熱釋電紅外傳感控制器

熱釋電紅外傳感控制器
1、 實(shí)驗目的：（1）了解熱釋電型紅外傳感器件的工作特性、菲濕耳
透鏡的作用。
（2）學(xué)習運算放大器作前置多級放大和窗口式電壓比
較器、定時(shí)積分器等電路組合應用。
（3）掌握熱釋電紅外傳感控制器的電路調試方式。
2、工作原理：
本裝置電路主要由紅外傳感器BH、放大器、窗口比較器、開(kāi)機延時(shí)器、輸出定

時(shí)器及控制輸出等電路組成。紅外傳感器BH 能在較遠的距離探測到由人體移動(dòng)所發(fā)出
的微弱紅外線(xiàn)，當BH 檢測到人體移動(dòng)所發(fā)出的7~14μm 的紅外信號后，BH 中的s 腳
便輸出極微弱的信號直接送到IC1a 放大器的同相輸入端，IC1a 對信號放大約2200 倍后，
再由電容C1 藕合到IC1b 作進(jìn)一步放大。IC1C、IC1d 構成窗口式電壓比較器，當IC1d 輸
出電壓幅度在UA 和UB 之間時(shí)（小于UA，大與UB），IC1c、IC1d 的輸出端均無(wú)電平輸出；
當IC1b 輸出電壓幅度大于UA 或小于UB 時(shí)，IC1C、IC1d 的輸出端分別都會(huì )有高電平輸出，
經(jīng)二極管VD1、VD2 相互隔離和“或”的作用從P 點(diǎn)輸出控制脈沖信號。RW 用于設定
窗口的值電平，調節RW 可調節檢測器的靈敏度。IC2a 和IC2C等原件是作開(kāi)機延時(shí)電
路（剛開(kāi)機時(shí)，電路各工作點(diǎn)尚還未被建立，P 點(diǎn)電壓處于不穩定狀態(tài)）。由于電容C3
的二端電壓不能突變，IC2C的正輸入端瞬間為1，故它的輸出也為1，通過(guò)二極管VD4 向
電容C4 充電，則IC2a 負端也為高電平，輸出為低電平，故P 點(diǎn)電平就被箝在低電平上，
保證了輸出為低電平。之后隨著(zhù)電容C4 通過(guò)R4、R3 的放電，IC2a 的負輸入端電位變低
（小于1/2VCC），則輸出為高電平，二極管VD2 被截止，此時(shí)P 點(diǎn)電平就成了穩定狀
態(tài)。IC2b 為P 點(diǎn)電壓輸出比較器。IC2d 等器件構成輸出控制電路的積分延時(shí)器。改變電
容C5 的容量，則就可改變輸出延時(shí)的時(shí)間。

3． 安裝與調試：
在制作熱釋紅外線(xiàn)傳感器中，可以邊安裝邊調試，當然也可以全部安裝完畢后再作
總調?？傊?，首先要掌握它的工作原理，然后就能迎刃而解。剛開(kāi)始可以先不裝菲涅耳
透鏡進(jìn)行調試，把手在BH 上作來(lái)回移動(dòng)，IC1b 輸出否有較大電平變化，因為IC1a 和IC1b
是該電路前置放大器，增益過(guò)高信號會(huì )產(chǎn)生漂移，過(guò)低會(huì )使增益下降，被測距離變近。
所以在調試中一定要二者兼顧，缺一不可。然后再調節Rw，使檢測反應最為靈敏。開(kāi)
機延時(shí)時(shí)間應略大于P 點(diǎn)電壓的穩定時(shí)間。輸出工作時(shí)間的長(cháng)短要根據實(shí)際控制需要
而定。最后加上菲涅耳透鏡再作進(jìn)一步的調整。對紅外傳感來(lái)說(shuō)不加透鏡探測半徑較近，
配上透鏡后，其探測距離將十倍的增加。
4． 學(xué)習與思考：
（1） 在熱釋電紅外傳感器中，為什么要加窗口式電壓比較器電路？

