗裝置的設計與應用

王孟祿，張 鐳

(河南大學 物理與電子學院，河南 開封 475004)

該文分析介紹了熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理，設計了熱釋電紅外探測實驗裝置。人體輻射的紅外光通過熱釋電紅外傳感器轉(zhuǎn)換成微弱的電壓信號，經(jīng)帶通濾波放大，由窗口比較電路輸出高電平，經(jīng)延時電路，驅(qū)動二極管發(fā)光。實驗內(nèi)容包括紅外信號處理實驗、響應距離特性實驗。分析介紹了電路原理及實驗方法。利用該實驗裝置開發(fā)了熱釋電紅外報警器、紅外自動開關等實際應用電路。實驗裝置應用于河南大學電子信息科學與技術(shù)、測控技術(shù)與儀器等專業(yè)進行紅外探測實驗，并開展創(chuàng)新設計。

熱釋電紅外探測器；實驗裝置；電路設計；應用

紅外探測器是將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電能的一種光電器件，也稱紅外傳感器。紅外探測器主要有熱探測器和光子探測器兩大類。熱釋電紅外探測器是熱探測器的一種，由具有自發(fā)極化現(xiàn)象的熱釋電晶體制成，它能以非接觸形式檢測出物體的紅外輻射，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出。熱釋電探測器具有響應速度快、靈敏度高、光譜響應范圍寬和使用方便等優(yōu)點，廣泛應用于非接觸式溫度測量、紅外光譜測量、自動控制及自動監(jiān)測、入侵報警和自動開關等領域中。為此本文研制了熱釋電紅外探測實驗裝置，并利用該實驗裝置開發(fā)了入侵報警器、自動開關等實用電路，應用于高等學校學生進行綜合設計性實驗，以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力。

1 熱釋電紅外探測器原理分析及討論

1.1 熱釋電電流的產(chǎn)生

熱釋電晶體是壓電晶體的一種，具有非中心對稱的晶體結(jié)構(gòu)。當紅外光照射到其表面時，引起晶體溫度迅速升高，極化強度很快下降，束縛電荷急劇減少,而表面電荷變化緩慢，在晶體表面重新達到電平衡狀態(tài)的極短時間內(nèi)，晶體表面有多余的電荷出現(xiàn)，這相當于晶體釋放出一部分電荷，該現(xiàn)象稱為熱釋電效應[1]。如圖1所示，將負載電阻R與熱釋電晶體薄片相連，則在R上便會產(chǎn)生一個電壓信號。面積為A的熱釋電晶體受到調(diào)制輻射，而使其溫度T發(fā)生微小變化時，產(chǎn)生的熱釋電電流為：

圖1 熱釋電電流的產(chǎn)生

式中，A為面積，P為熱電體材料熱釋電系數(shù)，dT/dt是溫度的變化率。由此可見：1)熱釋電晶體輸出的電信號與晶體薄片溫度變化率有關，而與溫度本身無關，所探測的紅外輻射必須是變化的；2)輸出信號的大小與晶體薄片的溫度變化率成正比，從而反映出入射紅外輻射的強度。

1.2 交變紅外輻射的產(chǎn)生方法

對于恒定的紅外輻射，必須對其進行調(diào)制(或稱斬光),使恒定輻射變成交變輻射，不斷引起探測器的溫度變化，熱釋電晶體才能產(chǎn)生熱釋電電流。產(chǎn)生交變紅外輻射的方法通常有配置菲涅爾透鏡和傳感器上加裝調(diào)制盤兩種。將菲涅爾透鏡安裝在傳感器前面，將探測空間分隔為敏感區(qū)和非敏感區(qū)，當人體在探測區(qū)域內(nèi)運動時，交替從敏感區(qū)進入非敏感區(qū)，熱釋電傳感器接收到的紅外輻射能量發(fā)生強弱變化。菲涅爾透鏡的另一個作用是把人體輻射的紅外光聚焦到熱釋電紅外探測元上[2]，從而擴大探測器的探測范圍，探測距離約可增到原來的5倍。在傳感器上加裝調(diào)制盤，由頻率為1 Hz的慢速電動機帶動調(diào)制盤旋轉(zhuǎn)，對入射的紅外輻射進行斬光，將恒定或緩慢的紅外輻射轉(zhuǎn)變成交變輻射。

1.3 熱釋電傳感器的結(jié)構(gòu)

