傳感器系列1--7請見《電子報》2019年第15--21期8版

紅外線傳感器是將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電能的一種光敏器件，通常稱為紅外探測器。紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、探測器、信號調(diào)理電路及顯示單元等組成，其中探測器是核心。

一、紅外線傳感器基礎(chǔ)知識

（一）紅外輻射知識

紅外輻射俗稱紅外線，它是一種不可見光，由于是位于可見光中紅色光以外的光線，故稱紅外線。它的波長范圍大致在0.76～1000μm，技術(shù)上把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分，即近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外。

紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射。物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，紅外輻射的能量就越強(qiáng)。

紅外輻射在大氣中傳播時，大氣層對不同波長的紅外線存在不同的吸收帶，紅外線氣體分析器就是利用該特性工作的，空氣中對稱的雙原子氣體，如N2、O2、H2等不吸收紅外線。紅外線在通過大氣層時，有三個波段透過率高，它們是2～2.6μm、3～5 μm和8～14 μm，統(tǒng)稱它們?yōu)椤按髿獯翱凇?。這三個波段對紅外探測技術(shù)特別重要，因此紅外探測器一般工作在這三個波段（大氣窗口）之內(nèi)。

當(dāng)物體溫度高于絕對零度時，都有紅外線向周圍空間輻射出來。根據(jù)輻射源幾何尺寸的大小和距離探測器的遠(yuǎn)近，分為點源和面源。沒有充滿紅外光學(xué)系統(tǒng)瞬時視場的大面源叫點源。充滿紅外光學(xué)系統(tǒng)瞬時視場的大面輻射源叫面源。

（二）紅外線傳感器分類和工作機(jī)理

紅外探測器是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)的物理效應(yīng)來探測紅外輻射的。它的種類很多，按探測機(jī)理分為熱探測器和光子探測器兩大類。

1.熱探測器

熱探測器的工作機(jī)理是利用紅外輻射的熱效應(yīng)，探測器的敏感元件吸收輻射能后溫度升高，進(jìn)而使某些有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化，通過測量物理參數(shù)的變化來確定探測器所吸收的紅外輻射。熱探測器的探測率比光子探測器的峰值探測率低，響應(yīng)時間長。熱探測器主要優(yōu)點是響應(yīng)波段寬，響應(yīng)范圍可擴(kuò)展到整個紅外區(qū)域，可以在常溫下工作，使用方便，應(yīng)用廣泛。熱探測器主要有四類：熱釋電型、熱敏電阻型、熱電阻型和氣體型。其中，熱釋電型探測器探測率最高，頻率響應(yīng)最寬。

（1）熱釋電型傳感器的工作機(jī)理

一些晶體受熱時兩端會產(chǎn)生數(shù)量相等、極性相反的電荷，這種由熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的晶體稱為熱電體，又稱熱電元件，常用的材料有單晶壓電陶瓷及高分子。

通常，晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的電荷被附集在晶體表面的空氣中的自由電子所中和，顯電中性。自發(fā)極化隨溫度升高而減小，在居里點溫度降為零。當(dāng)紅外輻射照射到晶體表面時，溫度升高，晶體中的極化迅速減弱，表面電荷減少，這相當(dāng)于釋放一部分電荷，所以叫作熱釋電型傳感器。如果在熱電元件兩端并聯(lián)上電阻就會有電流流過，電阻兩端將產(chǎn)生電壓信號。輸出信號的大小取決于晶體溫度變化的快慢，從而反映出入射的紅外輻射的強(qiáng)弱。可見，熱釋電型紅外傳感器的電壓響應(yīng)率正比于入射輻射變化的速率。

當(dāng)恒定的紅外輻射照射在熱釋電傳感器上時，傳感器沒有電信號輸出。只有熱電元件溫度處于變化過程中，才有電信號輸出。必須對紅外輻射進(jìn)行調(diào)制（或稱斬光），使恒定的輻射變成交變輻射，不斷引起熱電元件的溫度變化，才能使熱釋電產(chǎn)生，并輸出交變的信號。

（2）熱釋電型傳感器的結(jié)構(gòu)

將熱釋電元件、結(jié)型場效應(yīng)管、電阻等封裝在避光的殼體內(nèi)，并配以濾光鏡片透光窗口，便組成熱釋電傳感器。圖1為熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)圖，窗口處的濾光片用于濾去無用的紅外線，讓有用的紅外線進(jìn)入窗口。

圖1 熱釋電紅外傳感器結(jié)構(gòu)圖

由于熱電元件的輸出阻抗極高，而且輸出電壓極其微弱，因此在傳感器內(nèi)部裝有場效應(yīng)管及偏置厚膜電阻(R_G、R_S)，構(gòu)成信號放大及阻抗變換電路。其內(nèi)部電路如圖2所示。

