【文章內(nèi)容簡介】 熱釋紅外傳感器的結(jié)構(gòu) 紅外探測器是紅外熱釋傳感器的重要組成部分。它可以分成熱釋電探測器和光子探測器兩大類：其中，熱釋電探測器是電效應工作的探測器，其響應速度雖不如光子型，但由于它可在室溫下使用、光譜響應寬、 工作頻率寬，靈敏度與波長無關(guān)，因此其應用領(lǐng)域廣，容易使用。常用的熱釋電探測器如： LiTaO2(鉭酸鋰 )探測器、 BaTiO2(鈦酸鋇 ) 探測器等。 如圖 21為熱釋電紅外傳感器的電路圖。傳感器的敏感元為 PZT，在上下兩面做上電極，并在表面加一層黑色氧化膜以提高其轉(zhuǎn)化效率。它的等效電路是一個在負載電阻上并聯(lián)一個電容的電流發(fā)生器，其輸出阻抗極高，而輸出電壓信號又極其微弱，故在管內(nèi)附有 JFET 及厚膜電阻，以達到阻抗變大的目的。在管殼的頂部設(shè)有慮光鏡。 圖 21 熱釋電紅外傳感器的電路圖 熱釋電體的自發(fā)極化強度與 溫度有關(guān)。隨著溫度升高，自發(fā)極化強度下降。溫度升高到 Tc 時，自極化消失，此溫度稱為居里溫度。溫度超過居里溫度，鐵電體發(fā)生變化，從極化晶體變?yōu)榉菢O化晶體，極化強度變?yōu)榱恪? 由于自發(fā)極化，在與極化軸相垂直的晶體兩外表面上出現(xiàn)正負極化強度。但是這些面束縛電荷常常被晶體內(nèi)部或外部的電荷所中和，因而顯示不出來。因此不能在靜態(tài)條件下測量自發(fā)極化，但是自由電荷和面束縛電荷所需的時間很長，因晶體自發(fā)極化的弛豫時間很短，約 10－ 12s，因此當晶體經(jīng)受一定頻率的溫度變化時其體內(nèi)的自由電荷和外部雜散電荷便來不及中和變化著的面束縛 電荷，因此可在動態(tài)條件下測量自發(fā)極化。 如果在熱釋電晶體沿極化軸的端面裝上電極，那么自發(fā)極化在電極上感應的電荷量為： Q=APS 四川信息職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 第 8 頁 當紅外輻射照射時，熱釋電晶體溫度升高，自發(fā)極化電晶體溫度升高，自發(fā)極化強度降低，因此電極表面上感應電荷減少，這相當于“釋放”了一部分電荷，因此稱之為熱釋電現(xiàn)象。 如圖 22 所示的電路連接負載，則在紅外輻射時，就有電流流過負載經(jīng)放大后成為輸出信號。 圖 22 熱釋電傳感器的電路連接 若沒有經(jīng)過調(diào)制的紅外輻射熱釋電晶體，使溫度升高到一個新的平衡值，那么電極表面的感應電荷也變化到新 的平衡值，不再“釋放”電荷，也就不再輸出信號。因此，熱釋電探測器與其他熱釋探測器不同，它只存在溫度升降的過程中才有信號輸出。所以利用熱釋電探測器探測的紅外輻射必須經(jīng)過調(diào)制。 如果用調(diào)制頻率為 f 的紅外線照射熱釋電晶體，則晶體的溫度自發(fā)極化強度（ PS）及其引起的面束縛作電荷密度均以頻率 f作周期變化。如果 1/f 小于自由電荷中和面束縛電荷所需要的時間，那么在垂直于 PS 的晶體的兩個端面之間就會產(chǎn)生開路電壓。如果用負載電阻 Rg把兩個電極連接起來，就會有熱釋電電流 Is 通過負載。熱釋電晶體自發(fā)極化強度隨溫度變化，使電極表 面感應電荷發(fā)生變化，其等效電路如圖 23所示。 四川信息職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 第 9 頁 圖 23熱釋電傳感器 等效電路 電流源的電流強度為 Is為： dTdAPItS)(?? 式中： p 一自發(fā)極化強度對溫度變化率，稱為熱釋電系數(shù)。 菲涅爾透鏡 目前人體驗知系統(tǒng)中的光調(diào)制器一般都采用多元陣列式菲涅爾透鏡，它起到紅外輻射收集器和調(diào)制器的雙重作用。熱釋電傳感器只有與菲涅爾透鏡配合使用才能發(fā)揮最大作用。菲涅爾透鏡實際是一 個透鏡組，每個單元一般都只有一個不大的視場，且相鄰的視場既不連續(xù)，也不交叉，都相隔一個盲區(qū) (如圖 24所示 )。