熱釋電傳感器主要有溫補單元型、雙元型和四元型3種。溫補單元型用于輻射高溫計、氣體分析設備和火焰檢測器等；雙元型和四元型應用于檢測人的出現(xiàn)和運動[3]，如報警系統(tǒng)、自動控制門和自動感應開關等。雙元型熱釋電傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由濾光片、雙探測元和場效應管組成。熱釋電晶體敏感波長范圍為0.2～20 μm，加上不同帶通的濾光片可對特定波長的紅外光進行捕獲，把不需要的紅外光濾除掉[4]。人體溫度為36℃～37℃，所放射的紅外光波長為9～10 μm，在遠紅外區(qū)[2]。雙元型熱釋電傳感器的濾光片只允許波長 8～12 μm 的紅外光通過 ,而將其他波長的紅外光及燈光、太陽光輻射濾除掉，適用于人體探測。兩個極性相反、特性一致的探測元串接在一起，目的是消除因環(huán)境和自身溫度變化引起的干擾[5]。探測元輸出的是電荷信號,不能直接使用,需要用電阻將其轉(zhuǎn)換為電壓形式,該電阻阻抗高達104MΩ[6],故引入N溝道結(jié)型場效應管接成共漏形式來完成阻抗變換[7]。使用時D端接電源正極,G端接電源負極,S端為信號輸出。

圖2 雙探測元熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)

2 熱釋電紅外探測實驗裝置設計

2.1 實驗電路設計

實驗電路由菲涅爾透鏡、熱釋電傳感器、兩級運算放大器、窗口比較電路、延時電路和驅(qū)動電路組成，如圖3所示。其中，兩級運算放大器和窗口比較電路用LM324四運算放大器完成，延時電路由NE555定時器完成。人體移動產(chǎn)生的信號頻率約為0.1～10 Hz[8],傳感器輸出的信號非常微弱，因此要求放大器具有低噪聲、高增益、低頻特性好和抗干擾能力強的特點。

圖3中，R14用于降低射頻干擾，LM324a構(gòu)成第一級帶通濾波放大電路。P228型熱釋電紅外傳感器S腳輸出微弱交流電壓信號US，C1濾除其高頻成分，R1為傳感器輸出的負載電阻。US經(jīng)IC1a帶通濾波放大后，經(jīng)RW1與R4分壓，由C4耦合到第二級放大器IC1b進一步濾波放大，輸出一個較強的電壓信號UO，RW1可調(diào)節(jié)第二級運算放大器輸入信號的大小，從而調(diào)節(jié)檢測器的靈敏度。IC1c、IC1d構(gòu)成窗口電壓比較器，高低閾值電壓由分壓電路R6、D1、D2、R7確定，VL=2.20 V，VH=2.70 V。二極管VD3、VD4相互隔離輸出控制脈沖信號UK，當VLVH時，比較器輸出UK為高電平。窗口比較器輸出的高電平經(jīng)反相器V1變成低電平信號。延時器由555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成，555定時器觸發(fā)輸入端2腳為高電平時，電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)，輸出端3腳保持低電平,當反相器V1由高電平變?yōu)榈碗娖绞?腳下降沿觸發(fā)時，輸出端3腳跳變?yōu)楦唠娖?，電路轉(zhuǎn)為暫穩(wěn)態(tài)，之后又恢復到穩(wěn)定態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)的維持時間就是電路的延遲時間，調(diào)節(jié)RW2可改變延遲時間。V2為驅(qū)動管，當基極為高電平時，V2飽和導通，驅(qū)動發(fā)光二極管D4發(fā)光。

圖3 熱釋電紅外探測器實驗電路

2.2 實驗內(nèi)容及分析

1)實驗裝置的功能是：當人體進入探測區(qū)域時，紅色發(fā)光二極管點亮；人體離開探測區(qū)域，發(fā)光二極管延遲一段時間后熄滅；在延遲時間內(nèi)如果人體在探測范圍內(nèi)移動，發(fā)光二極管持續(xù)點亮，直到人體離開后二極管延遲熄滅。實驗內(nèi)容包括紅外信號檢測與控制實驗和紅外響應距離特性實驗。

2)實驗電路如圖3所示，實驗時用數(shù)字萬用表直流電壓擋進行測量。無紅外輻射時，US=0.52 V，UO=2.52 V，UK=0。手在熱釋電探頭前晃動一下，熱釋電探頭S端有微弱的電壓變化信號，US由0.52 V變?yōu)?.53 V,兩級運算放大器輸出端的電壓變化較大，UO由2.52 V變?yōu)?.79 V，再變?yōu)?.07 V，之后恢復到2.52 V。窗口比較電路中VL=2.20 V,VH=2.70 V，無紅外光輻射時，放大器輸出端電壓UO=2.52 V,VLVH，窗口比較器輸出高電平，UK=1.58 V。該高電平經(jīng)延遲電路延時，調(diào)節(jié)RW2選擇合適的延遲時間，延時電路輸出電平3.80 V,加到驅(qū)動管V2基極使其飽和導通，LED點亮，延時過后LED熄滅。

