紅外感應(yīng)器工作原理

紅外智能節(jié)電開關(guān)是基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制產(chǎn)品，當(dāng)有人進(jìn)入感應(yīng)范圍時(shí)，專用傳感器探測(cè)到人體紅外光譜的變化，自動(dòng)接通負(fù)載，人不離開感應(yīng)范圍，將持續(xù)接通;人離開后，延時(shí)自動(dòng)關(guān)閉負(fù)載。人到燈亮，人離燈熄，親切方便，安全節(jié)能，更顯示出人性化關(guān)懷。

一、紅外光譜

人們?nèi)庋劭吹靡姷墓饩€叫可見光，可見光的波長(zhǎng)為380～750nm。可見光的波長(zhǎng)從短到長(zhǎng)依次排序是紫光→藍(lán)光→青光→綠光→黃光→橙光→紅光。波長(zhǎng)比紅光更長(zhǎng)的光，叫做紅外光，或叫做紅外線(紅外)。紅外光是人們無(wú)法用肉眼看見的光線。民部分光線的波長(zhǎng)分布如下：

紫光(O.40～0.43μm);藍(lán)光(0.43～0.47μm);青光(O.47～0.50μm);綠光(0.50～0.56μm);黃光(0.56～0.59μm);橙光(0.59～0.62μm);紅光(0.62～0.76μm);紅外(0.76～1000μm);紅外光又可以分為：

近紅外(760～3000nm);中紅外(3000～60000rim);遠(yuǎn)紅外(6000～150000nm)。

自然界中任何有溫度的物體都會(huì)輻射紅外線，只不過(guò)輻射的紅外線波長(zhǎng)不同而已。根據(jù)實(shí)驗(yàn)表明，人體輻射的紅外線(能量)波長(zhǎng)主要集中在約10000nm左右。根據(jù)人體紅外線波長(zhǎng)的這個(gè)特性，如果用一種探測(cè)裝置，能夠探測(cè)到人體輻射的紅外線而去除不需要的其他光波。

就能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)人體活動(dòng)信息的目的。因此，就出現(xiàn)了探測(cè)人體紅外線的傳感器產(chǎn)品。人體紅外線傳感器是根據(jù)熱釋電原理制作而成的。

二、熱釋電原理

人體紅外感應(yīng)傳感器，是利用熱釋電效應(yīng)原理制成的一種傳感產(chǎn)品，什么是熱釋電效應(yīng)呢?就是因溫度的變化而產(chǎn)生電荷的一種現(xiàn)象。

為清楚說(shuō)明熱釋電效也現(xiàn)像。以圖示意說(shuō)明。

圖l是溫度變化曲線示意圖：圖2是溫度變化引起傳感器表面電荷變化狀態(tài)曲線示意圖;圖3是由傳感器表面電荷變化引起的電壓變化輸出曲線示意圖。

圖l開始的階段(T)，在沒(méi)有紅外線照射下，熱釋電紅外線傳感器的溫度沒(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l第二階段(T+△T)，有溫度變化時(shí)。在人體紅外線的照射下，熱釋電紅外線傳感器的溫度如果上升了△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(O)。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件(相對(duì)而言)過(guò)程與溫度上升變化相反，所以，傳感器表而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)就是一△V，如圖3所示。同理，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，傳感器的表面又會(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)中。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)，傳感器輸出感應(yīng)到的一個(gè)移動(dòng)信號(hào)近似于一個(gè)完整的l Hz脈沖信號(hào)。

三、紅外線傳感器

在熱釋電型傳感器中，以前都是使用一元的傳感器，由于一元傳感器受雜散光等因素的影響比較大，應(yīng)用效果比較差。所以，現(xiàn)在普遍使用雙元傳感單元，這種傳感器有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.具有靈敏度高的特點(diǎn)。

2.兩個(gè)單元器件反向連接。因此，同時(shí)輸入的紅外線會(huì)相互抵消，沒(méi)有輸出。由此增加了對(duì)外部雜散光、環(huán)境溫度變化以及外部震動(dòng)影響的穩(wěn)定性(見圖5)。

由于熱釋電型紅外線傳感器的輸入阻抗極高，非常容易引入噪聲。

因此就需要對(duì)傳感器進(jìn)行電磁屏蔽處理，因此采用金屬封裝，外殼接地(圖4、圖5的③腳)。這樣就可以達(dá)到屏蔽雜波噪聲的目的。

在自然界中，所有物體輻射的熱能都與自身的溫度成正比。物體的溫度越高其輻射熱能的峰值波長(zhǎng)就越短。溫度在36～37℃的人體輻射出來(lái)的熱能峰值約在900～1000nm的紅外線，因此，完全可以用熱釋電型紅外線傳感器檢測(cè)到人體的有或無(wú)。

