红外对管应用电路_传感器系列8：红外线传感器及应用电路

传感器系列1--7请见《电子报》2019年第15--21期8版

红外线传感器是将红外辐射能转换成电能的一种光敏器件&＃xff0c;通常称为红外探测器。红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示单元等组成&＃xff0c;其中探测器是核心。

一、红外线传感器基础知识

(一)红外辐射知识

红外辐射俗称红外线&＃xff0c;它是一种不可见光&＃xff0c;由于是位于可见光中红色光以外的光线&＃xff0c;故称红外线。它的波长范围大致在0.76&＃xff5e;1000μm&＃xff0c;技术上把红外线所占据的波段分为四部分&＃xff0c;即近红外、中红外、远红外和极远红外。

红外辐射的物理本质是热辐射。物体的温度越高&＃xff0c;辐射出来的红外线越多&＃xff0c;红外辐射的能量就越强。

红外辐射在大气中传播时&＃xff0c;大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带&＃xff0c;红外线气体分析器就是利用该特性工作的&＃xff0c;空气中对称的双原子气体&＃xff0c;如N2、O2、H2等不吸收红外线。红外线在通过大气层时&＃xff0c;有三个波段透过率高&＃xff0c;它们是2&＃xff5e;2.6μm、3&＃xff5e;5 μm和8&＃xff5e;14 μm&＃xff0c;统称它们为“大气窗口”。这三个波段对红外探测技术特别重要&＃xff0c;因此红外探测器一般工作在这三个波段(大气窗口)之内。

当物体温度高于绝对零度时&＃xff0c;都有红外线向周围空间辐射出来。根据辐射源几何尺寸的大小和距离探测器的远近&＃xff0c;分为点源和面源。没有充满红外光学系统瞬时视场的大面源叫点源。充满红外光学系统瞬时视场的大面辐射源叫面源。

(二)红外线传感器分类和工作机理

红外探测器是利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的。它的种类很多&＃xff0c;按探测机理分为热探测器和光子探测器两大类。

1.热探测器

热探测器的工作机理是利用红外辐射的热效应&＃xff0c;探测器的敏感元件吸收辐射能后温度升高&＃xff0c;进而使某些有关物理参数发生相应变化&＃xff0c;通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低&＃xff0c;响应时间长。热探测器主要优点是响应波段宽&＃xff0c;响应范围可扩展到整个红外区域&＃xff0c;可以在常温下工作&＃xff0c;使用方便&＃xff0c;应用广泛。热探测器主要有四类&＃xff1a;热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型。其中&＃xff0c;热释电型探测器探测率最高&＃xff0c;频率响应最宽。

(1)热释电型传感器的工作机理

一些晶体受热时两端会产生数量相等、极性相反的电荷&＃xff0c;这种由热变化产生的电极化现象称为热释电效应。产生热释电效应的晶体称为热电体&＃xff0c;又称热电元件&＃xff0c;常用的材料有单晶压电陶瓷及高分子。

通常&＃xff0c;晶体自发极化所产生的电荷被附集在晶体表面的空气中的自由电子所中和&＃xff0c;显电中性。自发极化随温度升高而减小&＃xff0c;在居里点温度降为零。当红外辐射照射到晶体表面时&＃xff0c;温度升高&＃xff0c;晶体中的极化迅速减弱&＃xff0c;表面电荷减少&＃xff0c;这相当于释放一部分电荷&＃xff0c;所以叫作热释电型传感器。如果在热电元件两端并联上电阻就会有电流流过&＃xff0c;电阻两端将产生电压信号。输出信号的大小取决于晶体温度变化的快慢&＃xff0c;从而反映出入射的红外辐射的强弱。可见&＃xff0c;热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射辐射变化的速率。

当恒定的红外辐射照射在热释电传感器上时&＃xff0c;传感器没有电信号输出。只有热电元件温度处于变化过程中&＃xff0c;才有电信号输出。必须对红外辐射进行调制(或称斩光)&＃xff0c;使恒定的辐射变成交变辐射&＃xff0c;不断引起热电元件的温度变化&＃xff0c;才能使热释电产生&＃xff0c;并输出交变的信号。

(2)热释电型传感器的结构

将热释电元件、结型场效应管、电阻等封装在避光的壳体内&＃xff0c;并配以滤光镜片透光窗口&＃xff0c;便组成热释电传感器。图1为热释电红外传感器的结构图&＃xff0c;窗口处的滤光片用于滤去无用的红外线&＃xff0c;让有用的红外线进入窗口。

图1 热释电红外传感器结构图

由于热电元件的输出阻抗极高&＃xff0c;而且输出电压极其微弱&＃xff0c;因此在传感器内部装有场效应管及偏置厚膜电阻(R_G、R_S)&＃xff0c;构成信号放大及阻抗变换电路。其内部电路如图2所示。

