王孟祿，張 鐳

(河南大學(xué) 物理與電子學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004)

熱釋電紅外探測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王孟祿，張 鐳

(河南大學(xué) 物理與電子學(xué)院，河南 開(kāi)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(shè)計(jì)了熱釋電紅外探測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置。人體輻射的紅外光通過(guò)熱釋電紅外傳感器轉(zhuǎn)換成微弱的電壓信號(hào)，經(jīng)帶通濾波放大，由窗口比較電路輸出高電平，經(jīng)延時(shí)電路，驅(qū)動(dòng)二極管發(fā)光。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括紅外信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)、響應(yīng)距離特性實(shí)驗(yàn)。分析介紹了電路原理及實(shí)驗(yàn)方法。利用該實(shí)驗(yàn)裝置開(kāi)發(fā)了熱釋電紅外報(bào)警器、紅外自動(dòng)開(kāi)關(guān)等實(shí)際應(yīng)用電路。實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)用于河南大學(xué)電子信息科學(xué)與技術(shù)、測(cè)控技術(shù)與儀器等專(zhuān)業(yè)進(jìn)行紅外探測(cè)實(shí)驗(yàn)，并開(kāi)展創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

熱釋電紅外探測(cè)器；實(shí)驗(yàn)裝置；電路設(shè)計(jì)；應(yīng)用

紅外探測(cè)器是將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電能的一種光電器件，也稱(chēng)紅外傳感器。紅外探測(cè)器主要有熱探測(cè)器和光子探測(cè)器兩大類(lèi)。熱釋電紅外探測(cè)器是熱探測(cè)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(cè)出物體的紅外輻射，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出。熱釋電探測(cè)器具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、光譜響應(yīng)范圍寬和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于非接觸式溫度測(cè)量、紅外光譜測(cè)量、自動(dòng)控制及自動(dòng)監(jiān)測(cè)、入侵報(bào)警和自動(dòng)開(kāi)關(guān)等領(lǐng)域中。為此本文研制了熱釋電紅外探測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置，并利用該實(shí)驗(yàn)裝置開(kāi)發(fā)了入侵報(bào)警器、自動(dòng)開(kāi)關(guān)等實(shí)用電路，應(yīng)用于高等學(xué)校學(xué)生進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

1 熱釋電紅外探測(cè)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(duì)稱(chēng)的晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)紅外光照射到其表面時(shí)，引起晶體溫度迅速升高，極化強(qiáng)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(dá)到電平衡狀態(tài)的極短時(shí)間內(nèi)，晶體表面有多余的電荷出現(xiàn)，這相當(dāng)于晶體釋放出一部分電荷，該現(xiàn)象稱(chēng)為熱釋電效應(yīng)[1]。如圖1所示，將負(fù)載電阻R與熱釋電晶體薄片相連，則在R上便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)。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(shí)，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(jiàn)：1)熱釋電晶體輸出的電信號(hào)與晶體薄片溫度變化率有關(guān)，而與溫度本身無(wú)關(guān)，所探測(cè)的紅外輻射必須是變化的；2)輸出信號(hào)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(qiáng)度。

1.2 交變紅外輻射的產(chǎn)生方法

對(duì)于恒定的紅外輻射，必須對(duì)其進(jìn)行調(diào)制(或稱(chēng)斬光),使恒定輻射變成交變輻射，不斷引起探測(cè)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(pán)兩種。將菲涅爾透鏡安裝在傳感器前面，將探測(cè)空間分隔為敏感區(qū)和非敏感區(qū)，當(dāng)人體在探測(cè)區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，交替從敏感區(qū)進(jìn)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(qiáng)弱變化。菲涅爾透鏡的另一個(gè)作用是把人體輻射的紅外光聚焦到熱釋電紅外探測(cè)元上[2]，從而擴(kuò)大探測(cè)器的探測(cè)范圍，探測(cè)距離約可增到原來(lái)的5倍。在傳感器上加裝調(diào)制盤(pán)，由頻率為1 Hz的慢速電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)調(diào)制盤(pán)旋轉(zhuǎn)，對(duì)入射的紅外輻射進(jìn)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(bǔ)單元型、雙元型和四元型3種。溫補(bǔ)單元型用于輻射高溫計(jì)、氣體分析設(shè)備和火焰檢測(cè)器等；雙元型和四元型應(yīng)用于檢測(cè)人的出現(xiàn)和運(yùn)動(dòng)[3]，如報(bào)警系統(tǒng)、自動(dòng)控制門(mén)和自動(dòng)感應(yīng)開(kāi)關(guān)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(cè)元和場(chǎng)效應(yīng)管組成。熱釋電晶體敏感波長(zhǎng)范圍為0.2～20 μm，加上不同帶通的濾光片可對(duì)特定波長(zhǎng)的紅外光進(jìn)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(zhǎng)為9～10 μm，在遠(yuǎn)紅外區(qū)[2]。雙元型熱釋電傳感器的濾光片只允許波長(zhǎng) 8～12 μm 的紅外光通過(guò) ,而將其他波長(zhǎng)的紅外光及燈光、太陽(yáng)光輻射濾除掉，適用于人體探測(cè)。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)境和自身溫度變化引起的干擾[5]。探測(cè)元輸出的是電荷信號(hào),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(dá)104MΩ[6],故引入N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管接成共漏形式來(lái)完成阻抗變換[7]。使用時(shí)D端接電源正極,G端接電源負(fù)極,S端為信號(hào)輸出。

