熱釋電紅外傳感器論.doc

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昌吉學(xué)院物理系09屆工科專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 課題名稱： 熱釋電紅外傳感器的應(yīng)用 院（系）： 物理系 專 業(yè) ： 電氣自動(dòng)化 班 級(jí) ： Z0902 組 長(zhǎng) ： 孫兵 組 員 ： 孫晶 唐媛媛 林軼男 教師(簽字)： 唐志航 完成日期 ： 2 0 1 1年1 2月 【摘要】 通過對(duì)一個(gè)熱釋電紅外探測(cè)電路進(jìn)行理論分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試，指出了其不妥之處，針對(duì)性的給出了更為合理的應(yīng)用電路。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)后的電路工作可靠性提高，適用于日常生活的自動(dòng)照明、自動(dòng)消防龍頭方面。此實(shí)驗(yàn)具有制作簡(jiǎn)單，成功率高，趣味性強(qiáng)等特點(diǎn)，通過對(duì)本電路的印制板設(shè)計(jì)和安裝調(diào)試提高了我們對(duì)數(shù)字電路理論的理解，特別是提升了我們實(shí)踐動(dòng)手能力。 【關(guān)鍵詞】 紅外傳感器；電壓比較器；延時(shí)電路；繼電器 目錄： 第一章 概述（熱釋電紅外傳感器原理特性） 第二章 實(shí)際電路的分析及修改 第三章 電路介紹 第四章 制作過程 第五章 通電測(cè)試 第六章 結(jié)束語 第七章 參考文獻(xiàn) 第一章 概述 隨著時(shí)代的不斷進(jìn)步，人們對(duì)自己所處環(huán)境的安全性提出了更高的要求，尤其是在家居安全方面，不得不時(shí)刻留意那些不速之客?，F(xiàn)在很多小區(qū)都安裝了智能報(bào)警系統(tǒng)，因而大大提高了小區(qū)的安全程度，有效保證了居民的人身財(cái)產(chǎn)安全。由。 于紅外線是不可見光，有很強(qiáng)的隱蔽性和保密性，因此在防盜、警戒等安保裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。此外，在電子防盜、人體探測(cè)等領(lǐng)域中，被動(dòng)式熱釋電紅外探測(cè)器也以其價(jià)格低廉、技術(shù)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)而受到廣大用戶和專業(yè)人士的歡迎。 目前國內(nèi)使用的各類防盜、保安報(bào)警器基本都是以超聲波、主動(dòng)式紅外發(fā)射／接收以及微波等技術(shù)為基礎(chǔ)。而這里所設(shè)計(jì)的被動(dòng)式紅外報(bào)警器則采用了美國的傳感元件——熱釋電紅外傳感器。這種熱釋電紅外傳感器能以非接觸形式檢測(cè)出人體輻射的紅外線，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，同時(shí)，它還能鑒別出運(yùn)動(dòng)的生物與其它非生物。熱釋電紅外傳感器既可用于防盜報(bào)警裝置，也可以用于自動(dòng)控制、接近開關(guān)、遙測(cè)等領(lǐng)域。用它制作的防盜報(bào)警器與目前市場(chǎng)上銷售的許多防盜報(bào)警器材相比，具有如下特點(diǎn)： ●不需要用紅外線或電磁波等發(fā)射源。 ●靈敏度高、控制范圍大。 ●隱蔽性好，可流動(dòng)安裝。 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(yuǎn)遠(yuǎn)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(gè)特征一致的熱電元反向串聯(lián)或接成差動(dòng)平衡電路方式，因而能以非接觸式檢測(cè)出物體放出的紅外線能量變化 并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。熱釋電紅外傳感器在結(jié)構(gòu)上引入場(chǎng)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(hào)，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(dá)１０４ＭΩ，故引入的Ｎ溝道結(jié)型場(chǎng)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(cè)元、干涉濾光片和場(chǎng)效應(yīng)管匹配器三部分組成。設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)其進(jìn)行極化，這樣便制成了熱釋電探測(cè)元。