實(shí)驗(yàn)12 熱釋電紅外傳感器

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1、實(shí)驗(yàn)12 組員： 姓名：張凱凱 學(xué)號(hào)：00094831110 姓名：張超 學(xué)號(hào)：00094831153 姓名：俞濤 學(xué)號(hào)：00094831073 12.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 12.1.1、了解熱釋電紅外傳感器結(jié)構(gòu)、工作原理及應(yīng)用。 12.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備和元件： 12.2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備： 12號(hào)熱釋電紅外傳感器模塊、±12V電源。 12.2.2其它設(shè)備：導(dǎo)線若干。 12.3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： ＊12.3.1、利用網(wǎng)絡(luò)或圖書(shū)館等，首先掌握熱釋電紅外傳感器原理、型號(hào)、使用方法、以及信價(jià)比等，整理成不少于3000字的說(shuō)明書(shū)。 人的眼睛能看到的可見(jiàn)光按波長(zhǎng)從長(zhǎng)到短排列，

2、依次為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫。其中紅光的波長(zhǎng)范圍為0.62～0.76μm；紫光的波長(zhǎng)范圍為0.38～0.46μm。比紫光光波長(zhǎng)更短的光叫紫外線，比紅光波長(zhǎng)更長(zhǎng)的光叫紅外線 最廣義地來(lái)說(shuō)，傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號(hào)的器件，紅外傳感器就是其中的一種。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，紅外線傳感器的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，下面結(jié)合幾個(gè)收集到的實(shí)例，介紹一下紅外線傳感器的應(yīng)用。 熱釋電紅外傳感器是一種能檢測(cè)人或動(dòng)物發(fā)射的紅外線而輸出電信號(hào)的傳感器。早 在1938年，有人提出過(guò)利用熱釋電效應(yīng)探測(cè)紅外輻射，但并未受到重視，直到六十年代，隨著激光、紅外技術(shù)的迅速發(fā)展，才又推動(dòng)了對(duì)熱釋電效

3、應(yīng)的研究和對(duì)熱釋電晶體的應(yīng)用。熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測(cè)器，它可以作為紅外激光的一種較理想的探測(cè)器。它目標(biāo)正在被廣泛的應(yīng)用到各種自動(dòng)化控制裝置中。除了在我們熟知的樓道自動(dòng)開(kāi)關(guān)、防盜報(bào)警上得到應(yīng)用外，在更多的領(lǐng)域應(yīng)用前景看好。比如：在房間無(wú)人時(shí)會(huì)自動(dòng)停機(jī)的空調(diào)機(jī)、飲水機(jī)。電視機(jī)能判斷無(wú)人觀看或觀眾已經(jīng)睡覺(jué)后自動(dòng)關(guān)機(jī)的機(jī)構(gòu)。開(kāi)啟監(jiān)視器或自動(dòng)門(mén)鈴上的應(yīng)用。結(jié)合攝影機(jī)或數(shù)碼照相機(jī)自動(dòng)記錄動(dòng)物或人的活動(dòng)等等。您可以根據(jù)自己的奇思妙想，結(jié)合其它電路開(kāi)發(fā)出更加優(yōu) 秀的新產(chǎn)品 、或自動(dòng)化控制裝置。 人體熱釋電紅外傳感器和應(yīng)用介紹 被動(dòng)式熱釋電紅外

4、探頭的工作原理及特性： 一般人體都有恒定的體溫， 一般在37度，所以會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)10UM左右的紅外線，被動(dòng)式紅外探頭就 是靠探測(cè)人體發(fā)射的10UM左右的紅外線而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的10UM左 右的紅外線通過(guò)菲尼爾濾光片增強(qiáng)后聚集到紅外感應(yīng)源上。紅外感應(yīng)源通常 采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì) 失去電荷平衡，向外釋放電荷，電后續(xù)電路經(jīng)檢驗(yàn)處理后即可產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。 1)這種探頭是以探測(cè)人體輻射為目標(biāo)的。所以熱釋電元件對(duì)波長(zhǎng)為10UM左右的紅外輻射必須非常敏感。 2)為了僅僅對(duì)人體的紅外輻射敏感，在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的菲尼爾濾光片，使環(huán)境的干擾受到明