（2） 熱釋電紅外線(xiàn)傳感器可應用在什么地方？
5． 資料與介紹：熱釋電型紅外傳感器件。
熱釋電型紅外傳感器件是根據某些強介電質(zhì)材料的熱釋電效應而制成的一種新穎
傳感器，所謂熱釋電效應是強介電質(zhì)材料的表面溫度發(fā)生變化時(shí)，這些材料的表面就會(huì )
產(chǎn)生電荷的變化。這鐘現象在鈦酸鋇等強介電質(zhì)材料上表現尤為顯著(zhù)，通常在這類(lèi)晶體
的上下表面設置電極，并在上表面加以黑色膜，如有紅外線(xiàn)間隙地照射，使其表面溫度
發(fā)生變化，其晶體內部的原子排列也隨發(fā)生變化，因而引發(fā)極化電荷，電極間就有相應
電壓輸出。
器件簡(jiǎn)介：
適用制作熱釋電型紅外傳感器的光敏材料很多，使用最多的有：陶瓷氧化物
（PbTiO3）鉭酸鋰（LiTaO3）、硫酸三甘肽（LATGS）及鈦鋯酸鉛（PZT）等。
熱釋電型紅外傳感器的結構示意見(jiàn)圖（a）所示。傳感器的敏感元件是PZT（或其
他材料），在它的上下兩面做上電極，并在表面加以一層黑色氧化膜以提高其轉換效率。
它的等效電路是一個(gè)在負載電阻Rg 上并聯(lián)一個(gè)電容的電壓發(fā)生器，它的輸出阻抗極高
而且輸出電壓也很微弱，故在器件內附有一個(gè)場(chǎng)效應管（FET）加以放大，并達到阻抗

變換的目的，見(jiàn)圖（b）
常見(jiàn)熱釋電型紅外傳感器的外形見(jiàn)圖（c）所示，TO-5 封裝的透光鏡設在管殼頂部，樹(shù)
脂封裝的透光鏡則設在側面。
根據不同使用需要，熱釋電型紅外傳感器的透光窗口使用不同的窗口材料，通常
它們在0.2~20μm 的光譜范圍內其敏感度是相當平坦的，且不受可見(jiàn)光的影響。表1
是幾種常見(jiàn)透光材料的用途。

不同透光材料的用途

根據熱釋電紅外傳感器敏感元件的個(gè)數可分為單元件型和雙元件兩種，雙元件型傳
感器中有兩個(gè)反相串聯(lián)的敏感元件，見(jiàn)圖（d）所示。只有一個(gè)敏感元件的則稱(chēng)為單元
件型。

雙元件型熱釋電紅外傳感器具有如下特征：
（1） 當入射的能量順序地到兩個(gè)元件時(shí)，由于兩個(gè)元件反相
串聯(lián)，故輸出比單元件型要高2 倍；
（2） 由于兩個(gè)敏感元件相連接，因此對于同時(shí)輸出的能量會(huì )
互相抵消。由于上述特征，所以雙元件型傳感器具有下述優(yōu)點(diǎn)；
1)可以防止因太陽(yáng)光等非控制紅外線(xiàn)所引起的誤差或誤動(dòng)作；
2)PZT 元件同時(shí)又具有壓電效應，所以雙元件可消除因振動(dòng)而引起的誤差；
3)可以防止因周?chē)h(huán)境溫度變化而引起的誤差。
菲涅耳透鏡：
為了提高熱釋電型紅外傳感器的接收靈敏度，通常備需要在傳感器上加裝菲涅耳透
鏡。實(shí)驗表明，傳感器如不裝菲涅耳透鏡當檢測人體走時(shí)，檢測距離僅2m 左右，而加
菲涅耳透鏡后，其檢測距離可增加到10m 以上，甚至更遠。
菲涅耳透鏡的工作原理是將移動(dòng)物體或人體發(fā)射的紅外線(xiàn)進(jìn)入透鏡，產(chǎn)生一個(gè)交替
的“盲區”和“高靈敏度區”，這樣就產(chǎn)生光脈沖。透鏡有很多盲區和高靈敏度區組成，
則物體或人體的移動(dòng)就會(huì )產(chǎn)生一系列的光脈沖而進(jìn)入傳感器，從而提高接收靈敏度。物
體或人體移動(dòng)的速度愈快，靈敏度愈高。目前配上透鏡可檢測10m 左右，采用新設計
的雙重反射型，其檢測距離可達20m 以上。
圖（e）是涅耳透鏡的正面外形圖，使用時(shí)應將菲涅耳透鏡的交點(diǎn)對準傳感器敏感元件
的中心如圖（f）所示。