3)紅外響應距離特性實驗：紅外探頭距地面約為2 m，不要直對窗口，否則會引起誤動作。紅外探頭對人體的敏感程度與人的運動方向有很大關系,它對于徑向的移動反應極不敏感,而對于橫切方向(即與半徑垂直的方向)的移動則極為敏感。使用時,應選擇合適的安裝位置,避免紅外探頭誤報,以獲得最佳的檢測靈敏度[6]。電路正常工作后，使人體從遠處逐漸沿著橫切方向靠近探頭，可測出探測范圍[9]。前后調(diào)節(jié)菲涅爾透鏡位置，當紅外傳感器在其焦點上時，探測距離最遠，需反復實驗確定透鏡的最佳位置；RW1為靈敏度調(diào)節(jié)電位器，靈敏度越高，探測距離越遠，但靈敏度太高則有可能產(chǎn)生誤動作，通過反復實驗選擇合適的靈敏度。經(jīng)反復測試實驗，該探測器的探測距離能達到8 m。

3 實驗裝置的應用

3.1 熱釋電紅外報警器設計

在實驗電路圖3中，窗口比較電路輸出信號加到報警保持電路，可驅(qū)動報警芯片持續(xù)報警，實現(xiàn)入侵報警功能，電路如圖4所示。報警保持電路由74HC74實現(xiàn)，74HC74為雙D觸發(fā)器，是上跳沿觸發(fā)的邊沿觸發(fā)器。當人沒進入紅外警戒區(qū)，窗口比較電路輸出低電平不報警。當人進入紅外警戒區(qū)或在警戒區(qū)內(nèi)移動時，窗口比較電路輸出UK由低電平變?yōu)楦唠娖郊拥?4HC74的3腳，上跳沿觸發(fā)D觸發(fā)器，輸出端5腳(Q)由低電平變?yōu)楦唠娖?；當人在警戒區(qū)靜止時，UK變?yōu)榈碗娖剑?4HC74的3腳由高電平變?yōu)榈碗娖?，但輸出?腳輸出仍保持高電平不變。驅(qū)動管V1飽和導通，V2放大器工作而持續(xù)發(fā)出報警聲，紅色LED也持續(xù)發(fā)光。若解除報警，按一下開關K使1腳(CLR)為0電位。CL9561為四報警芯片，SEL1、SEL2都懸空時，報警聲為警車聲。

圖4 熱釋電紅外報警器

3.2 熱釋電紅外自動開關設計

在實驗電路圖3中，在驅(qū)動電路中接入光電耦合器VLC或繼電器，可實現(xiàn)自動紅外開關。如圖5所示為紅外自動開關控制的水龍頭電路，YV為電磁水閥，當人體靠近水龍頭時，高電平經(jīng)延時電路使驅(qū)動管V1飽和導通，光電耦合器內(nèi)部的發(fā)光二極管點亮,光控晶閘管導通,電磁水閥通電開始放水。人離開水龍頭或超過延遲時間未離開時，延時電路輸出低電平使V1截止，電磁水閥斷電，水龍頭自動關閉。該電路還可以用于紅外感應燈，當人靠近時燈亮，人離開后延遲一段時間燈熄滅[10]。

圖5 熱釋電紅外自動開關

4 結(jié)束語

本文研制的熱釋電紅外探測實驗裝置,經(jīng)反復測試，靈敏度高，可靠性好。利用該實驗裝置設計的熱釋電紅外報警器、熱釋電自動開關等實用電路，性能穩(wěn)定。利用該實驗裝置還可以開發(fā)出更多的實驗項目，如無接觸式溫度測量儀[4]、紅外自動門控制[11]和紅外車流量檢測[12]等。用于本科生相關專業(yè)進行綜合設計性實驗，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新實踐能力。

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Design and Application of Pyroelectric Infrared Detector of Experimental Device

WANG Menglu，ZHANG Lei

(School of Physics and Electronics, Henan University, Kaifeng 475004, China)

In this paper, the pyroelectric infrared detector of experimental device is designed, and the structure and working principle of pyroelectric infrared sensor are introduced.The infrared radiation of human body is changed into a faint voltage signal by the pyroelectric infrared sensor.The voltage signal is magnified by a band pass filter, and a high electrical level is exported from the window comparison circuit, which drives the diode emitting.The experimental contents contain the infrared signal processing and response to the distance characteristic experiments.The circuit principle and experimental method were introduced and analyzed.By using this experimental device, some actual application circuits, such as pyroelectric infrared alarm and infrared automatic switch were developed.This experimental device was applied to infrared detection experiment and innovation design for the students in the departments of electronics science and technology, and controlling technology and equipment of Henan University.

Pyroelectricinfrared sensor; Experimental device; Circuit design ; Application

2015-09-16；修改日期:2015-10-22

國家自然科學青年基金(51305066); 河南省教育廳科學技術(shù)研究重點項目(14A460024)。

王孟祿(1964-)，男，實驗師，主要從事測控技術(shù)與儀器專業(yè)實驗教學及研究。

張鐳，副教授，zhanglei@vip.henu.edu.cn

TN

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2017.01.008