【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 熱釋紅外傳感器的結(jié)構(gòu) 紅外探測(cè)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(cè)器和光子探測(cè)器兩大類：其中，熱釋電探測(cè)器是電效應(yīng)工作的探測(cè)器，其響應(yīng)速度雖不如光子型，但由于它可在室溫下使用、光譜響應(yīng)寬、 工作頻率寬，靈敏度與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，因此其應(yīng)用領(lǐng)域廣，容易使用。常用的熱釋電探測(cè)器如： LiTaO2(鉭酸鋰 )探測(cè)器、 BaTiO2(鈦酸鋇 ) 探測(cè)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(gè)在負(fù)載電阻上并聯(lián)一個(gè)電容的電流發(fā)生器，其輸出阻抗極高，而輸出電壓信號(hào)又極其微弱，故在管內(nèi)附有 JFET 及厚膜電阻，以達(dá)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(qiáng)度與 溫度有關(guān)。隨著溫度升高，自發(fā)極化強(qiáng)度下降。溫度升高到 Tc 時(shí)，自極化消失，此溫度稱為居里溫度。溫度超過(guò)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(qiáng)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(fù)極化強(qiáng)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(lái)。因此不能在靜態(tài)條件下測(cè)量自發(fā)極化，但是自由電荷和面束縛電荷所需的時(shí)間很長(zhǎng)，因晶體自發(fā)極化的弛豫時(shí)間很短，約 10－ 12s，因此當(dāng)晶體經(jīng)受一定頻率的溫度變化時(shí)其體內(nèi)的自由電荷和外部雜散電荷便來(lái)不及中和變化著的面束縛 電荷，因此可在動(dòng)態(tài)條件下測(cè)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(yīng)的電荷量為： Q=APS 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) (論文 ) 第 8 頁(yè) 當(dāng)紅外輻射照射時(shí)，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(qiáng)度降低，因此電極表面上感應(yīng)電荷減少，這相當(dāng)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(fù)載，則在紅外輻射時(shí)，就有電流流過(guò)負(fù)載經(jīng)放大后成為輸出信號(hào)。 圖 22 熱釋電傳感器的電路連接 若沒(méi)有經(jīng)過(guò)調(diào)制的紅外輻射熱釋電晶體，使溫度升高到一個(gè)新的平衡值，那么電極表面的感應(yīng)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(hào)。因此，熱釋電探測(cè)器與其他熱釋探測(cè)器不同，它只存在溫度升降的過(guò)程中才有信號(hào)輸出。所以利用熱釋電探測(cè)器探測(cè)的紅外輻射必須經(jīng)過(guò)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(qiáng)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(shí)間，那么在垂直于 PS 的晶體的兩個(gè)端面之間就會(huì)產(chǎn)生開(kāi)路電壓。如果用負(fù)載電阻 Rg把兩個(gè)電極連接起來(lái)，就會(huì)有熱釋電電流 Is 通過(guò)負(fù)載。熱釋電晶體自發(fā)極化強(qiáng)度隨溫度變化，使電極表 面感應(yīng)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(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) (論文 ) 第 9 頁(yè) 圖 23熱釋電傳感器 等效電路 電流源的電流強(qiáng)度為 Is為： dTdAPItS)(?? 式中： p 一自發(fā)極化強(qiáng)度對(duì)溫度變化率，稱為熱釋電系數(shù)。 菲涅爾透鏡 目前人體驗(yàn)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(shí)際是一 個(gè)透鏡組，每個(gè)單元一般都只有一個(gè)不大的視場(chǎng)，且相鄰的視場(chǎng)既不連續(xù)，也不交叉，都相隔一個(gè)盲區(qū) (如圖 24所示 )。這樣，當(dāng)人體在裝有菲涅爾透鏡的傳感器監(jiān)控范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，人體輻射的紅外線通過(guò)菲涅爾透鏡傳到傳感器上，形成一個(gè)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(hào)，或者說(shuō)，人體在監(jiān)控范圍內(nèi)活動(dòng)時(shí)，進(jìn)人一個(gè)視場(chǎng)后，又走出這個(gè)視場(chǎng)，再進(jìn)人另一視場(chǎng)對(duì)傳感器而言，相當(dāng)于一會(huì)兒看到人，一會(huì)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(gè)又一個(gè)相應(yīng)的電信號(hào)。 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(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) (論文 ) 第 10 頁(yè) 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(shuō)明的是 :在每次接通電源時(shí)，傳感器要有幾秒到十幾秒的“預(yù)熱”時(shí)間，在這段時(shí)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(cè)信號(hào)很小。要經(jīng)過(guò)放大、比較等幾個(gè)環(huán)節(jié)才能輸出控制信號(hào)。使電路執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作。熱釋電紅外傳感器控制電路就是根據(jù)檢測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)和輸出信號(hào)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(jià)格便宜的帶有真差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場(chǎng)合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。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(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運(yùn)算放大器可用圖 27 所示的符號(hào)來(lái)表示，它有 5個(gè)引出腳，其中“ +”、“ ”為兩個(gè) 信號(hào)輸入端，“ V+”、“ V”為正、負(fù)電源端，“ Vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中， Vi（ ）為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端 Vo 的信號(hào)與該輸入端的位相反； Vi+（ +）為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端 Vo 的信號(hào)與該輸入端的相位相同。 LM324 的引腳排列見(jiàn)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(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) (論文 ) 第 11 頁(yè) 圖 27 LM324 的引腳圖 LM324 的特點(diǎn)： ： 3V32V ：最大 100nA 。 。 源 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) (論文 ) 第 12 頁(yè) 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 低頻帶通放大電路 熱釋電紅外傳感器輸出的檢測(cè)信號(hào)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(jìn)一步處理，一般來(lái)講，要求放大器的增益為 60~70dB,帶寬 ~7HZ。放大器的帶寬對(duì)可靠性和靈敏度有重要影響，帶寬窄，噪聲小誤動(dòng)作率低；帶寬寬，噪聲大，誤動(dòng)作率高！ 如圖 31所示，本系統(tǒng)采用 LM324 中的兩個(gè)集成運(yùn)算放大器構(gòu)成低頻帶通放大電路， LM324 內(nèi)部集成了四個(gè)獨(dú)立的高 增益運(yùn)算放大器，其電流?。ǖ湫椭?Is=），且與所加電源電壓的大小無(wú)關(guān)，頻率補(bǔ)償及偏置電流均采用了溫度補(bǔ)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。