热释电红外探测实验装置的设计与应用
2017-03-15王孟禄
王孟禄，张 镭
(河南大学 物理与电子学院，河南 开封 475004)
热释电红外探测实验装置的设计与应用
王孟禄，张 镭
(河南大学 物理与电子学院，河南 开封 475004)
该文分析介绍了热释电红外传感器的结构和工作原理，设计了热释电红外探测实验装置。人体辐射的红外光通过热释电红外传感器转换成微弱的电压信号，经带通滤波放大，由窗口比较电路输出高电平，经延时电路，驱动二极管发光。实验内容包括红外信号处理实验、响应距离特性实验。分析介绍了电路原理及实验方法。利用该实验装置开发了热释电红外报警器、红外自动开关等实际应用电路。实验装置应用于河南大学电子信息科学与技术、测控技术与仪器等专业进行红外探测实验，并开展创新设计。
热释电红外探测器；实验装置；电路设计；应用
红外探测器是将红外辐射能转换成电能的一种光电器件，也称红外传感器。红外探测器主要有热探测器和光子探测器两大类。热释电红外探测器是热探测器的一种，由具有自发极化现象的热释电晶体制成，它能以非接触形式检测出物体的红外辐射，并将其转换成电压信号输出。热释电探测器具有响应速度快、灵敏度高、光谱响应范围宽和使用方便等优点，广泛应用于非接触式温度测量、红外光谱测量、自动控制及自动监测、入侵报警和自动开关等领域中。为此本文研制了热释电红外探测实验装置，并利用该实验装置开发了入侵报警器、自动开关等实用电路，应用于高等学校学生进行综合设计性实验，以培养学生的创新精神和实践能力。
1 热释电红外探测器原理分析及讨论
1.1 热释电电流的产生
热释电晶体是压电晶体的一种，具有非中心对称的晶体结构。当红外光照射到其表面时，引起晶体温度迅速升高，极化强度很快下降，束缚电荷急剧减少,而表面电荷变化缓慢，在晶体表面重新达到电平衡状态的极短时间内，晶体表面有多余的电荷出现，这相当于晶体释放出一部分电荷，该现象称为热释电效应[1]。如图1所示，将负载电阻R与热释电晶体薄片相连，则在R上便会产生一个电压信号。面积为A的热释电晶体受到调制辐射，而使其温度T发生微小变化时，产生的热释电电流为：
图1 热释电电流的产生
式中，A为面积，P为热电体材料热释电系数，dT/dt是温度的变化率。由此可见：1)热释电晶体输出的电信号与晶体薄片温度变化率有关，而与温度本身无关，所探测的红外辐射必须是变化的；2)输出信号的大小与晶体薄片的温度变化率成正比，从而反映出入射红外辐射的强度。
1.2 交变红外辐射的产生方法
对于恒定的红外辐射，必须对其进行调制(或称斩光),使恒定辐射变成交变辐射，不断引起探测器的温度变化，热释电晶体才能产生热释电电流。产生交变红外辐射的方法通常有配置菲涅尔透镜和传感器上加装调制盘两种。将菲涅尔透镜安装在传感器前面，将探测空间分隔为敏感区和非敏感区，当人体在探测区域内运动时，交替从敏感区进入非敏感区，热释电传感器接收到的红外辐射能量发生强弱变化。菲涅尔透镜的另一个作用是把人体辐射的红外光聚焦到热释电红外探测元上[2]，从而扩大探测器的探测范围，探测距离约可增到原来的5倍。在传感器上加装调制盘，由频率为1 Hz的慢速电动机带动调制盘旋转，对入射的红外辐射进行斩光，将恒定或缓慢的红外辐射转变成交变辐射。
1.3 热释电传感器的结构
热释电传感器主要有温补单元型、双元型和四元型3种。温补单元型用于辐射高温计、气体分析设备和火焰检测器等；双元型和四元型应用于检测人的出现和运动[3]，如报警系统、自动控制门和自动感应开关等。双元型热释电传感器的结构如图2所示，它由滤光片、双探测元和场效应管组成。热释电晶体敏感波长范围为0.2～20 μm，加上不同带通的滤光片可对特定波长的红外光进行捕获，把不需要的红外光滤除掉[4]。人体温度为36℃～37℃，所放射的红外光波长为9～10 μm，在远红外区[2]。双元型热释电传感器的滤光片只允许波长 8～12 μm 的红外光通过 ,而将其他波长的红外光及灯光、太阳光辐射滤除掉，适用于人体探测。两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，目的是消除因环境和自身温度变化引起的干扰[5]。探测元输出的是电荷信号,不能直接使用,需要用电阻将其转换为电压形式,该电阻阻抗高达104MΩ[6],故引入N沟道结型场效应管接成共漏形式来完成阻抗变换[7]。使用时D端接电源正极,G端接电源负极,S端为信号输出。
图2 双探测元热释电红外传感器的结构
2 热释电红外探测实验装置设计
2.1 实验电路设计
实验电路由菲涅尔透镜、热释电传感器、两级运算放大器、窗口比较电路、延时电路和驱动电路组成，如图3所示。其中，两级运算放大器和窗口比较电路用LM324四运算放大器完成，延时电路由NE555定时器完成。人体移动产生的信号频率约为0.1～10 Hz[8],传感器输出的信号非常微弱，因此要求放大器具有低噪声、高增益、低频特性好和抗干扰能力强的特点。
图3中，R14用于降低射频干扰，LM324a构成第一级带通滤波放大电路。P228型热释电红外传感器S脚输出微弱交流电压信号US，C1滤除其高频成分，R1为传感器输出的负载电阻。US经IC1a带通滤波放大后，经RW1与R4分压，由C4耦合到第二级放大器IC1b进一步滤波放大，输出一个较强的电压信号UO，RW1可调节第二级运算放大器输入信号的大小，从而调节检测器的灵敏度。IC1c、IC1d构成窗口电压比较器，高低阈值电压由分压电路R6、D1、D2、R7确定，VL=2.20 V，VH=2.70 V。二极管VD3、VD4相互隔离输出控制脉冲信号UK，当VL
图3 热释电红外探测器实验电路
2.2 实验内容及分析
1)实验装置的功能是：当人体进入探测区域时，红色发光二极管点亮；人体离开探测区域，发光二极管延迟一段时间后熄灭；在延迟时间内如果人体在探测范围内移动，发光二极管持续点亮，直到人体离开后二极管延迟熄灭。实验内容包括红外信号检测与控制实验和红外响应距离特性实验。
2)实验电路如图3所示，实验时用数字万用表直流电压挡进行测量。无红外辐射时，US=0.52 V，UO=2.52 V，UK=0。手在热释电探头前晃动一下，热释电探头S端有微弱的电压变化信号，US由0.52 V变为0.53 V,两级运算放大器输出端的电压变化较大，UO由2.52 V变为1.79 V，再变为3.07 V，之后恢复到2.52 V。窗口比较电路中VL=2.20 V,VH=2.70 V，无红外光辐射时，放大器输出端电压UO=2.52 V,VL
