【文章內(nèi)容簡介】 多數(shù)情況下都以測量光電流為主，并且為保證良好的線性關(guān)系，應(yīng)盡量用較小的外部電阻和低照度（10lx），在照度大的場合，應(yīng)當(dāng)采用已知倍率的中性衰減片來擴(kuò)大量程。圖26 基于硅光電池的可見光照度計電路原理圖可見光照度計電路系統(tǒng)（見圖26）中，光電池D1與RR2以及VR1構(gòu)成串聯(lián)回路（后續(xù)放大電路的輸入電阻較大），負(fù)載電阻的取值較小，光電池的輸出特性中，回路電流與光照度近似于線性關(guān)系。由LM358構(gòu)成差動放大電路，抑制噪聲的干擾，對光照信號進(jìn)行低噪聲放大，將信號電流轉(zhuǎn)換為信號電壓，通過數(shù)字表頭將光照度予以顯示。 基于光電池的太陽能草坪燈電路設(shè)計利用光電池將太陽能變成電能，目前主要用硅光電池，在實際應(yīng)用中，將硅光電池單體經(jīng)串聯(lián)、并聯(lián)組成電池組，與鎳鎘蓄電池配合，作為野外燈塔、航標(biāo)燈等系統(tǒng)的電源系統(tǒng)?；诠韫怆姵氐奶柲懿萜簾舻脑O(shè)計就是一種典型光電池做能量轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用。根據(jù)硅光電池的類型，選擇一種最佳負(fù)載，在太陽光的照射下，利用蓄電池的蓄電效應(yīng)形成最大效能的蓄電。在光線暗到一定程度，光電池回路開路，利用蓄電池對草坪燈進(jìn)行能量的供給。鑒于此，電路系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)置開關(guān)電路，在太陽光充足的情況下，光電池對蓄電池進(jìn)行充電，后續(xù)電路處于斷開狀態(tài)；當(dāng)光線不足時，開關(guān)電路閉合，由蓄電池與照明燈構(gòu)成回路，光電池利用與之串聯(lián)的二極管構(gòu)成單向開關(guān)電路而開路，蓄電池為照明燈提供電源。圖27就是基于硅光電池的太陽能草坪燈電路原理圖。圖27 基于硅光電池的太陽能草坪燈電路原理圖參考文獻(xiàn)：[1] 王士峰，趙馨，崔宇. . ：P14~17.[2] 陳中儒. 光電傳感器——光電池. 科技資訊. ：P6~7.[3] 肖韶榮，朱平，趙艷清. 基于硅光電池的色度測量系統(tǒng)設(shè)計. 中國測試技術(shù). :P20~23.第3章 熱釋電傳感器及其應(yīng)用 熱釋電傳感器的工作原理 熱釋電紅外傳感器的原理基于：任何高于絕對溫度的物體都會發(fā)出紅外線，例如人體、火焰、冰等都會輻射出紅外線，但不同的物體所輻射的紅外線及能量隨波長的分布是不同的。物體的表面溫度越高，它輻射的能量就越強(qiáng)。根據(jù)不同物體及不同溫度體發(fā)出的紅外光譜不同，可對不同目標(biāo)進(jìn)行紅外檢測和判別。人體的正常溫度為36~37℃，所輻射的紅外線波長為9~10μｍ（屬于遠(yuǎn)紅外線區(qū)）。加熱到400~700℃的物體，其輻射出的紅外線波長為3~5μｍ（屬于中紅外線區(qū)）。這里說明的是，光電二極管和光電三極管可檢測可見光及紅外線，~，主要用于近紅外區(qū)。熱釋電紅外傳感器是中、遠(yuǎn)紅外線檢測器。中、遠(yuǎn)紅外線（3~20μm）不受周圍可見光的影響，故可在各種環(huán)境光的條件下進(jìn)行測量；大氣對某些特定波長范圍的紅外線吸收甚少，其波長范圍為2~、3~5μｍ、8~14μｍ，這三個波段稱為“大氣窗口”，如圖31所示。