【導(dǎo)讀】隨著信息技術(shù)的普及，紅外探測技術(shù)取得了迅速的發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于夜視儀、報(bào)警、醫(yī)療和自動(dòng)控制等領(lǐng)域。在紅外探測系統(tǒng)中，紅外傳感器是核心器件，它的性能決定了整個(gè)紅外探測系統(tǒng)的靈敏性，而前置放大電路又是影響紅外傳感器性能的關(guān)鍵部分。由于紅外傳感器的響應(yīng)信號十分微弱，故對前置放大器提出了嚴(yán)格的要求，如低噪、高增、低頻特性好及抗干擾強(qiáng)等。
以下針對熱釋電傳感器的輸出信號的特點(diǎn)，提出一種新型的高增益、低噪聲的前置放大電路設(shè)計(jì)方案。該方案很好地滿足了熱釋電傳感器對前置放大器低噪聲、高增益、低頻特性好及抗干擾能力強(qiáng)的要求。
一、輸出信號特性及其噪聲分析
熱釋電紅外傳感器輸出電信號的幅度和頻率主要決定于目標(biāo)人體的溫度、探測區(qū)域背景、人體與傳感器的距離、人體移動(dòng)的速度、光學(xué)透鏡系統(tǒng)的焦距和它的設(shè)計(jì)方 式。人體溫度和探測區(qū)域背景的溫差很大，離傳感器越近，輸出電信號的幅值將越大。雙敏感元熱釋電傳感器配合菲涅爾光學(xué)透鏡使用時(shí)，輸出信號波形電壓峰峰值 約為1mV，頻率可由下公式計(jì)算：
式中，f是輸出信號頻率(Hz)；Vb是人體移動(dòng)速度(m/s)；fb是光學(xué)系統(tǒng)焦距(mm)；S是傳感器敏感元的面積(mm)；L是人體離傳感器的距離(m)。對于雙敏感元傳感器，標(biāo)準(zhǔn)尺寸為2×1mm2，人體移動(dòng)速度范圍為0.5～5m/s，常用探測器上使用的菲涅爾透鏡焦距為25mm，由此我們可計(jì)算出傳感器輸出信號的頻率范圍為0.08～8Hz。
由于傳感器輸出的信號非常微弱，容易受到噪聲的干擾，甚至有效信號被淹沒在噪聲中。研究發(fā)現(xiàn)傳感器上輸出信號的干擾源主要來自傳感器的熱噪聲、固有噪聲、放大器的電壓和電流噪聲等。熱噪聲是由探測器材料中的電荷載流子的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的。要減小熱噪聲帶來的影響，應(yīng)盡量縮短熱釋電紅外傳感器和前置放大電路之間的距離，減少外界熱干擾，并在前置放大電路中串入低通濾波電路，限制噪聲帶寬。傳感器的固有噪聲電壓峰峰值約為50μV，室外熱空氣流動(dòng)能夠產(chǎn)生接近250μV的噪聲，在室內(nèi)也接近180μV。其他可能存在的干擾，如空間電磁波干擾和機(jī)械振動(dòng)等，噪聲幅值接近100μV。三種噪聲疊加最大幅值接近300μV。
二、前置放大電路的設(shè)計(jì)
根據(jù)熱釋電紅外傳感器輸出信號特性，前置放大電路信號處理要從多種噪聲干擾中提取有用的微弱信號，故前置放大電路應(yīng)具有低噪聲、高增益、低頻特性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。因此，通常由如圖所示的包括帶通濾波、兩級高增益放大、比較電路三個(gè)部分組成。
圖1 紅外探測前置放大電路設(shè)計(jì)圖
上圖中熱釋電傳感器D端和5V電源間串聯(lián)10kΩ電阻，用于降低射頻干擾，G端接地，S端接47kΩ負(fù)載電阻，偏置電壓約為1V。傳感器輸出直接耦合到低噪聲運(yùn)放(LM324)構(gòu)成的帶通濾波和第一級放大電路的反向輸入端，再由電阻R6 、電容C8耦合到第二級反向放大電路進(jìn)行進(jìn)一步濾波、放大。
上限截止頻率為：
下限截止頻率為：
電路增益與頻率有關(guān)，當(dāng)輸入信號頻率為1Hz時(shí)，第一級放大增益約為：
第二級放大增益為：