圖2 熱釋電紅外傳感器內(nèi)部電路

    濾光片對于太陽和熒光燈的短波長具有高反射率，而對人體發(fā)出來的紅外熱源有高透過性，其光譜響應(yīng)為6μm以上。人體溫度為36.5℃時，輻射紅外線波長為9.36μm；人體溫度為38℃時，輻射紅外線波長為9.32μm。因此，熱釋電傳感器又稱人體紅外傳感器，被廣泛應(yīng)用于來客告知、防盜報警及非接觸開關(guān)等紅外領(lǐng)域。

2.光子探測器

光子探測器利用某些半導(dǎo)體材料在入射光的照射下產(chǎn)生光子效應(yīng)，使材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，通過測量電學(xué)性質(zhì)的變化，可以確定紅外輻射的強(qiáng)弱。利用光子效應(yīng)所制成的紅外探測器，統(tǒng)稱光子探測器。

光子探測器的主要特點是靈敏度高，響應(yīng)速度快，具有較高的響應(yīng)頻率，但探測波段較窄，僅對長波段有響應(yīng)，一般需在低溫下工作。按照光子探測器的工作原理，分為內(nèi)光電和外光電探測器兩種，后者又分為光電導(dǎo)、光生伏特和光磁電探測器三種。

二、紅外傳感器的應(yīng)用實例

（一）紅外線防盜報警器

圖3 紅外線防盜報警器原理圖

紅外線反射式防盜報警器如圖3所示，ICl為反射式紅外探測組件，其最大探測距離可達(dá)12m。在正常情況下，ICl輸出低電平，不能觸發(fā)IC2工作，揚(yáng)聲器BL不發(fā)聲。當(dāng)有外人進(jìn)入ICI的警戒探測區(qū)域時，ICl發(fā)射的紅外線信號經(jīng)人體反射回來。ICl對該信號進(jìn)行處理后，輸出高電平信號，觸發(fā)IC2工作，輸出音效電信號。該電信號經(jīng)IC3功率放大后．驅(qū)動BL發(fā)出響亮的“狗叫”聲，提示主人有異常情況發(fā)生。

（二）熱釋電自動門控制電路

圖4 熱釋電自動門控制電路原理圖

熱釋電自動門控制電路見圖4，采用熱釋電紅外線探測模塊HN911探測人體移動。MOSFET管VF用作開關(guān)延時控制，調(diào)節(jié)電位器RP可改變延時控制的時間。MOC3020光電耦合器起交直流隔離作用。當(dāng)無人接近自動門時，HN911的l腳為低電平，VF無控制信號輸出，雙向晶閘管VTH關(guān)斷，負(fù)載電動機(jī)不工作，門處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)有人接近自動門時，HN911檢測到人體輻射的紅外能量，l腳為高電平， VTH導(dǎo)通，負(fù)載電動機(jī)工作，打開自動門。當(dāng)自動門運行到位時，由限位開關(guān)SQ切斷電源。HN911的2腳輸出的電平與其1腳電平相反，故可用2腳的輸出控制自動門的關(guān)閉。

（三）紅外線燈光自動控制器

紅外線燈控器由熱釋電紅外線傳感器作為人體接近感知器件，可實現(xiàn)“人來燈亮，人走燈滅”的功能，適用于機(jī)關(guān)、賓館、居民住宅樓樓道及家庭使用。

圖5 紅外線燈光自動控制電路原理圖

紅外線燈光自動控制電路見圖5。ICl是熱釋電紅外傳感器信號處理集成電路，由運算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構(gòu)成。IC1的11腳VDD為電源，7腳為地，1腳接高電平為可重復(fù)觸發(fā)，8腳為參考電壓及復(fù)位輸入端，通常接VDD。當(dāng)熱釋電紅外傳感器檢測到人體紅外信號時，輸出微弱的電信號至ICl的14腳，經(jīng)ICl內(nèi)部兩級放大器放大后，再經(jīng)電壓比較器與其設(shè)定的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，然后輸出高電平，經(jīng)延時處理后由ICl的2腳輸出，驅(qū)動VTl使繼電器K線圈得電，其常開觸點K閉合接通電燈電源，點亮電燈。當(dāng)人離去時，ICl內(nèi)部延遲時間定時器啟動，輸出延遲時間Tx由3腳和4腳外部的R10和C10的大小調(diào)整，其值為Tx≈49152×R10C10，約2分鐘后燈光自行熄滅。

IC1的9腳Vc為觸發(fā)禁止端，當(dāng)Vc＜VR(VR≈0.2VDD)時禁止觸發(fā)，當(dāng)Vc＞VR時允許觸發(fā)。RL為光敏電阻，用來檢測環(huán)境照度。若環(huán)境較明亮，RL的電阻值會降低，使9腳的輸入保持為低電平，從而封鎖觸發(fā)信號。觸發(fā)封鎖時間Ti由5腳和6腳外部的R9和C11的大小調(diào)整，其值為Ti≈24×R9C11。

     哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院   解文軍

     中國聯(lián)通公司哈爾濱軟件研究院   梁秋生