3)红外响应距离特性实验：红外探头距地面约为2 m，不要直对窗口，否则会引起误动作。红外探头对人体的敏感程度与人的运动方向有很大关系,它对于径向的移动反应极不敏感,而对于横切方向(即与半径垂直的方向)的移动则极为敏感。使用时,应选择合适的安装位置,避免红外探头误报,以获得最佳的检测灵敏度[6]。电路正常工作后，使人体从远处逐渐沿着横切方向靠近探头，可测出探测范围[9]。前后调节菲涅尔透镜位置，当红外传感器在其焦点上时，探测距离最远，需反复实验确定透镜的最佳位置；RW1为灵敏度调节电位器，灵敏度越高，探测距离越远，但灵敏度太高则有可能产生误动作，通过反复实验选择合适的灵敏度。经反复测试实验，该探测器的探测距离能达到8 m。
3 实验装置的应用
3.1 热释电红外报警器设计
在实验电路图3中，窗口比较电路输出信号加到报警保持电路，可驱动报警芯片持续报警，实现入侵报警功能，电路如图4所示。报警保持电路由74HC74实现，74HC74为双D触发器，是上跳沿触发的边沿触发器。当人没进入红外警戒区，窗口比较电路输出低电平不报警。当人进入红外警戒区或在警戒区内移动时，窗口比较电路输出UK由低电平变为高电平加到74HC74的3脚，上跳沿触发D触发器，输出端5脚(Q)由低电平变为高电平；当人在警戒区静止时，UK变为低电平，74HC74的3脚由高电平变为低电平，但输出端5脚输出仍保持高电平不变。驱动管V1饱和导通，V2放大器工作而持续发出报警声，红色LED也持续发光。若解除报警，按一下开关K使1脚(CLR)为0电位。CL9561为四报警芯片，SEL1、SEL2都悬空时，报警声为警车声。
图4 热释电红外报警器
3.2 热释电红外自动开关设计
在实验电路图3中，在驱动电路中接入光电耦合器VLC或继电器，可实现自动红外开关。如图5所示为红外自动开关控制的水龙头电路，YV为电磁水阀，当人体靠近水龙头时，高电平经延时电路使驱动管V1饱和导通，光电耦合器内部的发光二极管点亮,光控晶闸管导通,电磁水阀通电开始放水。人离开水龙头或超过延迟时间未离开时，延时电路输出低电平使V1截止，电磁水阀断电，水龙头自动关闭。该电路还可以用于红外感应灯，当人靠近时灯亮，人离开后延迟一段时间灯熄灭[10]。
图5 热释电红外自动开关
4 结束语
本文研制的热释电红外探测实验装置,经反复测试，灵敏度高，可靠性好。利用该实验装置设计的热释电红外报警器、热释电自动开关等实用电路，性能稳定。利用该实验装置还可以开发出更多的实验项目，如无接触式温度测量仪[4]、红外自动门控制[11]和红外车流量检测[12]等。用于本科生相关专业进行综合设计性实验，培养学生的创新实践能力。
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Design and Application of Pyroelectric Infrared Detector of Experimental Device
WANG Menglu，ZHANG Lei
(School of Physics and Electronics, Henan University, Kaifeng 475004, China)
In this paper, the pyroelectric infrared detector of experimental device is designed, and the structure and working principle of pyroelectric infrared sensor are introduced.The infrared radiation of human body is changed into a faint voltage signal by the pyroelectric infrared sensor.The voltage signal is magnified by a band pass filter, and a high electrical level is exported from the window comparison circuit, which drives the diode emitting.The experimental contents contain the infrared signal processing and response to the distance characteristic experiments.The circuit principle and experimental method were introduced and analyzed.By using this experimental device, some actual application circuits, such as pyroelectric infrared alarm and infrared automatic switch were developed.This experimental device was applied to infrared detection experiment and innovation design for the students in the departments of electronics science and technology, and controlling technology and equipment of Henan University.
Pyroelectricinfrared sensor; Experimental device; Circuit design ; Application
2015-09-16；修改日期:2015-10-22
国家自然科学青年基金(51305066); 河南省教育厅科学技术研究重点项目(14A460024)。
王孟禄(1964-)，男，实验师，主要从事测控技术与仪器专业实验教学及研究。
张镭，副教授，zhanglei@vip.henu.edu.cn
TN
Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2017.01.008
