熱釋電紅外傳感器如何放大電路的設計

01、輸出信號特性及其噪聲分析

紅外熱釋電傳感器輸出電信號的幅度和頻率主要決定于目標人體的溫度、探測區(qū)域背景、人體與傳感器的距離、人體移動的速度、光學透鏡系統(tǒng)的焦距和它的設計方式。人體溫度和探測區(qū)域背景的溫差很大，離傳感器越近，輸出電信號的幅值將越大。雙敏感元熱釋電傳感器配合菲涅爾光學透鏡使用時，輸出信號波形電壓峰峰值約為 1 mV，頻率可由下列公式計算：

式中：

f是輸出信號頻率（Hz ）；

V b 是人體移動速度（m/s ）；

f b 是光學系統(tǒng)焦距 （mm）；

S 是傳感器敏感元的面積（mm 2 ）；

L 是人體離傳感器的距離 （m）。

對于雙敏感元傳感器，標準尺寸為2×1mm 2 ，人體移動速度范圍為0.5～5m/s，常用探測器上使用的菲涅爾透鏡焦距為25mm，由此我們可計算出傳感器輸出信號的頻率范圍為0.08～8Hz。由于傳感器輸出的信號非常微弱，容易受到噪聲的干擾，甚至有效信號被淹沒在噪聲中。研究發(fā)現(xiàn)傳感器上輸出信號的干擾源主要來自傳感器的熱噪聲、固有噪聲、放大器的電壓和電流噪聲等。熱噪聲是由探測器材料中的電荷載流子的隨機熱運動而產(chǎn)生的。要減小熱噪聲帶來的影響，應盡量縮短熱釋電傳感器和前置放大電路之間的距離，減少外界熱干擾，并在前置放大電路中串入低通濾波電路，限制噪聲帶寬。傳感器的固有噪聲電壓峰峰值約為50μV，室外熱空氣流動能夠產(chǎn)生接近250 μV的噪聲，在室內(nèi)也接近180μV。其他可能存在的干擾，如空間電磁波干擾和機械振動等，噪聲幅值接近100μV。三種噪聲疊加最大幅值接近300μV。

02、熱釋電紅外傳感器前置放大電路的設計

根據(jù)紅外熱釋電傳感器輸出信號特性，前置放大電路信號處理要從多種噪聲干擾中提取有用的微弱信號，故前置放大電路應具有低噪聲、高增益、低頻特性好、抗干擾能力強等特點。因此，通常由如圖所示的包括帶通濾波、兩級高增益放大、比較電路三個部分組成。

紅外探測前置放大電路

圖中熱釋電傳感器D端和5V電源間串聯(lián)10kΩ電阻，用于降低射頻干擾，G端接地，S端接47kΩ負載電阻，偏置電壓約為1V。

傳感器輸出直接耦合到低噪聲運放（LM324）構(gòu)成的帶通濾波和第一級放大電路的反向輸入端，再由電阻R6 、電容C8耦合到第二級反向放大電路進行進一步濾波、放大。

上限截止頻率為：

下限截止頻率為：

電路增益與頻率有關，當輸入信號頻率為 1Hz時，第一級放大增益約為：

第二級放大增益為：

計算得帶寬為15.83Hz，電路總增益為66dB。雙限電壓比較器由四運放 （LM324） 的另兩個放大器構(gòu)成。從前文對噪聲分析可知，噪聲源最大幅值接近300 μV，經(jīng)兩級放大電路后，最大噪聲幅值達到600mV。第二級放大電路偏置在VCC/2，即2.5V，因此，雙限電壓比較器的高低閾值應設置為3.1V和1.9 V時才能有效抗噪聲干擾，即當放大器輸出信號電平大于3.1V或者小于1.9 V時，比較器輸出高電平，表示探測到移動人體。

03、應用原理

物體射出的紅外線先通過菲涅爾透鏡，然后到達熱釋電紅外探測器。這時，熱釋電紅外探測器將輸出脈沖信號，脈沖信號經(jīng)放大和濾波后，由電壓比較器將其與基準值進行比較，當輸出信號達到一定值時，報警電路發(fā)出警報。