热释电红外传感器的原理和应用

・66・

仪表技术　　2008年第6期

热释电红外传感器的原理和应用

杨　波,陈忧先

(东华大学信息学院,上海201620)

　　摘要:介绍热释电红外传感器的工作原理。并且设计了基于热释电红外传感器的控制电路,可实现不接触感应控制,增加了执行时间,光照度宽范围调节等诸多功能,从而使该控制电路能适用于更广泛的对象。实验证明,以上这些方法行之有效。

关键词:执行时间;光照度;热释电

中图分类号:TP212　　　　　　　　文献标识码:B　　　　　　　　文章编号:1006-2394(2008)06-0066-03

PrincipleandApplicationofPyroelectricInfraredsducer

YANGBo,CHENYou2xian

(CollegeofInformationScienceandTechnology,China)

Abstract:Thestructureandtheprinciplesofpyrareelaboratedinthispaper.Basedonthistransducer,acontrolcircuitisthecontactlesscontrolwithmanyadditionalfunctions,suchasadjustingthetheonrangeandsoon.Theexperimentprovesthatthistech2niqueishighlyeffectivein.

Keywords:e;ination;pyroelectry

1　热释电红外传感器的结构与工作原理1.1　热释电效应

若使某些强介电质物质的表面发生变化,随着温度的上升或下降,在这些物质表面上就会产生电荷的变化,这种现象称为热释电效应。这种现象在钛酸钡之类的强介电材料上表现得特别明显。

在钛酸钡一类的晶体上,上下表面设置电极,在其上表面加以黑色膜,若有红外线间歇地照射,其表面温度上升ΔT,其晶体内部的原子排列将产生变化,引起自发极化电荷ΔP,设元件的电容为C,则元件两电极的电压为Δ=ΔP/C。另外,热释电效应产生的电荷不是永存的,只要它出现,很快就会被空气中的单个离子所结合。1.2　热释电传感器的构造

热释电传感器结构图如图1所示。光线从(1)窗进入,经过(2)滤光片到达(3)热释电元件,从而产生电信号,电信号经过(4)引线输出。1.3　工作原理

图1　传感器的构造

释电元件被光照后,由于热释电元件的上下表面受到

的光照不同,产生电子,并且形成电流,使两块黑色涂膜产生不同的热释电。电流经过场效应管后放大输出电压信号。

热释电红外传感器的波长灵敏度特性在0.2～μm范围内几乎稳定不变。也就是说,钛酸钡红外20

传感器对光敏感的区域相当宽,为了对某些特定的光进行捕获,防止干扰,必须加上滤光片,把不需要的光谱滤掉。假设要捕获人的红外光线,根据人体正常体温为36～37℃(309～310K),便可获知从人体中辐射

μm的。因此要使用一出的红外光线波长约为9～10

μm,从而可以确保块带通滤光片,波长范围是8～11

把不需要的光谱滤掉。同理,如果选择不同的带通滤

波片,就可以检测不同的对象,实现不同的目的,比如监测火源,安全检查,防盗防窃,以及军事上的应用。

热释电红外传感器的窗口接收光线,滤波片对自然界中的白光信号具有抑制作用,因此只有特定波长的红外信号才能透过滤波片照射在热释电元件上。

热

　　收稿日期:2007-12　　作者简介:杨波(1983—),女,在读研究生,研究方向为智能控制。

2008年第6期2　应用实例

　　仪表技术

・67・

本例所设计的控制电路是以人作为被检测对象的。要求的敏感可控范围是0～3m,即人在3m范围内都可以被传感器检测到,并由控制电路做出相应的操作。我们所设计的电路系统框图如图2所示

。

图3　部分电路图

电阻CDS灵敏度较高,在光弱,。其:

既在白天工作,又”:我们在白天光敏电阻CDS呈低阻的时

图2　候,将电位器VR1往电阻小的方向调节,直到三极管Q4不导通,让二极管D9导通,控制电路处于工作状

2.1　工作电源的设计

流而得到。变压器是由矽钢片,铜导线为主体构成,成本高,体积大,份量也重。质量欠佳的变压器耗能也会比较大。我们的方案是把变压器改成阻容式分压和桥式整流电路串联再加电容滤波,为各个环节提供了所需要的工作电压。并且其制作成本比传统的变压器降低许多,通过大量的实验,也证明该电源工作稳定可靠。2.2　前置放大

态(白天工作);到了晚上,光敏电阻CDS呈高阻,保持电位器VR1不变,则三极管Q4不导通,而二极管D9

保持导通,控制电路仍处于工作状态(晚上也工作)。

如果用户选择的工作状态是“只在晚上工作”:我们在白天将电位器VR1往电阻大的方向调节,直到使三极管Q4恰好导通,此时二极管D9反向偏置,呈现高阻状态,控制电路处于不工作状态(白天不工作);一旦到了晚上,光敏电阻呈高阻,三极管Q4又不导通了,使二极管D9导通,控制电路恢复正常工作(晚上工作)。事实上,光敏电阻的离散性较大,不同的光强呈现的差异较大,只要增加电位器的可调范围就能使该问题迎刃而解。

2.4　调节执行器的工作时间

采用前置放大就是为了调节传感器的工作距离。因为在传感器上感应出的电信号变化幅度较大,如果加了前置放大后,就能在人和传感器的距离达到极限

距离(本例为3m)时也能正常捕获人的热能,即红外光。该前置放大电路用一个集成电路LM324构成的,该芯片正好集成了四个运算放大器。在前置放大部分我们使用了2个运算放大器,也就是传统的二级放大电路,对热释电红外传感器PIR输出的低频信号进行预放大。电路较为典型,在这里就不赘述了。2.3　工作模式调节环节

设计调节执行时间的功能,电路图见图3,这主要是考虑了节能环保。我们通过电容C5和电位器VR2的连接实现这一功能。调节电位器VR2的大小,就可以控制电容C5的放电时间,从而调节了控制电路的执行时间。在这里,我们使用了LM324芯片的剩余两个运算放大器,这两个运算放大器的功能主要是比较电压的大小,从而控制电路的通断。这一功能用于红外感应灯,就控制了红外感应器在感应到人体红外信号后使灯点亮后的持续时间。如果应用在节水装置等系统中,就能控制水阀门打开多少时间后自动关闭。只要参数选得好,可调时间的范围可以很宽,从而使控制电路能用在不同的场合和场所。能适用于不同的对象,与此同时也节省了资源。

对于工作模式调节环节本质上是加入了光照度调节装置,这样可以让电路能在不同的情况下工作,比如“只在晚上工作”,“既在白天工作,又在晚上工作”等情况供用户选择,从而就扩展了控制电路的功能。其电路图见图3。

光照度的调节是通过普通的光敏电阻CDS,电位器VR1,三极管Q4以及二极管D9来实现的。该光敏

・68・3　展望未来

仪表技术　　2008年第6期

希望在不久的将来传感器能真正做到集成化,微

型化,多功能化,同时又有一定的精确度。参考文献:

[1]侯国章.测试与传感器计术[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学

对于红外温度传感器,我觉得有如下性能是值得进一步研究的:

(1)红外温度传感器的感应角度。因为温度传感器在接受红外线时是有一定的角度的,在某些区域是传感器的敏感区域,而在另一些区域却是感应不到的,这一缺点应该进行改进。

(2)红外温度传感器的测温距离,也值得进一步研究。

出版社,1998.

[2]A.R.杰哈.红外技术应用———光电.光子器件及传感器

[M].北京:化学工业出版社,2004.

[3]胡翔骏.电路分析[M].北京:高等教育出版社,2001.