圖2 雙探測(cè)元熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)

2 熱釋電紅外探測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)電路由菲涅爾透鏡、熱釋電傳感器、兩級(jí)運(yùn)算放大器、窗口比較電路、延時(shí)電路和驅(qū)動(dòng)電路組成，如圖3所示。其中，兩級(jí)運(yùn)算放大器和窗口比較電路用LM324四運(yùn)算放大器完成，延時(shí)電路由NE555定時(shí)器完成。人體移動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)頻率約為0.1～10 Hz[8],傳感器輸出的信號(hào)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(qiáng)的特點(diǎn)。

圖3中，R14用于降低射頻干擾，LM324a構(gòu)成第一級(jí)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(hào)US，C1濾除其高頻成分，R1為傳感器輸出的負(fù)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(jí)放大器IC1b進(jìn)一步濾波放大，輸出一個(gè)較強(qiáng)的電壓信號(hào)UO，RW1可調(diào)節(jié)第二級(jí)運(yùn)算放大器輸入信號(hào)的大小，從而調(diào)節(jié)檢測(cè)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(hào)UK，當(dāng)VLVH時(shí)，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(hào)。延時(shí)器由555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成，555定時(shí)器觸發(fā)輸入端2腳為高電平時(shí)，電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)，輸出端3腳保持低電平,當(dāng)反相器V1由高電平變?yōu)榈碗娖绞?腳下降沿觸發(fā)時(shí)，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(fù)到穩(wěn)定態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)的維持時(shí)間就是電路的延遲時(shí)間，調(diào)節(jié)RW2可改變延遲時(shí)間。V2為驅(qū)動(dòng)管，當(dāng)基極為高電平時(shí)，V2飽和導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管D4發(fā)光。

圖3 熱釋電紅外探測(cè)器實(shí)驗(yàn)電路

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及分析

1)實(shí)驗(yàn)裝置的功能是：當(dāng)人體進(jìn)入探測(cè)區(qū)域時(shí)，紅色發(fā)光二極管點(diǎn)亮；人體離開(kāi)探測(cè)區(qū)域，發(fā)光二極管延遲一段時(shí)間后熄滅；在延遲時(shí)間內(nèi)如果人體在探測(cè)范圍內(nèi)移動(dòng)，發(fā)光二極管持續(xù)點(diǎn)亮，直到人體離開(kāi)后二極管延遲熄滅。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括紅外信號(hào)檢測(cè)與控制實(shí)驗(yàn)和紅外響應(yīng)距離特性實(shí)驗(yàn)。

2)實(shí)驗(yàn)電路如圖3所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)用數(shù)字萬(wàn)用表直流電壓擋進(jìn)行測(cè)量。無(wú)紅外輻射時(shí)，US=0.52 V，UO=2.52 V，UK=0。手在熱釋電探頭前晃動(dòng)一下，熱釋電探頭S端有微弱的電壓變化信號(hào)，US由0.52 V變?yōu)?.53 V,兩級(jí)運(yùn)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(fù)到2.52 V。窗口比較電路中VL=2.20 V,VH=2.70 V，無(wú)紅外光輻射時(shí)，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(shí)，調(diào)節(jié)RW2選擇合適的延遲時(shí)間，延時(shí)電路輸出電平3.80 V,加到驅(qū)動(dòng)管V2基極使其飽和導(dǎo)通，LED點(diǎn)亮，延時(shí)過(guò)后LED熄滅。