為了在監(jiān)測(cè)人體有或無(wú)的過(guò)程中避免太陽(yáng)光和照明燈光等光線的影響，通常對(duì)熱釋電型紅外線傳感器表面附加上濾光片，同時(shí)，由于人體的移動(dòng)比較緩慢，因此還需要帶有高效率，能夠聚焦的菲涅爾透鏡等配件，才能滿足實(shí)際的使用需要。

四、紅外線感應(yīng)模塊

人體紅外線感應(yīng)模塊具有體積小、使用方便、工作可靠、檢測(cè)靈敏、探測(cè)角度大、感應(yīng)距離遠(yuǎn)等一系列的獨(dú)特優(yōu)異功能，已在各個(gè)領(lǐng)域里得到了廣泛應(yīng)用。整個(gè)紅外線感應(yīng)模塊一般包括熱釋電型傳感器、菲涅爾透鏡、帶通放大器、比較器、光控電路、延時(shí)電路、輸出電路等，如圖6所示。

1.菲涅爾透鏡 透鏡的作用是將人體輻射的紅外線聚焦、集中，以提高探測(cè)靈敏度。

2.熱釋電傳感器 傳感器的功能是將人體輻射出來(lái)的特定波長(zhǎng)的紅外線檢測(cè)到，并產(chǎn)生微弱的信號(hào)。在不用菲涅透鏡時(shí)，探測(cè)距離只有1～2米。使用菲涅爾透鏡后，探測(cè)距離能達(dá)到10米以上，因此，菲涅爾透鏡的作用是提高探測(cè)距離。

3.帶通放大器 由于熱釋電傳感器輸出的電脈沖信號(hào)幅度很小(僅1mV左右)，其頻率約在0.3～l0Hz左右(該頻率視人體的移動(dòng)速度而定)，是超低頻信號(hào)。

因此。需要高增益低噪聲、低頻帶通放大器進(jìn)行高增益放大處理后，才能送到下一級(jí)電路。放大器的增益約在70～75dB數(shù)量級(jí)。

4.比較器 為了有效地抑制噪聲干擾，提高模塊的工作可靠性，降低誤動(dòng)作的概率，感應(yīng)模塊內(nèi)設(shè)置了電壓比較器。電壓比較器一般采用雙限窗口比較器，它有一個(gè)門限電壓(閾值電壓)，一般設(shè)為靜態(tài)噪聲的5倍。此值越大，抗干擾能力越強(qiáng)。但靈敏度隨之下降;此值小，易受干擾而產(chǎn)生誤動(dòng)作。當(dāng)放大器的輸出信號(hào)到比較器，其幅度達(dá)到比較器的門限值時(shí)，比較器輸出脈沖信號(hào)，去觸發(fā)延時(shí)單穩(wěn)態(tài)電路。這種比較器的設(shè)置，可有效防止噪聲信號(hào)及電源網(wǎng)絡(luò)干擾聒造成的誤動(dòng)作。

5.光控電路 光控電路的作用是利用光敏電阻對(duì)光敏感的特性。對(duì)輸入到比較器的信號(hào)進(jìn)行控制。在白天，光敏電阻受到光線的照射。阻值變得很小，如果將該很小的電阻值接在比較器的輸入端，比較器的輸入信號(hào)幅度永遠(yuǎn)達(dá)不到閾值信號(hào)所需要的跳變值，所以，比較器就沒(méi)有輸出。相反，在晚間，光敏電阻不受光的照射。阻值變得很大，幾乎對(duì)比較器的輸入信號(hào)不起作用。

這樣就起到晝夜的光控作用目的。

6.延時(shí)電路 延時(shí)電路有兩種：一種是可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)延時(shí)電路。只要電壓比較器有不斷的信號(hào)輸出(其實(shí)就是在感應(yīng)模塊感應(yīng)范圍內(nèi)，有人不斷地走動(dòng)或出現(xiàn)、消失)，單穩(wěn)延時(shí)電路被不斷地重新觸發(fā)。輸出端保持有效電平，直到最后一個(gè)觸發(fā)脈沖消失后，再延長(zhǎng)一個(gè)單穩(wěn)時(shí)間。第二種延時(shí)電路是用了兩個(gè)單穩(wěn)電路，其目的是提高延時(shí)電路的工作可靠性。其原理是：當(dāng)比較器輸出脈沖信號(hào)時(shí)，第一個(gè)觸發(fā)器被觸發(fā)(單穩(wěn)時(shí)間較短)，第一個(gè)單穩(wěn)電路的輸出觸發(fā)第二個(gè)單穩(wěn)態(tài)電路。使其進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，兩個(gè)單穩(wěn)電路的輸出一起送下一級(jí)電路處理。