(许雪军编发)

新型R系列I/O模块

日前,美国国家仪器有限公司(简称NI)推出4种用于PXI平台的新型R系列I/O模块,

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仪表技术　　2008年第6期

热释电红外传感器的原理和应用

杨　波,陈忧先

(东华大学信息学院,上海201620)

　　摘要:介绍热释电红外传感器的工作原理。并且设计了基于热释电红外传感器的控制电路,可实现不接触感应控制,增加了执行时间,光照度宽范围调节等诸多功能,从而使该控制电路能适用于更广泛的对象。实验证明,以上这些方法行之有效。

关键词:执行时间;光照度;热释电

中图分类号:TP212　　　　　　　　文献标识码:B　　　　　　　　文章编号:1006-2394(2008)06-0066-03

PrincipleandApplicationofPyroelectricInfraredsducer

YANGBo,CHENYou2xian

(CollegeofInformationScienceandTechnology,China)

Abstract:Thestructureandtheprinciplesofpyrareelaboratedinthispaper.Basedonthistransducer,acontrolcircuitisthecontactlesscontrolwithmanyadditionalfunctions,suchasadjustingthetheonrangeandsoon.Theexperimentprovesthatthistech2niqueishighlyeffectivein.

Keywords:e;ination;pyroelectry

1　热释电红外传感器的结构与工作原理1.1　热释电效应

若使某些强介电质物质的表面发生变化,随着温度的上升或下降,在这些物质表面上就会产生电荷的变化,这种现象称为热释电效应。这种现象在钛酸钡之类的强介电材料上表现得特别明显。

在钛酸钡一类的晶体上,上下表面设置电极,在其上表面加以黑色膜,若有红外线间歇地照射,其表面温度上升ΔT,其晶体内部的原子排列将产生变化,引起自发极化电荷ΔP,设元件的电容为C,则元件两电极的电压为Δ=ΔP/C。另外,热释电效应产生的电荷不是永存的,只要它出现,很快就会被空气中的单个离子所结合。1.2　热释电传感器的构造

热释电传感器结构图如图1所示。光线从(1)窗进入,经过(2)滤光片到达(3)热释电元件,从而产生电信号,电信号经过(4)引线输出。1.3　工作原理

图1　传感器的构造

释电元件被光照后,由于热释电元件的上下表面受到

的光照不同,产生电子,并且形成电流,使两块黑色涂膜产生不同的热释电。电流经过场效应管后放大输出电压信号。

热释电红外传感器的波长灵敏度特性在0.2～μm范围内几乎稳定不变。也就是说,钛酸钡红外20

传感器对光敏感的区域相当宽,为了对某些特定的光进行捕获,防止干扰,必须加上滤光片,把不需要的光谱滤掉。假设要捕获人的红外光线,根据人体正常体温为36～37℃(309～310K),便可获知从人体中辐射

μm的。因此要使用一出的红外光线波长约为9～10

μm,从而可以确保块带通滤光片,波长范围是8～11

把不需要的光谱滤掉。同理,如果选择不同的带通滤

波片,就可以检测不同的对象,实现不同的目的,比如监测火源,安全检查,防盗防窃,以及军事上的应用。

热释电红外传感器的窗口接收光线,滤波片对自然界中的白光信号具有抑制作用,因此只有特定波长的红外信号才能透过滤波片照射在热释电元件上。

热

　　收稿日期:2007-12　　作者简介:杨波(1983—),女,在读研究生,研究方向为智能控制。

2008年第6期2　应用实例

　　仪表技术

・67・

本例所设计的控制电路是以人作为被检测对象的。要求的敏感可控范围是0～3m,即人在3m范围内都可以被传感器检测到,并由控制电路做出相应的操作。我们所设计的电路系统框图如图2所示

。

图3　部分电路图

电阻CDS灵敏度较高,在光弱,。其:

既在白天工作,又”:我们在白天光敏电阻CDS呈低阻的时

图2　候,将电位器VR1往电阻小的方向调节,直到三极管Q4不导通,让二极管D9导通,控制电路处于工作状

2.1　工作电源的设计

流而得到。变压器是由矽钢片,铜导线为主体构成,成本高,体积大,份量也重。质量欠佳的变压器耗能也会比较大。我们的方案是把变压器改成阻容式分压和桥式整流电路串联再加电容滤波,为各个环节提供了所需要的工作电压。并且其制作成本比传统的变压器降低许多,通过大量的实验,也证明该电源工作稳定可靠。2.2　前置放大

态(白天工作);到了晚上,光敏电阻CDS呈高阻,保持电位器VR1不变,则三极管Q4不导通,而二极管D9

保持导通,控制电路仍处于工作状态(晚上也工作)。

如果用户选择的工作状态是“只在晚上工作”:我们在白天将电位器VR1往电阻大的方向调节,直到使三极管Q4恰好导通,此时二极管D9反向偏置,呈现高阻状态,控制电路处于不工作状态(白天不工作);一旦到了晚上,光敏电阻呈高阻,三极管Q4又不导通了,使二极管D9导通,控制电路恢复正常工作(晚上工作)。事实上,光敏电阻的离散性较大,不同的光强呈现的差异较大,只要增加电位器的可调范围就能使该问题迎刃而解。

2.4　调节执行器的工作时间

采用前置放大就是为了调节传感器的工作距离。因为在传感器上感应出的电信号变化幅度较大,如果加了前置放大后,就能在人和传感器的距离达到极限

距离(本例为3m)时也能正常捕获人的热能,即红外光。该前置放大电路用一个集成电路LM324构成的,该芯片正好集成了四个运算放大器。在前置放大部分我们使用了2个运算放大器,也就是传统的二级放大电路,对热释电红外传感器PIR输出的低频信号进行预放大。电路较为典型,在这里就不赘述了。2.3　工作模式调节环节

设计调节执行时间的功能,电路图见图3,这主要是考虑了节能环保。我们通过电容C5和电位器VR2的连接实现这一功能。调节电位器VR2的大小,就可以控制电容C5的放电时间,从而调节了控制电路的执行时间。在这里,我们使用了LM324芯片的剩余两个运算放大器,这两个运算放大器的功能主要是比较电压的大小,从而控制电路的通断。这一功能用于红外感应灯,就控制了红外感应器在感应到人体红外信号后使灯点亮后的持续时间。如果应用在节水装置等系统中,就能控制水阀门打开多少时间后自动关闭。只要参数选得好,可调时间的范围可以很宽,从而使控制电路能用在不同的场合和场所。能适用于不同的对象,与此同时也节省了资源。

对于工作模式调节环节本质上是加入了光照度调节装置,这样可以让电路能在不同的情况下工作,比如“只在晚上工作”,“既在白天工作,又在晚上工作”等情况供用户选择,从而就扩展了控制电路的功能。其电路图见图3。

光照度的调节是通过普通的光敏电阻CDS,电位器VR1,三极管Q4以及二极管D9来实现的。该光敏

・68・3　展望未来

仪表技术　　2008年第6期

希望在不久的将来传感器能真正做到集成化,微

型化,多功能化,同时又有一定的精确度。参考文献:

[1]侯国章.测试与传感器计术[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学

对于红外温度传感器,我觉得有如下性能是值得进一步研究的:

(1)红外温度传感器的感应角度。因为温度传感器在接受红外线时是有一定的角度的,在某些区域是传感器的敏感区域,而在另一些区域却是感应不到的,这一缺点应该进行改进。

(2)红外温度传感器的测温距离,也值得进一步研究。

出版社,1998.

[2]A.R.杰哈.红外技术应用———光电.光子器件及传感器

[M].北京:化学工业出版社,2004.

[3]胡翔骏.电路分析[M].北京:高等教育出版社,2001.

(许雪军编发)

新型R系列I/O模块

日前,美国国家仪器有限公司(简称NI)推出4种用于PXI平台的新型R系列I/O模块,