熱釋電紅外傳感器論.doc
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昌吉學(xué)院物理系09屆工科專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 課題名稱: 熱釋電紅外傳感器的應(yīng)用 院(系): 物理系 專 業(yè) : 電氣自動(dòng)化 班 級(jí) : Z0902 組 長(zhǎng) : 孫兵 組 員 : 孫晶 唐媛媛 林軼男 教師(簽字): 唐志航 完成日期 : 2 0 1 1年1 2月 【摘要】 通過對(duì)一個(gè)熱釋電紅外探測(cè)電路進(jìn)行理論分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)試,指出了其不妥之處,針對(duì)性的給出了更為合理的應(yīng)用電路。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,改進(jìn)后的電路工作可靠性提高,適用于日常生活的自動(dòng)照明、自動(dòng)消防龍頭方面。此實(shí)驗(yàn)具有制作簡(jiǎn)單,成功率高,趣味性強(qiáng)等特點(diǎn),通過對(duì)本電路的印制板設(shè)計(jì)和安裝調(diào)試提高了我們對(duì)數(shù)字電路理論的理解,特別是提升了我們實(shí)踐動(dòng)手能力。 【關(guān)鍵詞】 紅外傳感器;電壓比較器;延時(shí)電路;繼電器 目錄: 第一章 概述(熱釋電紅外傳感器原理特性) 第二章 實(shí)際電路的分析及修改 第三章 電路介紹 第四章 制作過程 第五章 通電測(cè)試 第六章 結(jié)束語 第七章 參考文獻(xiàn) 第一章 概述 隨著時(shí)代的不斷進(jìn)步,人們對(duì)自己所處環(huán)境的安全性提出了更高的要求,尤其是在家居安全方面,不得不時(shí)刻留意那些不速之客?,F(xiàn)在很多小區(qū)都安裝了智能報(bào)警系統(tǒng),因而大大提高了小區(qū)的安全程度,有效保證了居民的人身財(cái)產(chǎn)安全。由。 于紅外線是不可見光,有很強(qiáng)的隱蔽性和保密性,因此在防盜、警戒等安保裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。此外,在電子防盜、人體探測(cè)等領(lǐng)域中,被動(dòng)式熱釋電紅外探測(cè)器也以其價(jià)格低廉、技術(shù)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)而受到廣大用戶和專業(yè)人士的歡迎。 目前國(guó)內(nèi)使用的各類防盜、保安報(bào)警器基本都是以超聲波、主動(dòng)式紅外發(fā)射/接收以及微波等技術(shù)為基礎(chǔ)。而這里所設(shè)計(jì)的被動(dòng)式紅外報(bào)警器則采用了美國(guó)的傳感元件——熱釋電紅外傳感器。這種熱釋電紅外傳感器能以非接觸形式檢測(cè)出人體輻射的紅外線,并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào),同時(shí),它還能鑒別出運(yùn)動(dòng)的生物與其它非生物。熱釋電紅外傳感器既可用于防盜報(bào)警裝置,也可以用于自動(dòng)控制、接近開關(guān)、遙測(cè)等領(lǐng)域。用它制作的防盜報(bào)警器與目前市場(chǎng)上銷售的許多防盜報(bào)警器材相比,具有如下特點(diǎn): ●不需要用紅外線或電磁波等發(fā)射源。 ●靈敏度高、控制范圍大。 ●隱蔽性好,可流動(dòng)安裝。 熱釋電紅外傳感器的原理特性 熱釋電紅外傳感器和熱電偶都是基于熱電效應(yīng)原理的熱電型紅外傳感器。