熱釋電紅外傳感器如何放大電路的設(shè)計(jì)

01、輸出信號(hào)特性及其噪聲分析

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

式中：

f是輸出信號(hào)頻率（Hz ）；

V b 是人體移動(dòng)速度（m/s ）；

f b 是光學(xué)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(duì)于雙敏感元傳感器，標(biāo)準(zhǔn)尺寸為2×1mm 2 ，人體移動(dòng)速度范圍為0.5～5m/s，常用探測(cè)器上使用的菲涅爾透鏡焦距為25mm，由此我們可計(jì)算出傳感器輸出信號(hào)的頻率范圍為0.08～8Hz。由于傳感器輸出的信號(hào)非常微弱，容易受到噪聲的干擾，甚至有效信號(hào)被淹沒在噪聲中。研究發(fā)現(xiàn)傳感器上輸出信號(hào)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(cè)器材料中的電荷載流子的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的。要減小熱噪聲帶來的影響，應(yīng)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(dòng)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(jī)械振動(dòng)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(shè)計(jì)

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

紅外探測(cè)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(fù)載電阻，偏置電壓約為1V。

傳感器輸出直接耦合到低噪聲運(yùn)放（LM324）構(gòu)成的帶通濾波和第一級(jí)放大電路的反向輸入端，再由電阻R6 、電容C8耦合到第二級(jí)反向放大電路進(jìn)行進(jìn)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(guān)，當(dāng)輸入信號(hào)頻率為 1Hz時(shí)，第一級(jí)放大增益約為：

第二級(jí)放大增益為：

計(jì)算得帶寬為15.83Hz，電路總增益為66dB。雙限電壓比較器由四運(yùn)放 （LM324） 的另兩個(gè)放大器構(gòu)成。從前文對(duì)噪聲分析可知，噪聲源最大幅值接近300 μV，經(jīng)兩級(jí)放大電路后，最大噪聲幅值達(dá)到600mV。第二級(jí)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(yīng)設(shè)置為3.1V和1.9 V時(shí)才能有效抗噪聲干擾，即當(dāng)放大器輸出信號(hào)電平大于3.1V或者小于1.9 V時(shí)，比較器輸出高電平，表示探測(cè)到移動(dòng)人體。

03、應(yīng)用原理

物體射出的紅外線先通過菲涅爾透鏡，然后到達(dá)熱釋電紅外探測(cè)器。這時(shí)，熱釋電紅外探測(cè)器將輸出脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)經(jīng)放大和濾波后，由電壓比較器將其與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，當(dāng)輸出信號(hào)達(dá)到一定值時(shí)，報(bào)警電路發(fā)出警報(bào)。