热释电红外传感器论文

11昌吉学院物理系 09 届工科专业毕业设计（论文）课题名称： 热释电红外传感器的应用院（系）： 物理系专 业 ： 电气自动化班 级 ： Z0902组 长 ： 孙兵组 员 ： 孙晶 唐媛媛 林轶男教师(签字)： 唐志航完成日期 ： 2 0 1 1 年 1 2 月12【摘要】 通过对一个热释电红外探测电路进行理论分析与实验测试，指出了其不妥之处，针对性的给出了更为合理的应用电路。经过实验验证，改进后的电路工作可靠性提高，适用于日常生活的自动照明、自动消防龙头方面。此实验具有制作简单，成功率高，趣味性强等特点，通过对本电路的印制板设计和安装调试提高了我们对数字电路理论的理解，特别是提升了我们实践动手能力。【关键词】 红外传感器；电压比较器；延时电路；继电器目录：第一章 概述（热释电红外传感器原理特性）第二章 实际电路的分析及修改第三章 电路介绍第四章 制作过程第五章 通电测试第六章 结束语第七章 参考文献13第一章 概述随着时代的不断进步，人们对自己所处环境的安全性提出了更高的要求，尤其是在家居安全方面，不得不时刻留意那些不速之客。现在很多小区都安装了智能报警系统，因而大大提高了小区的安全程度，有效保证了居民的人身财产安全。由。于红外线是不可见光，有很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用。此外，在电子防盗、人体探测等领域中，被动式热释电红外探测器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点而受到广大用户和专业人士的欢迎。目前国内使用的各类防盗、保安报警器基本都是以超声波、主动式红外发射接收以及微波等技术为基础。而这里所设计的被动式红外报警器则采用了美国的传感元件热释电红外传感器。这种热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号，同时，它还能鉴别出运动的生物与其它非生物。热释电红外传感器既可用于防盗报警装置，也可以用于自动控制、接近开关、遥测等领域。用它制作的防盗报警器与目前市场上销售的许多防盗报警器材相比，具有如下特点：不需要用红外线或电磁波等发射源。灵敏度高、控制范围大。隐蔽性好，可流动安装。热释电红外传感器的原理特性14热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。为了抑制因自身温度变化而产生的干扰 该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化 并将其转换为电信号输出。热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。由于热电元输出的是电荷信号，并不能直接使用 因而需要用电阻将其转换为电压形式 该电阻阻抗高达，故引入的沟道结型场效应管应接成共漏形式 即源极跟随器 来完成阻抗变换。热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的探测元也是有正、负极性的。热释电红外传感器多用于检测人体发射的红外线，其检测区呈球形，视角为 70 度左右。由于敏感元件的输出阻抗极高，而且输出电压极其微弱，故在传感器内部装有场效应管及偏置厚膜电阻（RG、RS） ，构成信号放大及阻抗变换电路，其内部电路如图 1。这种传感器采用金属外壳封装，顶部开有窗口，窗口上15装有源光镜，它可以防止不需要的红外线进入的传感器。热释电红外传感器自身的接收灵敏度较低，一般检测距离仅 2m 左右。配用菲涅尔透镜后，可使有效检测距离达 12m 左右。目前自动门、自动消防水龙头、电梯、照明控制、防盗报警等领域应用最为广泛。较为完整的热释电红外探测电路应包括：传感器，高、低通放大器、电压比较器、延时电路及执行电路（或电器）等单元。从资料手册中查看到如图 2 所示的典型应用电路，按原图连接线路后做实验，发现不能正常工作，进分析发现该电路存在一些不妥之处。第二章 实际电路分析及修改1、1 高低通放大器部分IC1 使用廉价的通用四运放 LM324，用其中两个运放组成高、低放大器。按图 2 所示参数计算得到，第一级放大器增益为：Av1=R6/R4=220，第二级放大器增益为：Av2=R10/R9=270，总放大增益为：Av=220*270=59400=95.5dB.我们知道，在运算放大电路中，放大倍数一般不宜取得太大，否则容易引起输出端波形失真且导致电路自激振荡。故将 R6 改为 200 千欧，将 R10 改为 1 兆欧，此时的总增益为 Av=20*100=2000=66dB,比较符合实际应用，能保证电路工作可靠。1、2 电压比较器部分16LM324 另外两个运放组成电压比较检测窗口，由 R3、R5和 R7、R8 将高、低通放大器的（3）脚和（5）脚均设置为1/2Vcc，即 3V。