不同的是熱釋電紅外傳感器的熱電系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于熱電偶,其內(nèi)部的熱電元由高熱電系數(shù)的鐵鈦酸鉛汞陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘鐵等配合濾光鏡片窗口組成,其極化隨溫度的變化而變化。為了抑制因自身溫度變化而產(chǎn)生的干擾 該傳感器在工藝上將兩個(gè)特征一致的熱電元反向串聯(lián)或接成差動(dòng)平衡電路方式,因而能以非接觸式檢測(cè)出物體放出的紅外線能量變化 并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。熱釋電紅外傳感器在結(jié)構(gòu)上引入場(chǎng)效應(yīng)管的目的在于完成阻抗變換。由于熱電元輸出的是電荷信號(hào),并不能直接使用 因而需要用電阻將其轉(zhuǎn)換為電壓形式 該電阻阻抗高達(dá)104MΩ,故引入的N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)接成共漏形式 即源極跟隨器 來完成阻抗變換。熱釋電紅外傳感器由傳感探測(cè)元、干涉濾光片和場(chǎng)效應(yīng)管匹配器三部分組成。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將高熱電材料制成一定厚度的薄片,并在它的兩面鍍上金屬電極,然后加電對(duì)其進(jìn)行極化,這樣便制成了熱釋電探測(cè)元。由于加電極化的電壓是有極性的,因此極化后的探測(cè)元也是有正、負(fù)極性的。 熱釋電紅外傳感器多用于檢測(cè)人體發(fā)射的紅外線,其檢測(cè)區(qū)呈球形,視角為70度左右。由于敏感元件的輸出阻抗極高,而且輸出電壓極其微弱,故在傳感器內(nèi)部裝有場(chǎng)效應(yīng)管及偏置厚膜電阻(RG、RS),構(gòu)成信號(hào)放大及阻抗變換電路,其內(nèi)部電路如圖1。這種傳感器采用金屬外殼封裝,頂部開有窗口,窗口上裝有源光鏡,它可以防止不需要的紅外線進(jìn)入的傳感器。熱釋電紅外傳感器自身的接收靈敏度較低,一般檢測(cè)距離僅2m左右。配用菲涅爾透鏡后,可使有效檢測(cè)距離達(dá)12m左右。目前自動(dòng)門、自動(dòng)消防水龍頭、電梯、照明控制、防盜報(bào)警等領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。 較為完整的熱釋電紅外探測(cè)電路應(yīng)包括:傳感器,高、低通放大器、電壓比較器、延時(shí)電路及執(zhí)行電路(或電器)等單元。從資料手冊(cè)中查看到如圖2所示的典型應(yīng)用電路,按原圖連接線路后做實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)不能正常工作,進(jìn)分析發(fā)現(xiàn)該電路存在一些不妥之處。 第二章 實(shí)際電路分析及修改 1、1高低通放大器部分 IC1使用廉價(jià)的通用四運(yùn)放LM324,用其中兩個(gè)運(yùn)放組成高、低放大器。按圖2所示參數(shù)計(jì)算得到,第一級(jí)放大器增益為:Av1=R6/R4=220,第二級(jí)放大器增益為:Av2=R10/R9=270,總放大增益為:Av=220*270=59400=95.5dB.我們知道,在運(yùn)算放大電路中,放大倍數(shù)一般不宜取得太大,否則容易引起輸出端波形失真且導(dǎo)致電路自激振蕩。故將R6改為200千歐,將R10改為1兆歐,此時(shí)的總增益為Av=20*100=2000=66dB,比較符合實(shí)際應(yīng)用,能保證電路工作可靠。 1、2電壓比較器部分 LM324 另外兩個(gè)運(yùn)放組成電壓比較檢測(cè)窗口,由R3、R5和R7、R8將高、低通放大器的(3)腳和(5)腳均設(shè)置為1/2Vcc,即3V。