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)的自動控制產(chǎn)品，當(dāng)有人進(jìn)入感應(yīng)范圍時，專用傳感器探測到人體紅外光譜的變化，自動接通負(fù)載，人不離開感應(yīng)范圍，將持續(xù)接通;人離開后，延時自動關(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，可見光的波長為380～750nm?？梢姽獾牟ㄩL從短到長依次排序是紫光→藍(lán)光→青光→綠光→黃光→橙光→紅光。波長比紅光更長的光，叫做紅外光，或叫做紅外線(紅外)。紅外光是人們無法用肉眼看見的光線。民部分光線的波長分布如下：

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輻射紅外線，只不過輻射的紅外線波長不同而已。根據(jù)實驗表明，人體輻射的紅外線(能量)波長主要集中在約10000nm左右。根據(jù)人體紅外線波長的這個特性，如果用一種探測裝置，能夠探測到人體輻射的紅外線而去除不需要的其他光波。

就能實現(xiàn)檢測人體活動信息的目的。因此，就出現(xiàn)了探測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。

為清楚說明熱釋電效也現(xiàn)像。以圖示意說明。

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)，在沒有紅外線照射下，熱釋電紅外線傳感器的溫度沒有變化，傳感器表面的電荷處于中和狀態(tài)，正負(fù)電子對等(A)，此時，傳感器沒有輸出(0)。圖l第二階段(T+△T)，有溫度變化時。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。隨著時間的延長，傳感器表面就會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，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，溫度又回到原來的狀態(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(相對而言)過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變化過程剛好相反，是個反過程。

因此，傳感器的輸出信號就是一△V，如圖3所示。同理，隨著時間的延長，傳感器的表面又會重新吸附空氣中的離子，而使傳感器的輸出信號再次為零。

傳感器對人體活動信息的感應(yīng)全過程輸出信號如圖3所示。從傳感器輸出圖中不難看出，傳感器對人體活動的一個動作所輸出的信號是一個完整的波形。在實驗中。如果用放大器把該信號放大，再用示波器觀察就是一個正脈沖和一個負(fù)脈沖。也就是說，傳感器輸出感應(yīng)到的一個移動信號近似于一個完整的l Hz脈沖信號。

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：

1.具有靈敏度高的特點。

2.兩個單元器件反向連接。因此，同時輸入的紅外線會相互抵消，沒有輸出。由此增加了對外部雜散光、環(huán)境溫度變化以及外部震動影響的穩(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就越短。溫度在36～37℃的人體輻射出來的熱能峰值約在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到人體的有或無。

為了在監(jiān)測人體有或無的過程中避免太陽光和照明燈光等光線的影響，通常對熱釋電型紅外線傳感器表面附加上濾光片，同時，由于人體的移動比較緩慢，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、檢測靈敏、探測角度大、感應(yīng)距離遠(yuǎn)等一系列的獨特優(yōu)異功能，已在各個領(lǐng)域里得到了廣泛應(yīng)用。整個紅外線感應(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，以提高探測靈敏度。

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

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

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，才能送到下一級電路。放大器的增益約在70～75dB數(shù)量級。

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。但靈敏度隨之下降;此值小，易受干擾而產(chǎn)生誤動作。當(dāng)放大器的輸出信號到比較器，其幅度達(dá)到比較器的門限值時，比較器輸出脈沖信號，去觸發(fā)延時單穩(wěn)態(tài)電路。這種比較器的設(shè)置，可有效防止噪聲信號及電源網(wǎng)絡(luò)干擾聒造成的誤動作。

5.光控電路 光控電路的作用是利用光敏電阻對光敏感的特性。對輸入到比較器的信號進(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，比較器的輸入信號幅度永遠(yuǎn)達(dá)不到閾值信號所需要的跳變值，所以，比較器就沒有輸出。相反，在晚間，光敏電阻不受光的照射。阻值變得很大，幾乎對比較器的輸入信號不起作用。

這樣就起到晝夜的光控作用目的。

6.延時電路 延時電路有兩種：一種是可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)延時電路。只要電壓比較器有不斷的信號輸出(其實就是在感應(yīng)模塊感應(yīng)范圍內(nèi)，有人不斷地走動或出現(xiàn)、消失)，單穩(wěn)延時電路被不斷地重新觸發(fā)。輸出端保持有效電平，直到最后一個觸發(fā)脈沖消失后，再延長一個單穩(wěn)時間。第二種延時電路是用了兩個單穩(wěn)電路，其目的是提高延時電路的工作可靠性。其原理是：當(dāng)比較器輸出脈沖信號時，第一個觸發(fā)器被觸發(fā)(單穩(wěn)時間較短)，第一個單穩(wěn)電路的輸出觸發(fā)第二個單穩(wěn)態(tài)電路。使其進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，兩個單穩(wěn)電路的輸出一起送下一級電路處理。

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脈沖，也可以輸出低電平延時脈沖：甚至輸出標(biāo)準(zhǔn)的脈沖波形。這就需要對比較器電路輸出的信號進(jìn)行整形處理。

現(xiàn)在市場上，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，也有用通用型運算放大器芯片實現(xiàn)的。由于目前的專用芯片性能不一定比通用的運算放大器芯片制作的感應(yīng)模塊好、加之價格也比較高。所以，筆者在今后的文中。以采用通用的LM324運算放大器，作為實現(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取自R2兩端。第一級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算;fH=1/2×π×R6×C4，將電路中相應(yīng)的元件數(shù)值帶入計算公式可以得出大約為7Hz，下限截止頻率計算公式：fL=1/2×π×C2×R4，經(jīng)計算可以得出約為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。將兩級運算放大器偏置在1/2U(U為電源電壓)處。運算放大器的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)傳感器沒有感應(yīng)到人體紅外線時。放大器A2輸出電壓為1/2U，這是因為A2的同相輸入端電壓取自R8、R9組成分壓電路的中心點電壓，也即l/2U。所以，靜態(tài)時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時，感應(yīng)模塊檢測到人體紅外線后。經(jīng)放大A2輸出相對于l/2U正、負(fù)脈沖信號。

此時，若A2輸出正脈沖信號，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)脈沖信號時，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時，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中任一個輸出低電平時將另一個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)模塊共有三個端子，①腳為輸出端;②腳為電源端;③腳為模塊地。檢測時請按圖9(測試圖)連接好。模塊接上電源時輸出端初始狀態(tài)為高電平，約20秒后模塊恢復(fù)靜態(tài)，此時如有人在模塊前面移動時，模塊能檢測到并同時輸出與感應(yīng)信號相一致的電平。