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熱釋電紅外傳感器原理及應(yīng)用

事成之后一定追加否則天譴: 問提問者：網(wǎng)友 | 2017-05-01

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熱釋電紅外傳感器的原理特性熱釋電紅外傳感器和熱電偶都是基于熱電效應(yīng)原理的熱電型紅外傳感器。不同的是熱釋電紅外傳感器的熱電系數(shù)遠遠高于熱電偶，其內(nèi)部的熱電元由高熱電系數(shù)的鐵鈦酸鉛汞陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘鐵等配合濾光鏡片窗口組成，其極化隨溫度的變化而變化。為了抑制因自身溫度變化而產(chǎn)生的干擾該傳感器在工藝上將兩個特征一致的熱電元反向串聯(lián)或接成差動平衡電路方式，因而能以非接觸式檢測出物體放出的紅外線能量變化并將其轉(zhuǎn)換為電信號輸出。熱釋電紅外傳感器在結(jié)構(gòu)上引入場效應(yīng)管的目的在于完成阻抗變換。由于熱電元輸出的是電荷信號，并不能直接使用因而需要用電阻將其轉(zhuǎn)換為電壓形式該電阻阻抗高達104MΩ，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。設(shè)計時應(yīng)將高熱電材料制成一定厚度的薄片，并在它的兩面鍍上金屬電極，然后加電對其進行極化，這樣便制成了熱釋電探測元。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、負極性的。圖1是一個雙探測元熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。使用時D端接電源正極，G端接電源負極，S端為信號輸出。該傳感器將兩個極性相反、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償。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。制造熱釋電紅外探測元的高熱電材料是一種廣譜材料，它的探測波長范圍為0.2~20μm。為了對某一波長范圍的紅外輻射有較高的敏感度，該傳感器在窗口上加裝了一塊干涉濾波片。這種濾波片除了允許某些波長范圍的紅外輻射通過外，還能將燈光、陽光和其它紅外輻射拒之門外。3 被動式紅外報警器的結(jié)構(gòu)原理3.1 結(jié)構(gòu)被動式紅外報警器主要由光學(xué)系統(tǒng)、熱釋電紅外傳感器、信號濾波和放大、信號處理和報警電路等幾部分組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。圖中，菲涅爾透鏡可以將人體輻射的紅外線聚焦到熱釋電紅外探測元上，同時也產(chǎn)生交替變化的紅外輻射高靈敏區(qū)和盲區(qū)，以適應(yīng)熱釋電探測元要求信號不斷變化的特性;熱釋電紅外傳感器是報警器設(shè)計中的核心器件，它可以把人體的紅外信號轉(zhuǎn)換為電信號以供信號處理部分使用;信號處理主要是把傳感器輸出的微弱電信號進行放大、濾波、延遲、比較，為報警功能的實現(xiàn)打下基礎(chǔ)。圖3所示的是將待測目標(biāo)、菲涅爾透鏡、熱釋電紅外傳感器相結(jié)合使用時的工作原理示意圖。 3.2 工作原理在該探測技術(shù)中，所謂“被動”是指探測器本身不發(fā)出任何形式的能量，只是靠接收自然界能量或能量變化來完成探測目的。被動紅外報警器的特點是能夠響應(yīng)入侵者在所防范區(qū)域內(nèi)移動時所引起的紅外輻射變化，并能使監(jiān)控報警器產(chǎn)生報警信號，從而完成報警功能。圖4所示是該報警器的工作電路原理圖。當(dāng)人體輻射的紅外線通過菲涅爾透鏡被聚焦在熱釋電紅外傳感器的探測元上時，電路中的傳感器將輸出電壓信號，然后使該信號先通過一個由C1、C2、R1、R2組成的帶通濾波器，該濾波器的上限截止頻率為16Hz，下限截止頻率為0.16Hz。由于熱釋電紅外傳感器輸出的探測信號電壓十分微弱(通常僅有1mV左右)，而且是一個變化的信號，同時菲涅爾透鏡的作用又使輸出信號電壓呈脈沖形式(脈沖電壓的頻率由被測物體的移動速度決定，通常為0.1~10Hz左右)，所以應(yīng)對熱釋紅外傳感器輸出的電壓信號進行放大。本設(shè)計運用集成運算放大器LM324來進行兩級放大，以使其獲得足夠的增益。