這樣，當人體在裝有菲涅爾透鏡的傳感器監(jiān)控范圍內(nèi)運動時，人體輻射的紅外線通過菲涅爾透鏡傳到傳感器上，形成一個不斷交替變化的盲區(qū)和亮區(qū)，使得敏感單元的溫度不斷變化，傳感器從而輸出信號，或者說，人體在監(jiān)控范圍內(nèi)活動時，進人一個視場后，又走出這個視場，再進人另一視場對傳感器而言，相當于一會兒看到人，一會兒又看不到人，人體的紅外線輻射不斷改變傳感器的溫度，使之有一個又一個相應的電信號。 圖 24菲涅爾透鏡外形圖 菲涅爾透鏡不僅可以形成亮區(qū)和盲區(qū)，而且還有聚焦作用，其焦距一般在 5cm 四川信息職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 第 10 頁 左右菲涅爾透鏡一般由聚乙烯塑料片制成，呈乳白色半透明狀。需要說明的是 :在每次接通電源時，傳感器要有幾秒到十幾秒的“預熱”時間，在這段時期內(nèi)該傳感器不起作用。 熱釋電紅外傳感器控制電路芯片的選擇 熱釋電紅外傳感器輸出的檢測信號很小。要經(jīng)過放大、比較等幾個環(huán)節(jié)才能輸出控制信號。使電路執(zhí)行相關(guān)動作。熱釋電紅外傳感器控制電路就是根據(jù)檢測信號的特點和輸出信號的要求，完成上述功能的電路。本套系統(tǒng)采用通用原件構(gòu)成熱釋電紅外傳感 器的控制系統(tǒng)。如圖 25 是控制電路的結(jié)構(gòu)框圖： 圖 25控制電路的結(jié)構(gòu)框圖 LM324 系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應用場合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到 伏或者高到 32伏的電源下，靜態(tài)電流為 MC1741 的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運算放大器可用圖 27 所示的符號來表示，它有 5個引出腳，其中“ +”、“ ”為兩個 信號輸入端，“ V+”、“ V”為正、負電源端，“ Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中， Vi（ ）為反相輸入端，表示運放輸出端 Vo 的信號與該輸入端的位相反； Vi+（ +）為同相輸入端，表示運放輸出端 Vo 的信號與該輸入端的相位相同。 LM324 的引腳排列見圖 27。 圖 26放大器 低頻放大 比較整形 Vi Vo 四川信息職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 第 11 頁 圖 27 LM324 的引腳圖 LM324 的特點： ： 3V32V ：最大 100nA 。 。 源 四川信息職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 第 12 頁 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 低頻帶通放大電路 熱釋電紅外傳感器輸出的檢測信號很小，僅 1mV左右，頻率為 ~10HZ，需經(jīng)高增益、低噪聲低頻放大器放大后，才能進一步處理，一般來講，要求放大器的增益為 60~70dB,帶寬 ~7HZ。放大器的帶寬對可靠性和靈敏度有重要影響，帶寬窄，噪聲小誤動作率低；帶寬寬，噪聲大，誤動作率高！ 如圖 31所示，本系統(tǒng)采用 LM324 中的兩個集成運算放大器構(gòu)成低頻帶通放大電路， LM324 內(nèi)部集成了四個獨立的高 增益運算放大器，其電流小（典型值 Is=），且與所加電源電壓的大小無關(guān)，頻率補償及偏置電流均采用了溫度補償措施，性能穩(wěn)定。采用單電源供電。 圖 31低頻帶通放大電路 放大器要求： 增益： 60~70DB 帶寬： ~7HZ 工作原理： 放大電路的電壓增益為： A=1+2π fR12C4/(1+2π fR7C4)(1+2π fR12C4) 一般要求放大電路的增益為 65DB。