它適合于航空、航天的遙感及遙測場合應(yīng)用。圖31 大氣透光窗口熱釋電紅外傳感器由高熱釋電系數(shù)的鋯鈦酸鉛陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘鈦等鐵電體配合濾光片構(gòu)成。濾光片（其特性見圖32所示）用于采集所需波段的紅外線，濾掉其他波段的紅外線自和自然界中的白光信號；高熱釋電系數(shù)的傳感元件用于壓變信號的產(chǎn)生。另外，其內(nèi)部還匹配了低噪聲結(jié)型場效應(yīng)晶體管，用于實現(xiàn)阻抗變換、信號放大。熱釋電傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖33所示。光線從窗進(jìn)入，經(jīng)過濾光片到達(dá)熱釋電元件，從而產(chǎn)生電信號，電信號經(jīng)過引線輸出。 圖32 某種濾光片的透過譜圖33 熱釋電傳感器的結(jié)構(gòu)熱釋電紅外傳感器采用被動式紅外傳感技術(shù)，即用非接觸方式來檢測人體或其他物體的紅外線，克服了主動式紅外傳感技術(shù)不能分辨運(yùn)動著的生物體與非生物體的缺點(diǎn)，避免了主動式技術(shù)由于不明物體遮擋紅外發(fā)射機(jī)的光路而導(dǎo)致的誤報，而且具有檢測溫度范圍大，在整個光波范圍內(nèi)頻率響應(yīng)均勻，主要探測中、遠(yuǎn)紅外線，不受可見光的影響，不必設(shè)光源等優(yōu)點(diǎn)。近年來廣泛用于溫度測定、火災(zāi)預(yù)警、不同物體的識別、人的保安和防范、自動門、自動燈等領(lǐng)域。 熱釋電傳感器的性能指標(biāo)熱釋電傳感器可探測移動人體，同時也可探測其他物體的變化，如火焰、地窖溫度變化等，在不同的應(yīng)用場合下，對熱釋電傳感器的性能指標(biāo)有不同的要求。熱釋電傳感器的性能指標(biāo)有電壓響應(yīng)率、噪聲等效功率、比探測度；還有應(yīng)用參數(shù)：窗口濾光波長、探測區(qū)面積、檢測波長、檢測靈敏度和工作電壓，以及工作溫度。窗口濾光波長為窗口濾光片透光區(qū)，對其他波段的光波（特別是可見光和其他波段的光波）則吸收，透光窗口一般選用黑色環(huán)氧樹脂，對紅外光透過率很高，而對可見光吸收很強(qiáng)。探測區(qū)面積為鐵電元的面積，應(yīng)盡量減小其體積，以便減小熱容，提高熱探測率。檢測波長為鐵電體能轉(zhuǎn)換的光波波長區(qū)。工作溫度范圍能呈現(xiàn)熱釋電效應(yīng)，對熱釋電材料也有要求。不同于主動式紅外傳感器，被動紅外傳感器在室溫下使用，探測率高，頻率響應(yīng)寬，紅外廣范圍內(nèi)響應(yīng)幾乎與波長無光，本身不發(fā)任何類型的輻射，隱蔽性好，器件功耗很小，價格低廉。但是，被動式熱釋電傳感器也有缺點(diǎn)，如：① 信號幅度小，容易受各種熱源、光源干擾；② 被動紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收；③ 易受射頻輻射的干擾；④ 環(huán)境溫度和人體溫度接近時，探測靈敏度明顯下降，有時造成短時失靈；⑤ 被動紅外探測器的主要檢測的運(yùn)動方向為橫向運(yùn)動方向，對徑向方向運(yùn)動的物體檢測能力比較差。表31 常見熱釋電探測器的性能參數(shù) 熱釋電紅外探測電路雖然被動式熱釋電紅外探頭有些缺點(diǎn)，但利用特殊信號處理方法后，仍然使它在某些領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。