熱釋電傳感器原理特性

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(lái)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。

熱釋電傳感器結(jié)構(gòu)電路圖

　　熱釋電傳感器由濾光片、熱釋電探測(cè)元和前置放大器組成，補(bǔ)償型熱釋電傳感器還帶有溫度補(bǔ)償元件，國(guó)1-1所示為熱釋電傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。為防止外部環(huán)境對(duì)傳感器輸出信號(hào)的干擾，上述元件被真空封裝在—個(gè)金屬營(yíng)內(nèi)。

　　圖1-1熱釋電傳感器的結(jié)構(gòu)

　　熱釋電傳感器的濾光片為帶通濾光片，它封裝在傳感器殼體的頂端，使特定波長(zhǎng)的紅外輻射選擇性地通過(guò)，到達(dá)熱釋電探測(cè)元+在其截止范圍外的紅外輻射則不能通過(guò)。

　　熱釋電探測(cè)元是熱釋電傳感器的核心元件，它是在熱釋電晶體的兩面鍍上金屬電極后，加電極化制成，相當(dāng)于一個(gè)以熱釋電晶體為電介質(zhì)的平板電容器。當(dāng)它受到非恒定強(qiáng)度的紅外光照射時(shí)，產(chǎn)生的溫度變化導(dǎo)致其表面電極的電荷密度發(fā)生改變，從而產(chǎn)生熱釋電電流。

　　前置放大器由一個(gè)高內(nèi)阻的場(chǎng)效應(yīng)管源極跟隨器構(gòu)成，通過(guò)阻抗變換，將熱釋電探測(cè)元微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為有用的電壓信號(hào)輸出。

　　前置放大器將微弱的熱釋電電流轉(zhuǎn)換為有效電壓輸出。前置放大器必須具備高增益、低噪聲、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，以便從眾多的噪聲干擾中提取微弱的有用信號(hào)。國(guó)18是熱釋電傳感器的內(nèi)部電路。熱釋電探測(cè)元和前置放大器通常集成封裝在晶體管內(nèi)，以避免空氣濕度使泄露電流增大。這種結(jié)構(gòu)的前置放大器信噪比高，受溫度影響小。

　　圖1-8電路中的電壓增益與場(chǎng)效應(yīng)管在工作點(diǎn)的跨導(dǎo)和源極電阻有關(guān)，計(jì)算公式如下：

　　由公式（7）可知，增大源極電阻，或減小漏極電流可以提高前置放大器的電壓增益。但是增大源極電阻的同時(shí)，輸出電阻會(huì)變大，從而導(dǎo)致漏極電壓升高，當(dāng)源極電阻達(dá)到100Kohm時(shí)，漏極電壓會(huì)升高到15V，因此源極電阻不應(yīng)過(guò)大，一般不超過(guò)100Kohm，增大電壓增益能降低溫度對(duì)跨導(dǎo)的影響，提高增益的溫度穩(wěn)定性。

熱釋電傳感器的工作原理：

圖1開(kāi)始的階段（T），在沒(méi)有紅外照射下，熱釋電紅外傳感器的溫度沒(méi)有變化，傳感器表面的電荷處于中和狀態(tài)，正負(fù)電子對(duì)等（A），此時(shí)，傳感器沒(méi)有輸出（0）。圖1第二階段（T+△T），有溫度變化時(shí)，在人體紅外線的照射下，熱釋電紅外傳感器的溫度如果上升△T，那么傳感器表面的電荷就如圖2（B）所示的那樣發(fā)生相應(yīng)的變化。如果溫度變化為△T，其對(duì)應(yīng)的電荷變化就產(chǎn)生△V的變化，因此，傳感器輸出△V。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，傳感器表面就會(huì)重新吸附空氣中的離子并相互抵消由此而達(dá)到如圖2C所示的中和狀態(tài)。此時(shí)，傳感器又恢復(fù)到?jīng)]有輸出（0），如圖3所示。

當(dāng)溫度下降時(shí)，溫度又回到原來(lái)的狀態(tài)（T），其自由極化狀態(tài)如圖2D所示。由于溫度的下降變化（相對(duì)而言）過(guò)程與溫度上升變化相反，所以，傳感器表面的電荷變化與上升時(shí)變化過(guò)程剛好相反，是個(gè)反過(guò)程。因此，傳感器的輸出信號(hào)就是-△V，如圖3所示。同理，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，傳感器的表面也會(huì)重新吸附空氣中的離子，而使傳感器的輸出信號(hào)再次為零。