由于加電極化的電壓是有極性的，因此極化后的探測(cè)元也是有正、負(fù)極性的。 熱釋電紅外傳感器多用于檢測(cè)人體發(fā)射的紅外線，其檢測(cè)區(qū)呈球形，視角為70度左右。由于敏感元件的輸出阻抗極高，而且輸出電壓極其微弱，故在傳感器內(nèi)部裝有場(chǎng)效應(yīng)管及偏置厚膜電阻（RG、RS），構(gòu)成信號(hào)放大及阻抗變換電路，其內(nèi)部電路如圖1。這種傳感器采用金屬外殼封裝，頂部開有窗口，窗口上裝有源光鏡，它可以防止不需要的紅外線進(jìn)入的傳感器。熱釋電紅外傳感器自身的接收靈敏度較低，一般檢測(cè)距離僅2m左右。配用菲涅爾透鏡后，可使有效檢測(cè)距離達(dá)12m左右。目前自動(dòng)門、自動(dòng)消防水龍頭、電梯、照明控制、防盜報(bào)警等領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。 較為完整的熱釋電紅外探測(cè)電路應(yīng)包括：傳感器，高、低通放大器、電壓比較器、延時(shí)電路及執(zhí)行電路（或電器）等單元。從資料手冊(cè)中查看到如圖2所示的典型應(yīng)用電路，按原圖連接線路后做實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不能正常工作，進(jìn)分析發(fā)現(xiàn)該電路存在一些不妥之處。 第二章 實(shí)際電路分析及修改 1、1高低通放大器部分 IC1使用廉價(jià)的通用四運(yùn)放LM324，用其中兩個(gè)運(yùn)放組成高、低放大器。按圖2所示參數(shù)計(jì)算得到，第一級(jí)放大器增益為：Av1=R6/R4=220，第二級(jí)放大器增益為：Av2=R10/R9=270，總放大增益為：Av=220*270=59400=95.5dB.我們知道，在運(yùn)算放大電路中，放大倍數(shù)一般不宜取得太大，否則容易引起輸出端波形失真且導(dǎo)致電路自激振蕩。故將R6改為200千歐，將R10改為1兆歐，此時(shí)的總增益為Av=20*100=2000=66dB,比較符合實(shí)際應(yīng)用，能保證電路工作可靠。 1、2電壓比較器部分 LM324 另外兩個(gè)運(yùn)放組成電壓比較檢測(cè)窗口，由R3、R5和R7、R8將高、低通放大器的（3）腳和（5）腳均設(shè)置為1/2Vcc，即3V。當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)到人體的活動(dòng)，其產(chǎn)生的微弱電壓信號(hào)經(jīng)過放大，傳送到LM324的（10）腳和（13）腳時(shí)，用示波器可以檢測(cè)到峰值約為5V的正弦波，那么無論是信號(hào)的正半周還是負(fù)半周，兩個(gè)比較器中必有一個(gè)輸出為低電平，使IC2的（2）腳由高電平跳成低電平，以便控制延時(shí)電路工作。 而當(dāng)紅外傳感器沒有檢測(cè)到人活動(dòng)時(shí)，由靜態(tài)電路可知，該3V直流信號(hào)同時(shí)加到LM324的（10）腳、（13）腳，又知道R11、R12、R13將窗口電壓上、下限設(shè)置為3.4V和2.6V，即（9）腳偏置為3.4V，（12）腳偏置為2.6V。此時(shí)，電壓比較器輸出端（8）、（14）均為低電平，而IC2的（2）腳原來經(jīng)R14上拉電阻設(shè)置為高電平，則VD1、VD2都導(dǎo)通，將IC2D (2)腳鉗位成低電平，在圖2電路中，NE555為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，（2）腳一旦有下降沿脈沖觸發(fā)，則定時(shí)器就工作，3腳就輸出高電平。既然沒有檢測(cè)到人體活動(dòng)，何以末端能輸出高電平，從而驅(qū)動(dòng)后級(jí)的繼電器等電路單元一直工作？所以電路工作不正常。 修改電壓比較器部分后的電路如圖3所示。將兩個(gè)二極管倒個(gè)方向，在其后加一個(gè)開關(guān)三極管，以它的輸出來控制延時(shí)電路。靜態(tài)時(shí)，LM324的（8）、（14）均為低電平，開關(guān)管截止，IC2的(2)腳仍為高電平，延時(shí)電路不工作。當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)到人的活動(dòng)，在輸入信號(hào)的正半周時(shí)，（13）腳的電平高于（12）腳所加的2.6V比較電壓，下比較器由（14）腳輸出低電平，VD2截止，此時(shí)由于（10）腳電平高于（9）腳，上比較器輸出高電平，VD1導(dǎo)通，其高電平使得開關(guān)管飽和導(dǎo)通，將IC2的(2)腳拉成低電平，致使延時(shí)電路工作。在信號(hào)負(fù)半周時(shí)，上、下比較器輸出電平剛好相反，即（8）腳輸出低電平，(14)腳輸出高電平，VD2導(dǎo)通?？梢?