5、顯的控制作用。 3)被動(dòng)紅外探頭，其傳感器包含兩個(gè)互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元。而且制成的兩個(gè)電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對(duì)兩個(gè)熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效 應(yīng)相互抵消，于是探測(cè)器無(wú)信號(hào)輸出。 4)一旦人侵入探測(cè)區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過(guò)部分鏡面聚焦，并被熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也不同，不能抵消，經(jīng)信號(hào)處理而報(bào)警。 5)菲尼爾濾光片根據(jù)性能要求不同，具有不同的焦距（感應(yīng)距離），從而產(chǎn) 生不同的監(jiān) 控視場(chǎng)，視場(chǎng)越多，控制越嚴(yán)密。 在電子防盜、人體探測(cè)器領(lǐng)域中，被動(dòng)式熱釋電紅外探測(cè)器的應(yīng)用非常廣泛，因其價(jià)格低廉、技術(shù)性能穩(wěn)定而受到廣大用戶(hù)和

6、專(zhuān)業(yè)人士的歡迎。 紅外幕簾探測(cè)器工作原理作：紅外幕簾探測(cè)器本身不發(fā)出任何能量，是靠被動(dòng)的接收紅外能量來(lái)工作的。人體都有恒定的體溫，一般在37度，所以會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)10UM左右的紅外線，被動(dòng)式紅外探頭就是靠探測(cè)人體的10UM左右的紅外線而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的10UM左右的紅外線通過(guò)菲尼爾濾光片增強(qiáng)后聚集到紅外感應(yīng)源上。紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測(cè)處理后就能產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。由于幕簾探測(cè)器的菲尼爾透鏡是經(jīng)過(guò)特殊處理，所以可以把幕簾的寬度控制在20厘米，也就不影響主人在家的活動(dòng)。 紅外線遙控鼠標(biāo)器中的傳感器

7、：在機(jī)械式鼠標(biāo)器底部有一個(gè)露出一部分的塑膠小球,當(dāng)鼠標(biāo)器在操作桌面上移動(dòng)時(shí)，小球隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，在鼠標(biāo)器內(nèi)部裝有三個(gè)滾軸與小球接觸，其中有兩個(gè)分別是X軸方向和Y軸方向滾軸，用來(lái)分別測(cè)量X軸方向和Y軸方向的移動(dòng)量，另一個(gè)是空軸，僅起支撐作用。拖動(dòng)鼠標(biāo)器時(shí)，由于小球帶動(dòng)三個(gè)滾軸轉(zhuǎn)動(dòng)，X軸方向和Y軸方向滾軸又各帶動(dòng)一個(gè)轉(zhuǎn)軸（稱(chēng)為譯碼輪）轉(zhuǎn)動(dòng)。譯碼輪(見(jiàn)圖1)的兩側(cè)分別裝有紅外發(fā)光二極管和光敏傳感器，組成光電耦合器。光敏傳感器內(nèi)部沿垂直方向排列有兩個(gè)光敏晶體管A和B，如圖2所示。由于譯碼輪有間隙，故當(dāng)譯碼輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線時(shí)而照在光敏傳感器上，時(shí)而被阻斷，從而使光敏傳感器輸出脈沖信號(hào)。光敏

8、晶體管A和B被安放的位置使得其光照和阻斷的時(shí)間有差異，從而產(chǎn)生的脈沖A和脈沖B有一定的相位差，利用這種方法，就能測(cè)出鼠標(biāo)器的拖動(dòng)方向 。 照相機(jī)中的紅外線傳感器――夜視功能：紅外夜視，就是在夜視狀態(tài)下，數(shù)碼攝像機(jī)會(huì)發(fā)出人們?nèi)庋劭床坏降募t外光線去照亮被拍攝的物體，關(guān)掉紅外濾光鏡，不再阻擋紅外線進(jìn)入CCD，紅外線經(jīng)物體反射后進(jìn)入鏡頭進(jìn)行成像，這時(shí)我們所看到的是由紅外線反射所成的影像，而不是可見(jiàn)光反射所成的影像，即此時(shí)可拍攝到黑暗環(huán)境下肉眼看不到的影像。 索尼數(shù)碼攝像機(jī)首創(chuàng)了紅外線夜視攝影功能，能夠在全黑環(huán)境下進(jìn)行拍攝，甚至連肉眼也不能分辨清楚的物體，現(xiàn)在也可以清晰地拍攝下來(lái)。這種夜視的特點(diǎn)是

