熱釋電紅外傳感控制器

熱釋電紅外傳感控制器
1、 實驗目的：（1）了解熱釋電型紅外傳感器件的工作特性、菲濕耳
透鏡的作用。
（2）學習運算放大器作前置多級放大和窗口式電壓比
較器、定時積分器等電路組合應用。
（3）掌握熱釋電紅外傳感控制器的電路調試方式。
2、工作原理：
本裝置電路主要由紅外傳感器BH、放大器、窗口比較器、開機延時器、輸出定

時器及控制輸出等電路組成。紅外傳感器BH 能在較遠的距離探測到由人體移動所發出
的微弱紅外線，當BH 檢測到人體移動所發出的7~14μm 的紅外信號后，BH 中的s 腳
便輸出極微弱的信號直接送到IC1a 放大器的同相輸入端，IC1a 對信號放大約2200 倍后，
再由電容C1 藕合到IC1b 作進一步放大。IC1C、IC1d 構成窗口式電壓比較器，當IC1d 輸
出電壓幅度在UA 和UB 之間時（小于UA，大與UB），IC1c、IC1d 的輸出端均無電平輸出；
當IC1b 輸出電壓幅度大于UA 或小于UB 時，IC1C、IC1d 的輸出端分別都會有高電平輸出，
經二極管VD1、VD2 相互隔離和“或”的作用從P 點輸出控制脈沖信號。RW 用于設定
窗口的值電平，調節RW 可調節檢測器的靈敏度。IC2a 和IC2C等原件是作開機延時電
路（剛開機時，電路各工作點尚還未被建立，P 點電壓處于不穩定狀態）。由于電容C3
的二端電壓不能突變，IC2C的正輸入端瞬間為1，故它的輸出也為1，通過二極管VD4 向
電容C4 充電，則IC2a 負端也為高電平，輸出為低電平，故P 點電平就被箝在低電平上，
保證了輸出為低電平。之后隨著電容C4 通過R4、R3 的放電，IC2a 的負輸入端電位變低
（小于1/2VCC），則輸出為高電平，二極管VD2 被截止，此時P 點電平就成了穩定狀
態。IC2b 為P 點電壓輸出比較器。IC2d 等器件構成輸出控制電路的積分延時器。改變電
容C5 的容量，則就可改變輸出延時的時間。

3． 安裝與調試：
在制作熱釋紅外線傳感器中，可以邊安裝邊調試，當然也可以全部安裝完畢后再作
總調。總之，首先要掌握它的工作原理，然后就能迎刃而解。剛開始可以先不裝菲涅耳
透鏡進行調試，把手在BH 上作來回移動，IC1b 輸出否有較大電平變化，因為IC1a 和IC1b
是該電路前置放大器，增益過高信號會產生漂移，過低會使增益下降，被測距離變近。
所以在調試中一定要二者兼顧，缺一不可。然后再調節Rw，使檢測反應最為靈敏。開
機延時時間應略大于P 點電壓的穩定時間。輸出工作時間的長短要根據實際控制需要
而定。最后加上菲涅耳透鏡再作進一步的調整。對紅外傳感來說不加透鏡探測半徑較近，
配上透鏡后，其探測距離將十倍的增加。
4． 學習與思考：
（1） 在熱釋電紅外傳感器中，為什么要加窗口式電壓比較器電路？

（2） 熱釋電紅外線傳感器可應用在什么地方？
5． 資料與介紹：熱釋電型紅外傳感器件。
熱釋電型紅外傳感器件是根據某些強介電質材料的熱釋電效應而制成的一種新穎
傳感器，所謂熱釋電效應是強介電質材料的表面溫度發生變化時，這些材料的表面就會
產生電荷的變化。這鐘現象在鈦酸鋇等強介電質材料上表現尤為顯著，通常在這類晶體
的上下表面設置電極，并在上表面加以黑色膜，如有紅外線間隙地照射，使其表面溫度
發生變化，其晶體內部的原子排列也隨發生變化，因而引發極化電荷，電極間就有相應
電壓輸出。
器件簡介：
適用制作熱釋電型紅外傳感器的光敏材料很多，使用最多的有：陶瓷氧化物
（PbTiO3）鉭酸鋰（LiTaO3）、硫酸三甘肽（LATGS）及鈦鋯酸鉛（PZT）等。
熱釋電型紅外傳感器的結構示意見圖（a）所示。傳感器的敏感元件是PZT（或其
他材料），在它的上下兩面做上電極，并在表面加以一層黑色氧化膜以提高其轉換效率。
它的等效電路是一個在負載電阻Rg 上并聯一個電容的電壓發生器，它的輸出阻抗極高
而且輸出電壓也很微弱，故在器件內附有一個場效應管（FET）加以放大，并達到阻抗

變換的目的，見圖（b）
常見熱釋電型紅外傳感器的外形見圖（c）所示，TO-5 封裝的透光鏡設在管殼頂部，樹
脂封裝的透光鏡則設在側面。
根據不同使用需要，熱釋電型紅外傳感器的透光窗口使用不同的窗口材料，通常
它們在0.2~20μm 的光譜范圍內其敏感度是相當平坦的，且不受可見光的影響。表1
是幾種常見透光材料的用途。

不同透光材料的用途

根據熱釋電紅外傳感器敏感元件的個數可分為單元件型和雙元件兩種，雙元件型傳
感器中有兩個反相串聯的敏感元件，見圖（d）所示。只有一個敏感元件的則稱為單元
件型。

雙元件型熱釋電紅外傳感器具有如下特征：
（1） 當入射的能量順序地到兩個元件時，由于兩個元件反相
串聯，故輸出比單元件型要高2 倍；
（2） 由于兩個敏感元件相連接，因此對于同時輸出的能量會
互相抵消。由于上述特征，所以雙元件型傳感器具有下述優點；
1)可以防止因太陽光等非控制紅外線所引起的誤差或誤動作；
2)PZT 元件同時又具有壓電效應，所以雙元件可消除因振動而引起的誤差；
3)可以防止因周圍環境溫度變化而引起的誤差。
菲涅耳透鏡：
為了提高熱釋電型紅外傳感器的接收靈敏度，通常備需要在傳感器上加裝菲涅耳透
鏡。實驗表明，傳感器如不裝菲涅耳透鏡當檢測人體走時，檢測距離僅2m 左右，而加
菲涅耳透鏡后，其檢測距離可增加到10m 以上，甚至更遠。
菲涅耳透鏡的工作原理是將移動物體或人體發射的紅外線進入透鏡，產生一個交替
的“盲區”和“高靈敏度區”，這樣就產生光脈沖。透鏡有很多盲區和高靈敏度區組成，
則物體或人體的移動就會產生一系列的光脈沖而進入傳感器，從而提高接收靈敏度。物
體或人體移動的速度愈快，靈敏度愈高。目前配上透鏡可檢測10m 左右，采用新設計
的雙重反射型，其檢測距離可達20m 以上。
圖（e）是涅耳透鏡的正面外形圖，使用時應將菲涅耳透鏡的交點對準傳感器敏感元件
的中心如圖（f）所示。