當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)到人體的活動(dòng),其產(chǎn)生的微弱電壓信號(hào)經(jīng)過放大,傳送到LM324的(10)腳和(13)腳時(shí),用示波器可以檢測(cè)到峰值約為5V的正弦波,那么無論是信號(hào)的正半周還是負(fù)半周,兩個(gè)比較器中必有一個(gè)輸出為低電平,使IC2的(2)腳由高電平跳成低電平,以便控制延時(shí)電路工作。 而當(dāng)紅外傳感器沒有檢測(cè)到人活動(dòng)時(shí),由靜態(tài)電路可知,該3V直流信號(hào)同時(shí)加到LM324的(10)腳、(13)腳,又知道R11、R12、R13將窗口電壓上、下限設(shè)置為3.4V和2.6V,即(9)腳偏置為3.4V,(12)腳偏置為2.6V。此時(shí),電壓比較器輸出端(8)、(14)均為低電平,而IC2的(2)腳原來經(jīng)R14上拉電阻設(shè)置為高電平,則VD1、VD2都導(dǎo)通,將IC2D (2)腳鉗位成低電平,在圖2電路中,NE555為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,(2)腳一旦有下降沿脈沖觸發(fā),則定時(shí)器就工作,3腳就輸出高電平。既然沒有檢測(cè)到人體活動(dòng),何以末端能輸出高電平,從而驅(qū)動(dòng)后級(jí)的繼電器等電路單元一直工作?所以電路工作不正常。 修改電壓比較器部分后的電路如圖3所示。將兩個(gè)二極管倒個(gè)方向,在其后加一個(gè)開關(guān)三極管,以它的輸出來控制延時(shí)電路。靜態(tài)時(shí),LM324的(8)、(14)均為低電平,開關(guān)管截止,IC2的(2)腳仍為高電平,延時(shí)電路不工作。當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)到人的活動(dòng),在輸入信號(hào)的正半周時(shí),(13)腳的電平高于(12)腳所加的2.6V比較電壓,下比較器由(14)腳輸出低電平,VD2截止,此時(shí)由于(10)腳電平高于(9)腳,上比較器輸出高電平,VD1導(dǎo)通,其高電平使得開關(guān)管飽和導(dǎo)通,將IC2的(2)腳拉成低電平,致使延時(shí)電路工作。在信號(hào)負(fù)半周時(shí),上、下比較器輸出電平剛好相反,即(8)腳輸出低電平,(14)腳輸出高電平,VD2導(dǎo)通??梢?,只要傳感器檢測(cè)到人體活動(dòng),無論是信號(hào)的正半軸還是負(fù)半周,兩個(gè)比較器中必有一個(gè)輸出為高電平,通過開關(guān)三極管從而控制延時(shí)電路工作。 第三章 電路介紹 1.3 開關(guān)電路 如圖所示,在比較器后加上開關(guān)管,整個(gè)電路不但工作可靠,且輸出電流大,能驅(qū)動(dòng)后級(jí)的執(zhí)行電器工作。 1.4 延時(shí)電路 延時(shí)電路IC2使用單時(shí)基電路NE555,延時(shí)時(shí)間t=1.1R16*C8約等于60s。其作用有二。一是為自己離開檢測(cè)區(qū)時(shí)提供一段非報(bào)警延遲時(shí)間,二是在自己進(jìn)入檢測(cè)區(qū)后提供管斷檢測(cè)器所需時(shí)間。延時(shí)電路工作時(shí),輸出的高電平或接通報(bào)警器電源進(jìn)行報(bào)警;或使繼電器吸合。繼電器工作后可控制較大的繼電器以接通電磁閥、小電動(dòng)機(jī)等工控系統(tǒng)的執(zhí)行電路。 