图2 热释电红外传感器内部电路

    滤光片对于太阳和荧光灯的短波长具有高反射率&＃xff0c;而对人体发出来的红外热源有高透过性&＃xff0c;其光谱响应为6μm以上。人体温度为36.5℃时&＃xff0c;辐射红外线波长为9.36μm&＃xff1b;人体温度为38℃时&＃xff0c;辐射红外线波长为9.32μm。因此&＃xff0c;热释电传感器又称人体红外传感器&＃xff0c;被广泛应用于来客告知、防盗报警及非接触开关等红外领域。

2.光子探测器

光子探测器利用某些半导体材料在入射光的照射下产生光子效应&＃xff0c;使材料电学性质发生变化&＃xff0c;通过测量电学性质的变化&＃xff0c;可以确定红外辐射的强弱。利用光子效应所制成的红外探测器&＃xff0c;统称光子探测器。

光子探测器的主要特点是灵敏度高&＃xff0c;响应速度快&＃xff0c;具有较高的响应频率&＃xff0c;但探测波段较窄&＃xff0c;仅对长波段有响应&＃xff0c;一般需在低温下工作。按照光子探测器的工作原理&＃xff0c;分为内光电和外光电探测器两种&＃xff0c;后者又分为光电导、光生伏特和光磁电探测器三种。

二、红外传感器的应用实例

(一)红外线防盗报警器

图3 红外线防盗报警器原理图

红外线反射式防盗报警器如图3所示&＃xff0c;ICl为反射式红外探测组件&＃xff0c;其最大探测距离可达12m。在正常情况下&＃xff0c;ICl输出低电平&＃xff0c;不能触发IC2工作&＃xff0c;扬声器BL不发声。当有外人进入ICI的警戒探测区域时&＃xff0c;ICl发射的红外线信号经人体反射回来。ICl对该信号进行处理后&＃xff0c;输出高电平信号&＃xff0c;触发IC2工作&＃xff0c;输出音效电信号。该电信号经IC3功率放大后&＃xff0e;驱动BL发出响亮的“狗叫”声&＃xff0c;提示主人有异常情况发生。

(二)热释电自动门控制电路

图4 热释电自动门控制电路原理图

热释电自动门控制电路见图4&＃xff0c;采用热释电红外线探测模块HN911探测人体移动。MOSFET管VF用作开关延时控制&＃xff0c;调节电位器RP可改变延时控制的时间。MOC3020光电耦合器起交直流隔离作用。当无人接近自动门时&＃xff0c;HN911的l脚为低电平&＃xff0c;VF无控制信号输出&＃xff0c;双向晶闸管VTH关断&＃xff0c;负载电动机不工作&＃xff0c;门处于关闭状态。当有人接近自动门时&＃xff0c;HN911检测到人体辐射的红外能量&＃xff0c;l脚为高电平&＃xff0c; VTH导通&＃xff0c;负载电动机工作&＃xff0c;打开自动门。当自动门运行到位时&＃xff0c;由限位开关SQ切断电源。HN911的2脚输出的电平与其1脚电平相反&＃xff0c;故可用2脚的输出控制自动门的关闭。

(三)红外线灯光自动控制器

红外线灯控器由热释电红外线传感器作为人体接近感知器件&＃xff0c;可实现“人来灯亮&＃xff0c;人走灯灭”的功能&＃xff0c;适用于机关、宾馆、居民住宅楼楼道及家庭使用。

图5 红外线灯光自动控制电路原理图

红外线灯光自动控制电路见图5。ICl是热释电红外传感器信号处理集成电路&＃xff0c;由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成。IC1的11脚VDD为电源&＃xff0c;7脚为地&＃xff0c;1脚接高电平为可重复触发&＃xff0c;8脚为参考电压及复位输入端&＃xff0c;通常接VDD。当热释电红外传感器检测到人体红外信号时&＃xff0c;输出微弱的电信号至ICl的14脚&＃xff0c;经ICl内部两级放大器放大后&＃xff0c;再经电压比较器与其设定的基准电压进行比较&＃xff0c;然后输出高电平&＃xff0c;经延时处理后由ICl的2脚输出&＃xff0c;驱动VTl使继电器K线圈得电&＃xff0c;其常开触点K闭合接通电灯电源&＃xff0c;点亮电灯。当人离去时&＃xff0c;ICl内部延迟时间定时器启动&＃xff0c;输出延迟时间Tx由3脚和4脚外部的R10和C10的大小调整&＃xff0c;其值为Tx≈49152×R10C10&＃xff0c;约2分钟后灯光自行熄灭。

IC1的9脚Vc为触发禁止端&＃xff0c;当Vc&＃xff1c;VR(VR≈0.2VDD)时禁止触发&＃xff0c;当Vc&＃xff1e;VR时允许触发。RL为光敏电阻&＃xff0c;用来检测环境照度。若环境较明亮&＃xff0c;RL的电阻值会降低&＃xff0c;使9脚的输入保持为低电平&＃xff0c;从而封锁触发信号。触发封锁时间Ti由5脚和6脚外部的R9和C11的大小调整&＃xff0c;其值为Ti≈24×R9C11。

     哈尔滨远东理工学院   解文军

     中国联通公司哈尔滨软件研究院   梁秋生