当红外传感器检测到人体的活动，其产生的微弱电压信号经过放大，传送到 LM324 的（10）脚和（13）脚时，用示波器可以检测到峰值约为 5V 的正弦波，那么无论是信号的正半周还是负半周，两个比较器中必有一个输出为低电平，使IC2 的（2）脚由高电平跳成低电平，以便控制延时电路工作。而当红外传感器没有检测到人活动时，由静态电路可知，该 3V 直流信号同时加到 LM324 的（10）脚、 （13）脚，又知道R11、R12、R13 将窗口电压上、下限设置为 3.4V 和 2.6V，即（9）脚偏置为 3.4V， （12）脚偏置为 2.6V。此时，电压比较器输出端（8） 、 （14）均为低电平，而 IC2 的（2）脚原来经 R14上拉电阻设置为高电平，则 VD1、VD2 都导通，将 IC2D (2)脚钳位成低电平，在图 2 电路中，NE555 为单稳态触发器， （2）脚一旦有下降沿脉冲触发，则定时器就工作，3 脚就输出高电平。既然没有检测到人体活动，何以末端能输出高电平，从而驱动后级的继电器等电路单元一直工作？所以电路工作不正常。修改电压比较器部分后的电路如图 3 所示。将两个二极管倒个方向，在其后加一个开关三极管，以它的输出来控制延时电路。静态时，LM324 的（8） 、 （14）均为低电平，开关管截止，IC2 的(2)脚仍为高电平，延时电路不工作。当红外传感器检测到人的活动，在输入信号的正半周时， （13）脚的电平高于17（12）脚所加的 2.6V 比较电压，下比较器由（14）脚输出低电平，VD2 截止，此时由于（10）脚电平高于（9）脚，上比较器输出高电平，VD1 导通，其高电平使得开关管饱和导通，将 IC2的(2)脚拉成低电平，致使延时电路工作。在信号负半周时，上、下比较器输出电平刚好相反，即（8）脚输出低电平，(14)脚输出高电平，VD2 导通。可见，只要传感器检测到人体活动，无论是信号的正半轴还是负半周，两个比较器中必有一个输出为高电平，通过开关三极管从而控制延时电路工作。第三章 电路介绍1.3 开关电路如图所示，在比较器后加上开关管，整个电路不但工作可靠，且输出电流大，能驱动后级的执行电器工作。1.4 延时电路延时电路 IC2 使用单时基电路 NE555，延时时间 t=1.1R16*C8约等于 60s。其作用有二。一是为自己离开检测区时提供一段非报警延迟时间，二是在自己进入检测区后提供管断检测器所需时间。延时电路工作时，输出的高电平或接通报警器电源进行报警；或使继电器吸合。继电器工作后可控制较大的继电器以接通电磁阀、小电动机等工控系统的执行电路。1.5 执行电路IC2 的（2）脚在无触发信号输入的静态时保持高电平，当有18检测信号时，其出现下降沿，使得 NE555（3）脚输出高电平控制信号，可驱动电磁继电器、固态继电器、光耦合器、双向可控硅及模拟电子开关等工作。以自动照明电路为例，设计的执行电路如图 4.OUT 输出高电平时，其后的三极管饱和导通，发射极变为高电平，继电器动作，常开开关吸合，照明灯接通电源后就亮。当然，要用于自动门、自动电梯等，后面还要接电动机。第四章 制作过程对敷铜板进行腐蚀，钻孔，元件焊接仔细检查，反复调试进行试验制作印刷电路板通过热转印机转印到敷铜板上。热释电红外传感器原理图19热释电红外传感器 PCB 板1103D 视图做版过程111对敷铜板进行腐蚀，钻孔，元件焊接仔细检查，反复调试进行试验制作印刷电路板通过热转印机转印到敷铜板上。 敷 铜 板裁板过程112转印过程腐蚀过程113焊接过程第五章 通电测试 114第六章 结束语目前，市场上出现的热释电人体红外线传感器主要有上海产的SD02、PH5324，德国产的 LH1954、LH1958，美国 HAMAMATSU 公司产 P2288，日本 NIPPON CERAMIC 公司的 SCA02-1、RS02D 等。虽然它们的型号不一样，但其结构、外型和电参数大致相同，大部分可以彼此互换使用。总之热释电红外传感器的应用十分广泛，如与各种型号的专用处理集成电路（如 CS9803 GP）配套使用，则外围电路更为简单，安装调试更为方便，工作更加稳定可靠。因为 CS9803 是由振荡器、计数器、PIR 检测、信号放大、系统时钟、输出控制等电路组成，代替了图 2 中的 IC1核 IC2 部分。不过这样的话应用电路成本会稍微高一点。在应用中应注意的问题：1、首先要正确判别传感器的几个端子。管脚朝自己，顺时针为 D、S、E 、 ；D 端接正电源，E 端接地， S 端输出正弦信号送往高、低通放大器。2、高、低通放大器，一般要求总放大增益为 65dB 左右比较合适，否则红外线传感器探测距离及反映灵敏度就要打打折扣了。3、在继电器线圈两端要并接一个续流二极管。正常工作时，线圈上的对于上正下负，二极管截至，对电路没影响。而在继电器吸合到断开的瞬间，与继电器并联的二极管使继电器115线圈在断电瞬间产生的反电势有一泄