9、可以在完全沒(méi)有光線的條件下進(jìn)行拍攝，但由于采用的是紅外攝影，無(wú)法進(jìn)行彩色的還原，所以拍攝出來(lái)的畫(huà)面是單色的，影像會(huì)變綠。不久之后，索尼又推出了擁有超級(jí)紅外線夜視攝功能的數(shù)碼攝像機(jī)，紅外線功能的慢速快門(mén)為2段選擇，超級(jí)紅外線夜攝功能的慢速快門(mén)為自動(dòng)調(diào)節(jié)，可以獲得更好的影像效果。舉一個(gè)大家都見(jiàn)過(guò)的例子，在美國(guó)空襲伊拉克時(shí)，伊拉克首都大部分地區(qū)都處于停電狀態(tài)，這時(shí)除了防空曳光彈和導(dǎo)彈爆炸引起的火光以外就只有月光或星光照明了，能見(jiàn)度極差。我們?cè)陔娨曅侣勆峡吹降膹默F(xiàn)場(chǎng)傳回來(lái)的錄像片的畫(huà)面都呈現(xiàn)綠色，說(shuō)明電視記者在拍攝時(shí)使用了紅外線夜視儀，導(dǎo)致影像是綠色的，如果不使用紅外攝像技術(shù)，那么我們從電視畫(huà)面上將只

10、能聽(tīng)到聲音，而看不到任何影響了。 需要注意的：因?yàn)榧t外線夜視攝影儀的前提是數(shù)碼攝像機(jī)能發(fā)出人們?nèi)庋劭床坏降募t外光線去照亮被拍攝的物體，所以說(shuō)它的拍攝距離是有一定限制的，如果攝像機(jī)發(fā)出的紅外線到達(dá)不了要拍攝的物體，那么當(dāng)然就什么也拍不到了 。 紅外線傳感器在工程上的應(yīng)用―――紅外線軸套掃描器 ：ROTA-SONDE TS 2006 通過(guò)光機(jī)系統(tǒng)掃描視場(chǎng)，并且無(wú)需任何光學(xué)調(diào)整。它精確測(cè)量線材、棒材等生產(chǎn)線的活套大小，甚至對(duì)特殊鋼或有色金屬以及在水汽、煙霧嚴(yán)重的情況下也能可靠工作。 DELTA 的紅外傳感器TS2006 可用于活套控制、熱帶材或熱板材的對(duì)中控制以及在其它很廣的應(yīng)用中提供位置信息

11、。 優(yōu)缺點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：本身不發(fā)任何類(lèi)型的輻射，器件功耗很小，隱蔽性好。價(jià)格低廉。 缺點(diǎn)：容易受各種熱源、光源干擾 .被動(dòng)紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收。環(huán)境溫度和人體溫度接近時(shí)，探測(cè)和靈敏度明顯下降，有時(shí)造成短時(shí)失靈。 產(chǎn)品分類(lèi)介紹： 雙元探測(cè)器： 雙元探測(cè)器包含兩個(gè)單元，它們對(duì)共同的FET輸出是反極性連接的。 型號(hào)：Lhi954、Lhi968、Lhi778、Lhi958、Lhi874、Lhi878 四元探測(cè)器：四元探測(cè)器包含四個(gè)單元，兩個(gè)輸出，這兩個(gè)獨(dú)立的通道使信號(hào)的處理避免錯(cuò)誤報(bào)警 型號(hào)：Lhi1448、Lhi1548、Lhi1148 天花

12、板安裝類(lèi)型：這類(lèi)探測(cè)器具備獨(dú)特的結(jié)構(gòu)適合天花板安裝設(shè)計(jì)，它們包含兩個(gè)或者四個(gè)不同的單元，同一個(gè)FET輸出通道。 型號(hào)：Lhi906、Lhi1128 單元探測(cè)器：這類(lèi)帶FET輸出的探測(cè)器，具有不同的尺寸，自帶熱補(bǔ)償，專(zhuān)門(mén)的窄帶紅外濾波窗口 型號(hào)：Lhi807、Lhi807TC、PYS4198、PYS4198TC、PYS3151TC 雙通道探測(cè)器：這些特殊的設(shè)計(jì)包含兩個(gè)單元探測(cè)器，TO-5封裝。每個(gè)單元探測(cè)器具備獨(dú)立的濾波器合輸出通道，各種窄帶濾波器可以選擇。 型號(hào)：Lhi814G1/G20、Lhi814G2/G20 12.3.2、實(shí)驗(yàn)原理圖：