當(dāng)傳感器探測到人體輻射的紅外線信號并經(jīng)放大后送給窗口比較器時，若信號幅度超過窗口比較器的上下限，系統(tǒng)將輸出高電平信號;無異常情況時則輸出低電平信號。在該比較器中，R9、R10、R11用做參考電壓，兩個運算放大器用做比較，兩個二極管的主要作用是使輸出更穩(wěn)定。窗口比較器的上下限電壓即參考電壓分別為3.8V和1.2V。將這個高低電平變化的信號上升沿信號作為單穩(wěn)電路HEF4538B的觸發(fā)信號，并讓其輸出一個脈寬大約為10s的高電平信號。再用這一脈寬信號作為報警電路KD9561的輸入控制信號，來使電路產(chǎn)生10s的報警信號，最后用三極管VT1和VT2再一次對電信號進行放大，以便有足夠大的電流來驅(qū)動喇叭使其連續(xù)發(fā)出10s的報警聲。4 結(jié)束語用熱釋電紅外傳感器設(shè)計的監(jiān)控報警系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點。經(jīng)過多次測試，該系統(tǒng)工作情況穩(wěn)定。圖4 熱釋電紅外報警器只能安裝在室內(nèi)，其誤報率與安裝的位置和方式有極大的關(guān)系。正確的安裝應(yīng)滿足下列條件:(1)報警器應(yīng)離地面2.0~2.2米。(2)報警器應(yīng)遠離空調(diào)、冰箱、火爐等空氣、溫度變化比較敏感的地方。(3)報警器探測范圍內(nèi)不得有隔屏、家具、大型盆景或其他隔離物。(4)報警器不要直對窗口，否則窗外的熱氣流擾動和人員走動會引起誤報，有條件的話最好把窗簾拉上。另外，報警器也不要安裝在有強氣流活動的地方。熱釋電紅外控制開關(guān) 本例介紹一款采用熱釋電紅外傳感器 (一種由高熱電系數(shù)材料、阻抗匹配用場效應(yīng)晶體管的濾光鏡片等組成的新型敏感元件)和專用集成電路制作的熱釋電紅外線控制開關(guān)，它在檢測到人體發(fā)射的紅外傳感器信號后接通，使負載 (報警器或照明燈、排風(fēng)扇等)通電工作。電路工作原理該熱釋電紅外控制開關(guān)電路由熱釋紅外傳感器 (PIR)、熱釋電紅外控制電路、光控電路和控制執(zhí)行電路組成，如圖3-66所示。熱釋電紅外控制電路由集成電路lC(SS0001)和電阻器RZ-R9、電容器Cl-C8組成。SS0001是熱釋電紅外控制專用集成電路，其內(nèi)部由輸入放大器、雙向限幅器、狀態(tài)控制器、延時定時器、鎖存定時器和基準電源等電路組成，如圖3-67所示。光控電路由光敏電阻器RG、電阻器Rl和IC第9腳內(nèi)電路組成。控制執(zhí)行電路由電阻器RlO、晶體管V、二極管VD和繼電器K組成。熱釋電紅外傳感器應(yīng)與非涅爾透鏡配合使用，才能提高其靈敏度。在熱釋電紅外傳感器未檢測到人體紅外線信號時，IC的2腳輸出低電平，V處于截止?fàn)顟B(tài)，K不吸合，負載電路不工作。當(dāng)有人在熱釋電紅外傳感器的有效檢測區(qū)域內(nèi)活動時，熱釋電紅外傳感器將接收到人體發(fā)出的紅外信號，并將其轉(zhuǎn)變成微弱的脈沖電壓信號，此電壓信號經(jīng)lC內(nèi)電路放大、鑒幅處理及定時控制后，從2腳輸出控制高電平，使V導(dǎo)通，K吸合，負載電路通電工作。在白天，光敏電阻器RG受光照射而呈低阻狀態(tài)，IC的9腳 (觸發(fā)禁止端)被鎖定為低電平，使IC的2腳恒定輸出低電平。夜晚，RG因無光照射而呈高阻狀態(tài)，IC的g腳恢復(fù)為高電平，熱釋電紅外控制開關(guān)又迸人警戒狀態(tài)。若想該熱釋電紅外控制開關(guān)白天、晚上均工作，可將RG去掉或在Rl兩端并接一只小開關(guān)。元器件選擇 Rl-RlO選用1/4W碳膜電阻器或金屬膜電阻器。 RG選用亮阻小于2OkΩ、暗阻大于2MΩ的光敏電阻器。 Cl、C2和C6均選用耐壓值為16V的鋁電解電容器;C3-C5、C7和C8均選用獨石電容器或滌綸電容器。 VD選用IN4007型硅整流二極管。 V選用S9013或C8050、58050、3DG8050型硅NPN晶體管。 IC選用SS0001或BISS0001型熱釋電紅外傳感控制集成電路。熱釋電紅外傳感器可選用AMNl或陀28、SDO2等型號，配用Q-lA或CE-024型菲涅爾透鏡。 K選用4098型直流繼電器: 回答者：網(wǎng)友

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