傳感器對(duì)人體活動(dòng)信息的感應(yīng)全過(guò)程輸出信號(hào)如圖3所示。從傳感器輸出圖中不難看出，傳感器對(duì)人體活動(dòng)的一個(gè)動(dòng)作所輸出的信號(hào)是一個(gè)完整的波形。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，如果用放大器把該信號(hào)放大，再用示波器觀察就是一個(gè)正脈沖和一個(gè)負(fù)脈沖。也就是說(shuō)，傳感器感應(yīng)到的一個(gè)移動(dòng)信號(hào)近似于一個(gè)完整的1Hz脈沖信號(hào)。

熱釋電傳感器電路圖（一）

本圖是熱釋電傳感器的電動(dòng)機(jī)控制電路。電路中，Al是增益為60dB放大器電路，它將熱釋電傳感器的微弱信號(hào)進(jìn)行放大;也是截止頻率為10Hz的有源濾波器，主要用于濾除噪聲與紋波;A3為比較器電路，比較值由RP1根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定，A3輸出恒定電平的信號(hào);A4為單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，用于當(dāng)接入多個(gè)熱釋電傳感器時(shí)，確保在一定時(shí)間內(nèi)電路僅對(duì)一個(gè)傳感器的輸出信號(hào)有響應(yīng);A5和A6為觸發(fā)器電路，其輸出決定電動(dòng)機(jī)的工作方式;VT和繼電器為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)觸發(fā)器輸出高電平時(shí)，VT導(dǎo)通，繼電器Kl動(dòng)作，其觸點(diǎn)K1一1接通電動(dòng)機(jī)電源并使其轉(zhuǎn)動(dòng);反之，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。

熱釋電傳感器電路圖（二）

基于BISS0001熱釋電紅外傳感器電路

R3光敏電阻：

光照產(chǎn)生載流子，在外加電場(chǎng)的作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，電子奔向電源正，空穴奔向電源負(fù)。無(wú)光照時(shí)電子空穴復(fù)合。

熱釋電傳感器電路圖（三）

基于LM324熱釋電紅外傳感器電路

1、5V電源通過(guò)R1給透鏡供電，R1的作用的限流，C1是電源濾波，其穩(wěn)定電壓的作用。

2、C2和R2構(gòu)成高通濾波器，隔離透鏡輸出的直流分量。

3、由于運(yùn)放采用單電源供電，R3、R5、C3為運(yùn)放A1提供一個(gè)2.5V的參考電壓。

4、運(yùn)放A1、R4、R6、C4構(gòu)成積分器，相當(dāng)于低通濾波器，濾除低頻噪聲，同時(shí)，放大有效信號(hào)。

5、C5再次隔離直流分量。

6、R8、R9、C9為運(yùn)放A2提供一個(gè)2.5V的參考電壓。

7、運(yùn)放A2、R7、R10、C8構(gòu)成積分器，相當(dāng)于低通濾波器，濾除高頻噪聲，有效信號(hào)比例縮小。

8、A3、A4等構(gòu)成差分放大電路，輸出經(jīng)二級(jí)管檢波為直流電壓。

熱釋電傳感器電路圖（四）

本裝置可自動(dòng)控制單位大門(mén)的開(kāi)與關(guān)，有人進(jìn)出時(shí)門(mén)自動(dòng)打開(kāi)，進(jìn)出過(guò)后門(mén)自動(dòng)關(guān)閉。夜晚大門(mén)停用后，本裝置可轉(zhuǎn)作報(bào)警器，一旦有人走近大門(mén)即產(chǎn)生報(bào)警，以告知門(mén)衛(wèi)開(kāi)小門(mén)放人進(jìn)出。