3)紅外響應(yīng)距離特性實(shí)驗(yàn)：紅外探頭距地面約為2 m，不要直對(duì)窗口，否則會(huì)引起誤動(dòng)作。紅外探頭對(duì)人體的敏感程度與人的運(yùn)動(dòng)方向有很大關(guān)系,它對(duì)于徑向的移動(dòng)反應(yīng)極不敏感,而對(duì)于橫切方向(即與半徑垂直的方向)的移動(dòng)則極為敏感。使用時(shí),應(yīng)選擇合適的安裝位置,避免紅外探頭誤報(bào),以獲得最佳的檢測(cè)靈敏度[6]。電路正常工作后，使人體從遠(yuǎn)處逐漸沿著橫切方向靠近探頭，可測(cè)出探測(cè)范圍[9]。前后調(diào)節(jié)菲涅爾透鏡位置，當(dāng)紅外傳感器在其焦點(diǎn)上時(shí)，探測(cè)距離最遠(yuǎn)，需反復(fù)實(shí)驗(yàn)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(cè)距離越遠(yuǎn)，但靈敏度太高則有可能產(chǎn)生誤動(dòng)作，通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)選擇合適的靈敏度。經(jīng)反復(fù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，該探測(cè)器的探測(cè)距離能達(dá)到8 m。

3 實(shí)驗(yàn)裝置的應(yīng)用

3.1 熱釋電紅外報(bào)警器設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)電路圖3中，窗口比較電路輸出信號(hào)加到報(bào)警保持電路，可驅(qū)動(dòng)報(bào)警芯片持續(xù)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)入侵報(bào)警功能，電路如圖4所示。報(bào)警保持電路由74HC74實(shí)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(dāng)人沒(méi)進(jìn)入紅外警戒區(qū)，窗口比較電路輸出低電平不報(bào)警。當(dāng)人進(jìn)入紅外警戒區(qū)或在警戒區(qū)內(nèi)移動(dòng)時(shí)，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)楦唠娖剑划?dāng)人在警戒區(qū)靜止時(shí)，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(dòng)管V1飽和導(dǎo)通，V2放大器工作而持續(xù)發(fā)出報(bào)警聲，紅色LED也持續(xù)發(fā)光。若解除報(bào)警，按一下開(kāi)關(guān)K使1腳(CLR)為0電位。CL9561為四報(bào)警芯片，SEL1、SEL2都懸空時(shí)，報(bào)警聲為警車(chē)聲。

圖4 熱釋電紅外報(bào)警器

3.2 熱釋電紅外自動(dòng)開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)電路圖3中，在驅(qū)動(dòng)電路中接入光電耦合器VLC或繼電器，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)紅外開(kāi)關(guān)。如圖5所示為紅外自動(dòng)開(kāi)關(guān)控制的水龍頭電路，YV為電磁水閥，當(dāng)人體靠近水龍頭時(shí)，高電平經(jīng)延時(shí)電路使驅(qū)動(dòng)管V1飽和導(dǎo)通，光電耦合器內(nèi)部的發(fā)光二極管點(diǎn)亮,光控晶閘管導(dǎo)通,電磁水閥通電開(kāi)始放水。人離開(kāi)水龍頭或超過(guò)延遲時(shí)間未離開(kāi)時(shí)，延時(shí)電路輸出低電平使V1截止，電磁水閥斷電，水龍頭自動(dòng)關(guān)閉。該電路還可以用于紅外感應(yīng)燈，當(dāng)人靠近時(shí)燈亮，人離開(kāi)后延遲一段時(shí)間燈熄滅[10]。

圖5 熱釋電紅外自動(dòng)開(kāi)關(guān)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研制的熱釋電紅外探測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置,經(jīng)反復(fù)測(cè)試，靈敏度高，可靠性好。利用該實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)的熱釋電紅外報(bào)警器、熱釋電自動(dòng)開(kāi)關(guān)等實(shí)用電路，性能穩(wěn)定。利用該實(shí)驗(yàn)裝置還可以開(kāi)發(fā)出更多的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如無(wú)接觸式溫度測(cè)量?jī)x[4]、紅外自動(dòng)門(mén)控制[11]和紅外車(chē)流量檢測(cè)[12]等。用于本科生相關(guān)專(zhuān)業(yè)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)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(guó)家自然科學(xué)青年基金(51305066); 河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(14A460024)。

王孟祿(1964-)，男，實(shí)驗(yàn)師，主要從事測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)及研究。

張鐳，副教授，zhanglei@vip.henu.edu.cn

TN

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2017.01.008