基于熱釋電傳感器的人體輻射檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

摘要：為解決黑暗環(huán)境中開啟照明裝置所帶來的不便和不安全，設(shè)計(jì)了一種基于熱釋電傳感器的人體熱輻射檢測(cè)電路。闡述了熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了包含有前置放大電路、電壓比較電路、延時(shí)電路和電源電路組成的紅外檢測(cè)系統(tǒng)，分析了檢測(cè)電路的工作原理，提出了檢測(cè)電路的安裝要求。所設(shè)計(jì)的電路性能可靠、成本低、易于安裝，適用于居民家庭、賓館走廊、學(xué)生宿舍、教學(xué)樓道等場(chǎng)合。
關(guān)鍵詞：人體輻射；熱釋電紅外傳感器；照明；信號(hào)檢測(cè)；人身安全

0 前言
近年來，隨著電子信息技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)于生活的信息化、自動(dòng)化要求不斷提高。傳統(tǒng)的照明開關(guān)始終存在著一個(gè)弊端，即在夜晚或光線昏暗的時(shí)候，人們從室外走進(jìn)室內(nèi)時(shí)，需要摸索到開關(guān)然后再開燈，這樣就給人們帶來了極大的不方便和不安全，特別是對(duì)于老人、孕婦，還有孩子們更是如此。如果能將傳統(tǒng)的機(jī)械開關(guān)，光控開關(guān)和對(duì)人體散發(fā)的熱輻射具有感應(yīng)功能的傳感器相結(jié)合，做成一個(gè)能夠自動(dòng)開啟燈光照明的裝置，即當(dāng)人進(jìn)入室內(nèi)時(shí)，傳感器感受人體熱輻射，控制開關(guān)打開燈光，將會(huì)給人們的生活帶來很大的方便。本文利用熱釋電紅外傳感器，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于熱釋電紅外傳感器的人體熱輻射自動(dòng)檢測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體熱輻射的檢測(cè)，為自動(dòng)啟動(dòng)照明開關(guān)提供控制信號(hào)。

1 熱釋電紅外傳感器
在自然界中，任何高于絕對(duì)溫度的物體都能夠產(chǎn)生紅外光譜。波長(zhǎng)1～15 μm稱為近紅外波段，15～50 μm為中紅外波段，50～1000 μm為遠(yuǎn)紅外波段。物體的溫度不同，釋放的紅外光的波長(zhǎng)就不相等，故而，紅外光的波長(zhǎng)與物體溫度的高低是有關(guān)系的。紅外輻射與物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生熱效應(yīng)，能將人眼觀察不到的紅外輻射轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)量的物理量。熱釋電紅外傳感器通常由熱電元件(熱釋電晶體)、濾光鏡片、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管FET、電阻等元器件組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

對(duì)于輻射至傳感器的紅外信號(hào)，熱釋電傳感器通過安裝在前端的菲涅爾透鏡將其聚焦后加至兩個(gè)探測(cè)元上，從而使傳感器輸出電壓信號(hào)。為了對(duì)某一波長(zhǎng)范圍的紅外輻射有較高的敏感度，該傳感器在窗口上加裝了一塊干涉濾波片。這種濾波片除了允許某些波長(zhǎng)范圍的紅外輻射通過外，還能將燈光、陽(yáng)光和其它紅外輻射拒之門外。
熱釋電傳感器采用的干涉濾波片的厚度一般為8～14 μm，而人體輻射紅外線的波長(zhǎng)大約在10 μm左右，因此，傳感器能夠探測(cè)到是否有入進(jìn)入了探測(cè)區(qū)域。由于熱釋電傳感器的輸出阻抗極高，而輸出電信號(hào)微弱，故在其內(nèi)部裝設(shè)FET及偏置電阻，以進(jìn)行信號(hào)放大及阻抗匹配。

2 熱釋電紅外檢測(cè)電路設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)中，選用的熱釋電紅外傳感器為D203S。采用雙靈敏元結(jié)構(gòu)，靈敏元尺寸為2×1mm，工作波長(zhǎng)7～14 μm，視場(chǎng)139°×126°；選用的菲涅爾透鏡為7803矩形鏡片，焦距為20 mm；方向角為89°，探測(cè)距離7m。用于人體熱輻射的紅外檢測(cè)系統(tǒng)由熱釋電紅外傳感器、前置放大電路、電壓比較器、延時(shí)電路和音響報(bào)警電路，電源電路等組成。
2．1 前置放大電路
由于熱釋電紅外傳感器的輸出信號(hào)十分微弱，因此設(shè)計(jì)性能優(yōu)異的前置放大電路就顯得尤為重要。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前置放大電路如圖2所示。

電路的核心為兩片運(yùn)算放大器，采用級(jí)聯(lián)方式提高放大倍數(shù)?？紤]到類似于人體等物體的移動(dòng)信號(hào)為低頻信號(hào)，因?yàn)檩斎胱杩馆^高，容易受到外界電磁干擾，所以電路中采用C4和R8并聯(lián)構(gòu)成一個(gè)低通濾波，防止高頻干擾。保證熱釋電傳感器的有用信號(hào)能被正常放大。傳感器的輸出信號(hào)也以該頻率變化，因此將放大器接成低通形式，截止頻率為45 Hz，兩級(jí)電壓放大倍數(shù)分別為Au1=120，Au2=4，總的放大倍數(shù)為Au=Au1×Au2=480=54dB。