1.5 執(zhí)行電路 IC2的(2)腳在無觸發(fā)信號(hào)輸入的靜態(tài)時(shí)保持高電平,當(dāng)有檢測(cè)信號(hào)時(shí),其出現(xiàn)下降沿,使得NE555(3)腳輸出高電平控制信號(hào),可驅(qū)動(dòng)電磁繼電器、固態(tài)繼電器、光耦合器、雙向可控硅及模擬電子開關(guān)等工作。以自動(dòng)照明電路為例,設(shè)計(jì)的執(zhí)行電路如圖4.OUT輸出高電平時(shí),其后的三極管飽和導(dǎo)通,發(fā)射極變?yōu)楦唠娖?,繼電器動(dòng)作,常開開關(guān)吸合,照明燈接通電源后就亮。當(dāng)然,要用于自動(dòng)門、自動(dòng)電梯等,后面還要接電動(dòng)機(jī)。 第四章 制作過程 對(duì)敷銅板進(jìn)行腐蝕,鉆孔,元件焊接 仔細(xì)檢查,反復(fù)調(diào)試進(jìn)行試驗(yàn) 制作印刷電路板通過熱轉(zhuǎn)印機(jī)轉(zhuǎn)印到敷銅板上。 熱釋電紅外傳感器原理圖 熱釋電紅外傳感器PCB板 3D視圖 做版過程 對(duì)敷銅板進(jìn)行腐蝕,鉆孔,元件焊接 仔細(xì)檢查,反復(fù)調(diào)試進(jìn)行試驗(yàn) 制作印刷電路板通過熱轉(zhuǎn)印機(jī)轉(zhuǎn)印到敷銅板上。 敷 銅 板 裁板過程 轉(zhuǎn)印過程 腐蝕過程 焊接過程 第五章 通電測(cè)試 第六章 結(jié)束語 目前,市場(chǎng)上出現(xiàn)的熱釋電人體紅外線傳感器主要有上海產(chǎn)的SD02、PH5324,德國(guó)產(chǎn)的LH1954、LH1958,美國(guó)HAMAMATSU公司產(chǎn)P2288,日本NIPPON CERAMIC公司的SCA02-1、RS02D等。雖然它們的型號(hào)不一樣,但其結(jié)構(gòu)、外型和電參數(shù)大致相同,大部分可以彼此互換使用??傊疅後岆娂t外傳感器的應(yīng)用十分廣泛,如與各種型號(hào)的專用處理集成電路(如CS9803 GP)配套使用,則外圍電路更為簡(jiǎn)單,安裝調(diào)試更為方便,工作更加穩(wěn)定可靠。因?yàn)镃S9803是由振蕩器、計(jì)數(shù)器、PIR檢測(cè)、信號(hào)放大、系統(tǒng)時(shí)鐘、輸出控制等電路組成,代替了圖2中的IC1核IC2部分。不過這樣的話應(yīng)用電路成本會(huì)稍微高一點(diǎn)。 在應(yīng)用中應(yīng)注意的問題: 1、首先要正確判別傳感器的幾個(gè)端子。管腳朝自己,順時(shí)針為D、S、E、;D端接正電源,E端接地,S端輸出正弦信號(hào)送往高、低通放大器。 2、高、低通放大器,一般要求總放大增益為65dB左右比較合適,否則紅外線傳感器探測(cè)距離及反映靈敏度就要打打折扣了。 3、在繼電器線圈兩端要并接一個(gè)續(xù)流二極管。正常工作時(shí),線圈上的對(duì)于上正下負(fù),二極管截至,對(duì)電路沒影響。而在繼電器吸合到斷開的瞬間,與繼電器并聯(lián)的二極管使繼電器線圈在斷電瞬間產(chǎn)生的反電勢(shì)有一泄放電路,可防止繼電器的驅(qū)動(dòng)晶體管為該反電勢(shì)擊穿 第七章 參考文獻(xiàn) 【1】 童 詩 白 .模擬電子技術(shù),第二版[M].北京:高等教育出版社,1999. 【2】 翟貴榮.雙敏感元件——熱釋電紅外傳感器及應(yīng)用[J].Electronics DIY, 2001, (11):15-16. 【3】 孫俊人.新編電子電路大全,合訂本(IV-37)[M].北京:中國(guó)計(jì)量出版社,2001. 【4】 樊尚春.傳感器技術(shù)新發(fā)展[J].世界電子元器件,2002,(12):26-27.- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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