13、 12.3.3、實(shí)驗(yàn)步驟： 熱釋電紅外傳感器實(shí)驗(yàn)電路圖如圖12——1所示，R1為傳感器負(fù)載電阻， 傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)C2耦合到運(yùn)算放大電路IC1，其增益取決于R2和R3 的比值，這里約27倍。經(jīng)IC1放大的信號(hào)經(jīng)過(guò)電容C4耦合到放大器IC2， 其增益為110~10倍之間可變。IC3為電壓比較器，平時(shí)輸出低電平故D1燈 不亮，F(xiàn)M1蜂鳴器不響，當(dāng)有人走動(dòng)時(shí)，紅外傳感器信號(hào)增大，比較器翻轉(zhuǎn) 輸出為高電平D1燈亮，F(xiàn)M1蜂鳴器響起來(lái)。 接通12號(hào)模塊±12V電源，手逐漸靠近熱釋電紅外傳感器，D1燈會(huì)亮起 來(lái)，同時(shí)蜂鳴器會(huì)響起來(lái)。 調(diào)節(jié)W1可改變IC2放

14、大器的倍數(shù)，W2可調(diào)節(jié)比較器的倍數(shù)的閥值電壓， 這樣可改變熱釋電紅外傳感器的靈敏度，故改變了動(dòng)作距離。 12.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論 12.4.1、詳細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 在將模塊與試驗(yàn)臺(tái)接通后，打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，之后手靠近熱釋電紅外傳感器，達(dá)到某個(gè)距離時(shí)，實(shí)驗(yàn)?zāi)K便會(huì)發(fā)出蜂鳴聲，然后手逐漸遠(yuǎn)離實(shí)驗(yàn)?zāi)K，又在某個(gè)一定距離實(shí)驗(yàn)?zāi)K的蜂鳴器便停止了蜂鳴聲。 實(shí)驗(yàn)?zāi)K上有一個(gè)增益調(diào)節(jié)W1和一個(gè)靈敏度調(diào)節(jié)W2。調(diào)節(jié)這兩個(gè)旋鈕分別可以調(diào)節(jié)熱釋電紅外傳感器的感應(yīng)距離和蜂鳴器的鳴叫頻率。 12.4.2、簡(jiǎn)要分析實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題及處理方法。 在做實(shí)驗(yàn)時(shí)有時(shí)在沒(méi)有用手靠近時(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)K上的蜂鳴器也會(huì)鳴叫。原因

15、是由于實(shí)驗(yàn)?zāi)K處于好幾人當(dāng)中當(dāng)有人走動(dòng)或做出些其他動(dòng)作時(shí)，恰好進(jìn)入了實(shí)驗(yàn)?zāi)K上的熱釋電紅外傳感器的感應(yīng)距離，由此導(dǎo)致了蜂鳴器的鳴叫。還有從網(wǎng)上找到了另外一種可能，由于手觸碰了電路部分也有可能導(dǎo)致蜂鳴器的鳴叫。 調(diào)試時(shí)人體盡量遠(yuǎn)離感應(yīng)區(qū)域，有時(shí)雖然人體不在模塊的正前方，但是人體離模塊太近時(shí)模塊也能感應(yīng)到造成一直有輸出，還有調(diào)試時(shí)人體不要觸摸電路部分也會(huì)影響模塊工作，比較科學(xué)的辦法是將輸出端接一個(gè)LED或者是萬(wàn)用表，把模塊用報(bào)紙蓋住，人離開(kāi)這個(gè)房間，等2分鐘后看看模塊是否還是一直有輸出。在工作在室內(nèi)并且工作環(huán)境應(yīng)該避免陽(yáng)光、強(qiáng)烈燈光直接照射，如果工作環(huán)境有強(qiáng)大的射頻干擾，可以采用屏蔽措施。若遇有

16、強(qiáng)烈氣流干擾，關(guān)閉門(mén)窗或阻止對(duì)流。感應(yīng)區(qū)盡量避免正對(duì)著發(fā)熱電器和物體以及容易被風(fēng)吹動(dòng)的雜物和衣物。 12.4.5、其他實(shí)驗(yàn)體會(huì) 1：思考題：如何在這個(gè)電路基礎(chǔ)上制作一個(gè)防盜報(bào)警器。 被動(dòng)式紅外報(bào)警器的結(jié)構(gòu)原理:被動(dòng)式紅外報(bào)警器主要由光學(xué)系統(tǒng)、熱釋電紅外傳感器、信號(hào)濾波和放大、信號(hào)處理和報(bào)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(cè)元上，同時(shí)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(cè)元要求信號(hào)不斷變化的特性；熱釋電紅外傳感器是報(bào)警器設(shè)計(jì)中的核心器件，它可以把人體的紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)以供信號(hào)處理部分使用；信號(hào)處