7.輸出電路 根據(jù)執(zhí)行電路的不同。紅外線感應(yīng)模塊可以輸出高電平延時(shí)脈沖，也可以輸出低電平延時(shí)脈沖：甚至輸出標(biāo)準(zhǔn)的脈沖波形。這就需要對(duì)比較器電路輸出的信號(hào)進(jìn)行整形處理。

現(xiàn)在市場(chǎng)上，人體感應(yīng)模塊的電路組成形式有多種多樣的，既有專用芯片電路，也有用通用型運(yùn)算放大器芯片實(shí)現(xiàn)的。由于目前的專用芯片性能不一定比通用的運(yùn)算放大器芯片制作的感應(yīng)模塊好、加之價(jià)格也比較高。所以，筆者在今后的文中。以采用通用的LM324運(yùn)算放大器，作為實(shí)現(xiàn)人體紅外線感應(yīng)模塊功能的放大器芯片電路。

五、人體紅外線感應(yīng)模塊的電路原理

圖7的電阻R2是探頭需要的匹配負(fù)載。一般都選用47kΩ。Al、A2組成感應(yīng)模塊的帶通濾波和增益放大器。由它們完成帶通放大器的輸入信號(hào)取自R2兩端。第一級(jí)帶通濾波器的下限截止頻率由R4、C2決定，R6、C4決定帶通濾波器的上限截止頻率。感應(yīng)模塊放大器的電壓增益由R6、R4和Rl0、R7決定。Al、A2都接成反相輸入反饋式放大器：它們的上限截止頻率由如下公式計(jì)算;fH=1/2×π×R6×C4，將電路中相應(yīng)的元件數(shù)值帶入計(jì)算公式可以得出大約為7Hz，下限截止頻率計(jì)算公式：fL=1/2×π×C2×R4，經(jīng)計(jì)算可以得出約為0.3Hz。

放大器的電壓增益可以用反饋電阻R6/R4的比值，然后取分貝對(duì)數(shù)。A1、A2的總增益約70dB。

電阻R3、R5、R8、R9組成偏置電路。將兩級(jí)運(yùn)算放大器偏置在1/2U(U為電源電壓)處。運(yùn)算放大器的A3、A4及周邊元件Rll～R14、VR及D1、D2組成雙限比較器電路。比較器的基準(zhǔn)電壓由Rll～R14分壓決定。運(yùn)放A3的反相輸入端基準(zhǔn)電壓為Vr-=0.55U(U為電源電壓)，同相輸入端電壓Vr+=0.45U。

當(dāng)傳感器沒(méi)有感應(yīng)到人體紅外線時(shí)。放大器A2輸出電壓為1/2U，這是因?yàn)锳2的同相輸入端電壓取自R8、R9組成分壓電路的中心點(diǎn)電壓，也即l/2U。所以，靜態(tài)時(shí)A2輸出電壓介于Vr-與Vr+之間。

因A3同相端電壓大于0.5U而小于0.52U(Vr-)，所以輸出低電平。同樣的道理，A4也輸出低電平。

當(dāng)有人在傳感器前面移動(dòng)時(shí)，感應(yīng)模塊檢測(cè)到人體紅外線后。經(jīng)放大A2輸出相對(duì)于l/2U正、負(fù)脈沖信號(hào)。

此時(shí)，若A2輸出正脈沖信號(hào)，其幅度將大于Vr-(O.52U)，Vr+(0.48U)，因此，A3輸出高電平，A4輸出低電平。比較器輸出高電平。同理，當(dāng)A2輸山負(fù)脈沖信號(hào)時(shí)，A4輸出高電平。A3輸出低電平。由此可見，當(dāng)人體在傳感器前面移動(dòng)時(shí)，比較器中的A3、A4交替輸出高電平，圖7電路圖中的二極管D1、D2是隔離二極管。作用是為了防止A3、A4中任一個(gè)輸出低電平時(shí)將另一個(gè)輸出的高電平短路掉而設(shè)置的，所以起到了隔離作用。在后續(xù)的電路中，可以外接各種執(zhí)行電路。

圖8和圖9分別是產(chǎn)品的外形圖和測(cè)試連線圖，該紅外線感應(yīng)模塊外形尺寸為：20mm×20mm×15mm。電路中采用的是全貼片元件。感應(yīng)模塊共有三個(gè)端子，①腳為輸出端;②腳為電源端;③腳為模塊地。檢測(cè)時(shí)請(qǐng)按圖9(測(cè)試圖)連接好。模塊接上電源時(shí)輸出端初始狀態(tài)為高電平，約20秒后模塊恢復(fù)靜態(tài)，此時(shí)如有人在模塊前面移動(dòng)時(shí)，模塊能檢測(cè)到并同時(shí)輸出與感應(yīng)信號(hào)相一致的電平。