較完整的熱釋電紅外探測電路應(yīng)包括：熱釋電探測器、低頻帶通放大器、電壓比較器及控制電路等單元，如圖54所示。紅外探測電路中通常有兩種不同的設(shè)計方式，一種采用分離單元電路來實現(xiàn)；一種是采用熱釋電紅外傳感器專用控制芯片來實現(xiàn)。圖34 熱釋電紅外探測電路的組成框圖 熱釋電紅外傳感器和菲涅爾透鏡在熱釋電紅外探測器工作時，一定調(diào)制頻率的紅外輻射入射使得熱釋電晶體溫度產(chǎn)生同頻率變化，進(jìn)而極化強(qiáng)度以及面束縛電荷產(chǎn)生同周期變化，產(chǎn)生交變電場，當(dāng)連接負(fù)載并形成回路時，負(fù)載兩端就產(chǎn)生交變電壓信號，便可通過讀出電路讀出。由于熱釋電探測元呈現(xiàn)純?nèi)菪蕴匦?，電容量很小，阻抗很高，高達(dá)104MΩ，易受外來噪聲的影響，故引入的N溝道結(jié)型場效應(yīng)管應(yīng)接成共漏形式（即源極跟隨器）來完成阻抗變換，熱釋電傳感器的輸出電路降到很低（10~50kΩ）。特別指出的是，所有熱釋電器件都是壓電晶體，對聲頻振動很敏感，入射輻射脈沖的熱沖擊會激發(fā)熱釋電晶體的機(jī)械振動，產(chǎn)生壓電振蕩，使用時防止壓電振動。使用時，注意減震防震和高頻輻射。熱釋電紅外傳感器由傳感探測元、干涉濾光片和場效應(yīng)管匹配器三部分組成。熱釋電探測元由于加電極化的電壓是有極性的，因此極化后的探測元也是有正負(fù)極性的，如圖35所示。使用時D端接電源正極，G端接電源負(fù)極，S端為信號輸出。圖35 雙探測元熱釋電紅外傳感器熱釋電紅外傳感器主要有雙元型、四元型和溫補(bǔ)單元型三種，見表52所示。雙元型和四元型廣泛用于防盜裝置中檢測人的出現(xiàn)；溫補(bǔ)單元型用于輻射高溫計、氣體分析設(shè)備、火焰檢測器等。這三種熱釋電紅外傳感器中，應(yīng)用最廣泛的是雙元型。因為它能檢測目標(biāo)的出現(xiàn)和目標(biāo)的運(yùn)動方向。圖54所示的是雙元探測器，它將兩個極性相反、特性一致的探測元串接在一起，目的是消除因環(huán)境和自身變化引起的干擾。它利用兩個極性相反、大小相等的干擾信號在內(nèi)部相互抵消的原理來使傳感器得到補(bǔ)償。市場上還存在有四元探測器，抗干擾能力進(jìn)一步加強(qiáng)。對于輻射至傳感器的紅外輻射，熱釋電傳感器通過安裝在傳感器前面的菲涅爾透鏡將其聚焦后加至兩個探測元上，從而使傳感器輸出電壓信號。表32 三種典型傳感器的指標(biāo)選用傳感器時主要根據(jù)應(yīng)用對象來確定。多功能傳感器內(nèi)部有定時器；通用型的體積小，價格低；檢測人的傳感器內(nèi)部設(shè)有濾波電路，可避免誤報警。這些裝置用戶可通過電阻電容的調(diào)節(jié)任意設(shè)定靈敏度和定時時間。菲涅爾透鏡（如圖36所示）根據(jù)菲涅爾原理制成，把紅外光線分成可見區(qū)和盲區(qū)，同時又有聚焦的作用，使熱釋電紅外傳感器（PIR）靈敏度大大增加。菲涅耳透鏡折射式和反射式兩種形式，其作用一是聚焦作用，將熱釋的紅外信號折射（反射）在 PIR 上；二是將檢測區(qū)內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入檢測區(qū)的移動物體能以溫度變化的形式在 PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號，這樣 PIR 就能產(chǎn)生變化電信號。實驗證明：熱釋電傳感器加上菲涅