17、理主要是把傳感器輸出的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、延遲、比較，為報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。圖3所示的是將待測(cè)目標(biāo)、菲涅爾透鏡、熱釋電紅外傳感器相結(jié)合使用時(shí)的工作原理示意圖。 工作原理:在該探測(cè)技術(shù)中，所謂“被動(dòng)”是指探測(cè)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(lái)完成探測(cè)目的。被動(dòng)紅外報(bào)警器的特點(diǎn)是能夠響應(yīng)入侵者在所防范區(qū)域內(nèi)移動(dòng)時(shí)所引起的紅外輻射變化，并能使監(jiān)控報(bào)警器產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，從而完成報(bào)警功能。 當(dāng)人體輻射的紅外線通過(guò)菲涅爾透鏡被聚焦在熱釋電紅外傳感器的探測(cè)元上時(shí)，電路中的傳感器將輸出電壓信號(hào)，然后使該信號(hào)先通過(guò)一個(gè)由C1、C2、R1、R2組成的帶通濾波器，該濾波器的上限

18、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(cè)信號(hào)電壓十分微弱（通常僅有1mV左右），而且是一個(gè)變化的信號(hào)，同時(shí)菲涅爾透鏡的作用又使輸出信號(hào)電壓呈脈沖形式（脈沖電壓的頻率由被測(cè)物體的移動(dòng)速度決定，通常為0．1～10Hz左右），所以應(yīng)對(duì)熱釋紅外傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行放大。本設(shè)計(jì)運(yùn)用集成運(yùn)算放大器LM324來(lái)進(jìn)行兩級(jí)放大，以使其獲得足夠的增益。 當(dāng)傳感器探測(cè)到人體輻射的紅外線信號(hào)并經(jīng)放大后送給窗口比較器時(shí)，若信號(hào)幅度超過(guò)窗口比較器的上下限，系統(tǒng)將輸出高電平信號(hào)；無(wú)異常情況時(shí)則輸出低電平信號(hào)。在該比較器中，R9、R10、R11用做參考電壓，兩個(gè)運(yùn)算放大器用做比較，

19、兩個(gè)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(gè)高低電平變化的信號(hào) 上升沿信號(hào) 作為單穩(wěn)電路HEF4538B的觸發(fā)信號(hào)，并讓其輸出一個(gè)脈寬大約為10s的高電平信號(hào)。再用這一脈寬信號(hào)作為報(bào)警電路KD9561的輸入控制信號(hào)，來(lái)使電路產(chǎn)生10s的報(bào)警信號(hào)，最后用三極管VT1和VT2再一次對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大，以便有足夠大的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)喇叭使其連續(xù)發(fā)出10s的報(bào)警聲。 2：這次實(shí)驗(yàn)（熱釋電紅外傳感器實(shí)驗(yàn)）我們對(duì)熱釋電紅外傳感器有了一定的了解，知道了在實(shí)驗(yàn)中要注意什么，去關(guān)注什么，實(shí)驗(yàn)中的失誤去了解原因，去解決，這些過(guò)程中是我們進(jìn)步不少。 通過(guò)這次試驗(yàn)我們也知道熱釋電紅外傳感器正在被廣泛的應(yīng)用到各種自動(dòng)化控制裝置中。除了在我們熟知的樓道自動(dòng)開(kāi)關(guān)、防盜報(bào)警上得到應(yīng)用外，在更多的領(lǐng)域應(yīng)用前景看好。比如：在房間無(wú)人時(shí)會(huì)自動(dòng)停機(jī)的空調(diào)機(jī)、飲水機(jī)。電視機(jī)能判斷無(wú)人觀看或觀眾已經(jīng)睡覺(jué)后自動(dòng)關(guān)機(jī)的機(jī)構(gòu)。開(kāi)啟監(jiān)視器或自動(dòng)門(mén)鈴上的應(yīng)用。結(jié)合攝影機(jī)或數(shù)碼照相機(jī)自動(dòng)記錄動(dòng)物或人的活動(dòng)等等……。可以根據(jù)自己的奇思妙想，結(jié)合其它電路開(kāi)發(fā)出更加優(yōu)秀的新產(chǎn)品，或自動(dòng)化控制裝置。