红外光电探测器系统电路设计

谢忠志

XIE Zhong-zhi

（泰州职业技术学院，泰州 225300）

0 引言

红外光电系统本质是一个光学—电子系统，用于接收波长0.75μm ～ 1000μm的电磁辐射。它的基本功能是将接收到的红外辐射转换成为电信号并加以应用。接收系统把目标和背景的入射光能量经光学系统会聚于光电探测器上进行光电转换。探测器输出的信号经处理电路检出。在此过程中，背景噪声和系统内部的探测器噪声及电路噪声等都与信号一起进入系统[1]。

本文设计的红外光电探测系统应用探测目标物距离。用红外线作为媒质进行探测时，首先要有能够产生红外线的光源和接收红外线信号的探测器，并有一定的要求：1）为了增大光电探测系统的信号和信噪比，光源和光电器件之间的光谱应尽可能匹配；2）光源要有一定的强度，如果光源强度过低，系统获得信号过小，无法正常检测；光源强度过高，可能会导致系统工作的损坏。本系统中所采用的光源是红外发光二极管HG505，探测器是光敏三极管3DU5。

1 系统电路设计

1.1 信号发射电路（如图1所示）

红外发光二极管和光敏三极管是反应快速的器件，因而一个红外光束系统的有效范围是由馈送给红外发光二极管的峰值电流而不是由其平均电流所决定的[2]。

由 U1、R1、R2、C1和 D1组 成 20Hz的 调制脉冲振荡器。其中D1用以调整脉冲周期的占空比，在C1充电时D1正向偏置，充电电流由电源→R1→D1→C1，充电时间为：t充电＝0.7R1C1≈1ms。在C1放电时，D1反向偏置，放电电流由C1→R2→⑦脚→地，放电时间为：t放电＝0.7R2C1≈49ms，U1的③脚输出占空比为1∶50振荡信号。由U2、R3、R4和C3组成20kHz的载频脉冲振荡器，该振荡器受U1的③脚控制，当U1的③脚为高电平时，U2开始振荡，输出20kHz载频脉冲；当U1的③脚低电平时，U2停振，输出高电平。当U2振荡时，它的输出使Q1以20kHz的频率导通与截止，并驱动D2发出峰值电流600mA左右的红外脉冲信号。系统仅消耗6mA左右的平均电流。

红外发光二极管有二种驱动方式[3]，即直流驱动和脉冲驱动。多数情况下采用脉冲驱动，脉冲驱动允许瞬间通过发光管的峰值电流大于额定电流(本电路的中，HG505通过的峰值电流为600mA左右)，效率较高。

1.2 前置放大器电路（如图2所示）

通过光敏三极管Q2和R7串联，将Q2接收到的红外反射信号转变为相应的交变电压信号，通过电容C8耦合到放大电路中去，该信号通过运放U3、U4进行放大，两级运放能够提供的最大信号增益约为1020。这两级放大器的幅频响应曲线以20kHz为中心，由C8、C10、提供低频段的二次衰减曲线，而高频段的三次衰减曲线由C5和运放内部的电容来提供。

此电路中，光敏三极管Q2将接收到的红外线脉冲转换成电信号后通过电容C8耦合到放大电路中去，其目的：抑制背景的需要，用交流耦合电路即具有这种功能；消除探测器上的任何直流偏置电位；能把探测器的1/f噪声的干扰影响减至最小。

图1 信号发射电路图

图2 红外光电传感器前置放大器电路

1.3 检波电路 (如图3所示)

图3 检波电路

图4 选通驱动电路

来自前置放大器输出的20kHz的单音信号波形通过D3、D4、C12、R18、R19、C13网络转换成直流并通过R20馈送到电压比较器运放的非反相输入端上，此运放的反相输入端连接到可变电位器POT上。整个电路的工作过程为：当一个20kHz的单音输入信号出现时，运放的输出为高电平，当单音信号消失时，运放的输出为低电平，这样，电压比较器的输出就随单音脉冲信号的包络线而变化。通过调节可变电位器POT来改变电路的灵敏度，当运放的反相输入端电位越低，检波电路的灵敏度越高；反之，灵敏度越低。

1.4 选通驱动电路（如图4所示）

来自U1③脚的信号与检波电路的输出信号一起送到选通门U6A，当U1③脚是高电平且检波器输出信号也是高电平时，与非门输出一个低电平触发U7，U7③脚输出高电平使Q3导通。选通门的目的在于消除杂散背景光的干扰，使与U1③脚的信号不同频同相的信号被禁止，从而保证了在信号波形的“空白”部分中不被触发，提高了传感器的环境适应能力。

U7、Q4、C15、R23、POT2组成单稳态可重复触发延时电路，在电路的暂稳态期间内，有新的触发脉冲加入，电路的暂稳态将延续，直到触发脉冲的时间间隔超过tp0，电路才返回稳态，当U7②脚输入负向脉冲后，电路进入暂稳态，三极管Q4导通，电容C15放电，输入低电平撤除后，C15充电，U7⑥脚的电位上升，在未达到之前，电路仍然处于暂稳态，如果此时，U7②脚又来负向脉冲，三极管Q4又导通，C15再次放电，电路将仍然维持在暂稳态。只有在U7②负向脉冲出现后的tp0时间内没有新的触发脉冲，电路才返回稳态。tp0＝0.7 (POT2+R23) C15。延时时间tp0通过POT2来调节。

2 实际应用

把传感器灵敏度调到当40×40cm白画纸板与传感器光轴正对时探测距离为6m，然后把香樟叶板与光轴成不同角度，记下传感器的探测距离。

表1 反射面与传感器光轴成不同角度时的探测距离

从表1发现：当香樟叶板与光轴的角度越大，传感器探测的距离越大，当香樟叶板与光轴的角度越小，传感器探测的距离越小。因为香樟叶板与光轴的角度影响到有效反射面，当香樟叶板与光轴的角度越大，有效反射面越大，反射回来的光的能量也越大，传感器的探测距离越大。反之，有效反射面越小，反射回来的光的能量也越小，传感器的探测距离越小。

3 结束语

基于红外发光二极管HG505和探测器是光敏三极管3DU5，设计了红外光电探测系统电路。该系统中传感器部分，红外信号采用单音脉冲方式发射、采用滤波和选通方法接收，增强了探测系统在工作时的抗干扰能力，适用于距离探测应用。

[1]A.G.U.佩雷拉. 紫外/红外双波段探测器技术改进[J],2007, 50(3): 142-148.

[2]安东尼·Rogalski. 红外探测器概述[J]. 2002, 43(3): 187-210.

[3]N.Snapi. 红外物理科技技术[J]. 2007, 50(2): 100-105.