圖１是人體感應(yīng)信號(hào)產(chǎn)生及放大電路。其中ＲＳ是熱釋電遠(yuǎn)紅外被動(dòng)式傳感器，Ａ１、Ａ２是兩級(jí)放大器。傳感器檢測(cè)到人體紅外線后產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)很微弱，電路中設(shè)置了諸多旁路電容都是為了抑制干擾，避免誤動(dòng)作。Ａ３、Ａ４是上、下限電壓比較器，平時(shí)Ａ２的輸出電平比Ａ３⑥腳電平低，而比Ａ４③腳電平高，Ａ３、Ａ４輸出皆為低電平。只有傳感器感應(yīng)產(chǎn)生的交變信號(hào)經(jīng)放大達(dá)到足夠電平才能使Ａ３或Ａ４輸出為高電平，以控制后續(xù)電路工作。

圖２、圖３是自動(dòng)門(mén)電機(jī)控制電路及報(bào)警變換電路。由圖１的ＣＺ插座②腳來(lái)的高電平使ＢＧ１導(dǎo)通、Ｊ１動(dòng)作，觸點(diǎn)Ｊ１－１閉合使Ｃ１短路，ＩＣ３的③腳輸出高電平使Ｊ２得電，Ｊ２－１閉合接通市電，Ｊ２－２動(dòng)觸頭轉(zhuǎn)換到“ａ”位置，電機(jī)Ｍ正轉(zhuǎn)開(kāi)門(mén)。同時(shí)ＢＧ２飽和導(dǎo)通，ＩＣ４的③腳為低電平。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，門(mén)位移到終點(diǎn)碰觸軌道上的限位開(kāi)關(guān)Ｋ１，Ｊ２釋放，電機(jī)停轉(zhuǎn)。當(dāng)人們進(jìn)出門(mén)結(jié)束后，ＢＧ１基極無(wú)信號(hào)而截止，Ｊ１釋放，再經(jīng)過(guò)一定時(shí)間（此時(shí)間由Ｒ３、Ｃ１的值決定），ＩＣ３的③腳輸出低電平，ＢＧ２截止，ＩＣ４的③腳受由低到高的脈沖觸發(fā)，其①腳輸出高電平，一方面使ＢＧ３導(dǎo)通，Ｊ３得電，Ｊ３－１使電機(jī)接通市電，此時(shí)因Ｊ２不工作，Ｊ２－２動(dòng)觸頭已回到“ｂ”位，

故電機(jī)反轉(zhuǎn)，門(mén)開(kāi)始關(guān)。門(mén)到達(dá)“關(guān)”的終點(diǎn)即碰觸軌道上的限位開(kāi)關(guān)Ｋ２，電機(jī)停轉(zhuǎn)。另一方面ＩＣ４的①腳上電壓通過(guò)Ｒ８對(duì)Ｃ３充電，當(dāng)④腳為高電平時(shí)①腳翻轉(zhuǎn)為低電平，ＢＧ３截止，Ｊ３釋放。若在關(guān)門(mén)過(guò)程中又有人要進(jìn)出門(mén)，則ＢＧ１又接到信號(hào)，Ｊ２又工作，Ｊ２－２又轉(zhuǎn)換到“ａ”位置，門(mén)便立即由“關(guān)”轉(zhuǎn)為“開(kāi)”。因此，只要有人進(jìn)出門(mén)，無(wú)論原來(lái)門(mén)處于何種狀態(tài)，總會(huì)作開(kāi)門(mén)運(yùn)行。

當(dāng)夜晚不需要自動(dòng)門(mén)工作時(shí)，可將Ｋ３由“１”扳至“２”，這時(shí)本系統(tǒng)即構(gòu)成報(bào)警器。一旦有人走到門(mén)附近，Ｊ２－１與Ｊ３－１便相繼接通市電，使聲、光報(bào)警器發(fā)出警報(bào)。

在ＲＳ傳感器上加裝菲涅爾透鏡可增大作用距離。另外，為了使人進(jìn)門(mén)與出門(mén)都能自動(dòng)開(kāi)門(mén)，須在門(mén)的兩側(cè)都裝有圖１所示的人體感應(yīng)信號(hào)產(chǎn)生及放大電路，分別安裝于門(mén)內(nèi)門(mén)外的上方，將其輸出端并聯(lián)后接在圖２電路的輸入端即可。

熱釋電傳感器電路圖（五）

熱釋電傳感器電路圖（六）

報(bào)警器的工作電路