，只要傳感器檢測(cè)到人體活動(dòng)，無論是信號(hào)的正半軸還是負(fù)半周，兩個(gè)比較器中必有一個(gè)輸出為高電平，通過開關(guān)三極管從而控制延時(shí)電路工作。 第三章 電路介紹 1.3 開關(guān)電路 如圖所示，在比較器后加上開關(guān)管，整個(gè)電路不但工作可靠，且輸出電流大，能驅(qū)動(dòng)后級(jí)的執(zhí)行電器工作。 1.4 延時(shí)電路 延時(shí)電路IC2使用單時(shí)基電路NE555，延時(shí)時(shí)間t=1.1R16*C8約等于60s。其作用有二。一是為自己離開檢測(cè)區(qū)時(shí)提供一段非報(bào)警延遲時(shí)間，二是在自己進(jìn)入檢測(cè)區(qū)后提供管斷檢測(cè)器所需時(shí)間。延時(shí)電路工作時(shí)，輸出的高電平或接通報(bào)警器電源進(jìn)行報(bào)警；或使繼電器吸合。繼電器工作后可控制較大的繼電器以接通電磁閥、小電動(dòng)機(jī)等工控系統(tǒng)的執(zhí)行電路。 1.5 執(zhí)行電路 IC2的（2）腳在無觸發(fā)信號(hào)輸入的靜態(tài)時(shí)保持高電平，當(dāng)有檢測(cè)信號(hào)時(shí)，其出現(xiàn)下降沿，使得NE555（3）腳輸出高電平控制信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)電磁繼電器、固態(tài)繼電器、光耦合器、雙向可控硅及模擬電子開關(guān)等工作。以自動(dòng)照明電路為例，設(shè)計(jì)的執(zhí)行電路如圖4.OUT輸出高電平時(shí)，其后的三極管飽和導(dǎo)通，發(fā)射極變?yōu)楦唠娖?，繼電器動(dòng)作，常開開關(guān)吸合，照明燈接通電源后就亮。當(dāng)然，要用于自動(dòng)門、自動(dòng)電梯等，后面還要接電動(dòng)機(jī)。 第四章 制作過程 對(duì)敷銅板進(jìn)行腐蝕，鉆孔，元件焊接 仔細(xì)檢查，反復(fù)調(diào)試進(jìn)行試驗(yàn) 制作印刷電路板通過熱轉(zhuǎn)印機(jī)轉(zhuǎn)印到敷銅板上。 熱釋電紅外傳感器原理圖 熱釋電紅外傳感器PCB板 3D視圖 做版過程 對(duì)敷銅板進(jìn)行腐蝕，鉆孔，元件焊接 仔細(xì)檢查，反復(fù)調(diào)試進(jìn)行試驗(yàn) 制作印刷電路板通過熱轉(zhuǎn)印機(jī)轉(zhuǎn)印到敷銅板上。 敷 銅 板 裁板過程 轉(zhuǎn)印過程 腐蝕過程 焊接過程 第五章 通電測(cè)試 第六章 結(jié)束語 目前，市場(chǎng)上出現(xiàn)的熱釋電人體紅外線傳感器主要有上海產(chǎn)的SD02、PH5324，德國產(chǎn)的LH1954、LH1958，美國HAMAMATSU公司產(chǎn)P2288，日本NIPPON CERAMIC公司的SCA02-1、RS02D等。雖然它們的型號(hào)不一樣，但其結(jié)構(gòu)、外型和電參數(shù)大致相同，大部分可以彼此互換使用?？傊疅後岆娂t外傳感器的應(yīng)用十分廣泛，如與各種型號(hào)的專用處理集成電路（如CS9803 GP）配套使用，則外圍電路更為簡(jiǎn)單，安裝調(diào)試更為方便，工作更加穩(wěn)定可靠。因?yàn)镃S9803是由振蕩器、計(jì)數(shù)器、PIR檢測(cè)、信號(hào)放大、系統(tǒng)時(shí)鐘、輸出控制等電路組成，代替了圖2中的IC1核IC2部分。不過這樣的話應(yīng)用電路成本會(huì)稍微高一點(diǎn)。 在應(yīng)用中應(yīng)注意的問題： 1、首先要正確判別傳感器的幾個(gè)端子。管腳朝自己，順時(shí)針為D、S、E、；D端接正電源，E端接地，S端輸出正弦信號(hào)送往高、低通放大器。 2、高、低通放大器，一般要求總放大增益為65dB左右比較合適，否則紅外線傳感器探測(cè)距離及反映靈敏度就要打打折扣了。 3、在繼電器線圈兩端要并接一個(gè)續(xù)流二極管。正常工作時(shí)，線圈上的對(duì)于上正下負(fù)，二極管截至，對(duì)電路沒影響。而在繼電器吸合到斷開的瞬間，與繼電器并聯(lián)的二極管使繼電器線圈在斷電瞬間產(chǎn)生的反電勢(shì)有一泄放電路，可防止繼電器的驅(qū)動(dòng)晶體管為該反電勢(shì)擊穿 第七章 參考文獻(xiàn) 【1】 童 詩 白 .模擬電子技術(shù)，第二版[M].北京：高等教育出版社，1999. 【2】 翟貴榮.雙敏感元件——熱釋電紅外傳感器及應(yīng)用[J].Electronics DIY, 2001, (11):15-16. 【3】 孫俊人.新編電子電路大全，合訂本（IV-37）[M].北京：中國計(jì)量出版社，2001. 【4】 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