計(jì)算得帶寬為15.83Hz，電路總增益為66dB。雙限電壓比較器由四運(yùn)放(LM324)的另兩個(gè)放大器構(gòu)成。從前文對噪聲分析可知，噪聲源最大幅值接近300μV，經(jīng)兩級放大電路后，最大噪聲幅值達(dá)到600mV。第二級放大電路偏置在VCC/2，即2.5V，因此，雙限電壓比較器的高低閾值應(yīng)設(shè)置為3.1V和1.9V時(shí)才能有效抗噪聲干擾，即當(dāng)放大器輸出信號電平大于3.1V或者小于1.9V時(shí)，比較器輸出高電平，表示探測到移動(dòng)人體。
三、熱釋電紅外傳感器的應(yīng)用
熱釋電紅外傳感器的應(yīng)用很廣，大體可分為定性測量和定量測量兩類。
定量測量是測量紅外光源的溫度T，是一種非接觸的測定溫度的方法。它的基本依據(jù)如下，首先輻射能流密度 ωλ可表示為：
式中，ωλ為輻射率，相當(dāng)于對絕對黑體的修正，是一個(gè)小于等于1的數(shù)；h為普朗克常數(shù)；λ為波長，c為光速；k為波爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度。
由公式可以看出，如果光源輻射率一定，紅外傳感器與光源相對位置及光學(xué)系統(tǒng)固定，則傳感器的溫度相對于光源溫度有一個(gè)確定的關(guān)系。
實(shí)際用斬光板來對光源進(jìn)行斬光，所以熱釋電器件的溫度時(shí)而反映光源溫度，時(shí)而反映斬光板溫度，因而熱釋電器件輸出的脈動(dòng)電壓幅度為以光源溫度T，斬光板溫度為自變量的兩個(gè)函數(shù)之差。
定性測量是熱釋電紅外傳感器最大應(yīng)用領(lǐng)域。它的基本原理是根據(jù)檢測物與背景輻射性質(zhì)的不同、檢測目標(biāo)存在與否。人體的表面溫度約為34℃，紅外線峰值約為10μm，人體移動(dòng)產(chǎn)生的信號相應(yīng)于頻率為0.1～10Hz，熱釋電的方法檢測人體與可見光傳感器相比，有幾個(gè)特點(diǎn)，一是利用人體自身發(fā)光，不用其它光源，因而工作裝置簡單、可靠，另外由于紅外線不被人感覺，所以具有隱蔽性好的優(yōu)點(diǎn)。
近些年來，熱釋電紅外傳感器除了用于遙感、制導(dǎo)、夜視、主動(dòng)雷達(dá)、熱成像、氣體分析、輻射計(jì)、測溫等軍事和工業(yè)場合外，它在消費(fèi)電子電器產(chǎn)品中的應(yīng)用正迅速增長。目前應(yīng)用最多的是檢測人的傳感器，比如用于防盜報(bào)警系統(tǒng)。
紅外報(bào)警器組成框圖
物體射出的紅外線先通過菲涅爾透鏡，然后到達(dá)熱釋電紅外探測器。這時(shí)，熱釋電紅外探測器將輸出脈沖信號，脈沖信號經(jīng)放大和濾波后，由電壓比較器將其與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，當(dāng)輸出信號達(dá)到一定值時(shí)，報(bào)警電路發(fā)出警報(bào)。其中的前置放大電路采用第一個(gè)圖1中所設(shè)計(jì)的方案，通過測試表明信號處理電路低頻特性較好，對傳感器輸出的低頻微弱信號有比較高的放大增益，抗噪聲干擾能力強(qiáng)。電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明該前放信號處理電路配合熱釋電紅外傳感器使用時(shí)靈敏度高、探測誤差率較低。
四、總結(jié)
通過分析熱釋電紅外傳感器輸出信號特性，對設(shè)計(jì)前放電路的噪聲信號進(jìn)行了分析研究，表明該微弱信號處理電路在低頻時(shí)具有較高增益，頻率特性曲線在1Hz附近比較平坦，對低頻信號放大時(shí)失真小，3dB帶寬只有15.94Hz，能夠有效濾除高頻干擾，提高信噪比，滿足熱釋電紅外傳感器輸出對信號處理電路設(shè)計(jì)的要求。但具體應(yīng)用時(shí)，還應(yīng)充分考慮實(shí)際探測環(huán)境對傳感器輸出信號的影響，合理選擇、設(shè)計(jì)信號處理電路，才能減少誤差，最大限度的發(fā)揮紅外傳感器的探測作用。
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