随着信息技术的普及,红外探测技术取得了迅速的发展,并广泛应用于夜视仪、报警、医疗和自动控制等领域。在红外探测系统中,红外传感器是核心器件,它的性能决定了整个红外探测系统的灵敏性,而前置放大电路又是影响红外传感器性能的关键部分。由于红外传感器的响应信号十分微弱,故对前置放大器提出了严格的要求,如低噪、高增、低频特性好及抗干扰强等。

以下针对热释电传感器的输出信号的特点,提出一种新型的高增益、低噪声的前置放大电路设计方案。该方案很好地满足了热释电传感器对前置放大器低噪声、高增益、低频特性好及抗干扰能力强的要求。

一、输出信号特性及其噪声分析

热释电红外传感器输出电信号的幅度和频率主要决定于目标人体的温度、探测区域背景、人体与传感器的距离、人体移动的速度、光学透镜系统的焦距和它的设计方 式。人体温度和探测区域背景的温差很大,离传感器越近,输出电信号的幅值将越大。双敏感元热释电传感器配合菲涅尔光学透镜使用时,输出信号波形电压峰峰值 约为1mV,频率可由下公式计算:

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式中,f是输出信号频率(Hz);Vb是人体移动速度(m/s);fb是光学系统焦距(mm);S是传感器敏感元的面积(mm);L是人体离传感器的距离(m)。对于双敏感元传感器,标准尺寸为2×1mm2,人体移动速度范围为0.5~5m/s,常用探测器上使用的菲涅尔透镜焦距为25mm,由此我们可计算出传感器输出信号的频率范围为0.08~8Hz。

由于传感器输出的信号非常微弱,容易受到噪声的干扰,甚至有效信号被淹没在噪声中。研究发现传感器上输出信号的干扰源主要来自传感器的热噪声、固有噪声、放大器的电压和电流噪声等。热噪声是由探测器材料中的电荷载流子的随机热运动而产生的。要减小热噪声带来的影响,应尽量缩短热释电红外传感器和前置放大电路之间的距离,减少外界热干扰,并在前置放大电路中串入低通滤波电路,限制噪声带宽。传感器的固有噪声电压峰峰值约为50μV,室外热空气流动能够产生接近250μV的噪声,在室内也接近180μV。其他可能存在的干扰,如空间电磁波干扰和机械振动等,噪声幅值接近100μV。三种噪声叠加最大幅值接近300μV。

二、前置放大电路的设计

根据热释电红外传感器输出信号特性,前置放大电路信号处理要从多种噪声干扰中提取有用的微弱信号,故前置放大电路应具有低噪声、高增益、低频特性好、抗干扰能力强等特点。因此,通常由如图所示的包括带通滤波、两级高增益放大、比较电路三个部分组成。

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图1 红外探测前置放大电路设计图

上图中热释电传感器D端和5V电源间串联10kΩ电阻,用于降低射频干扰,G端接地,S端接47kΩ负载电阻,偏置电压约为1V。传感器输出直接耦合到低噪声运放(LM324)构成的带通滤波和第一级放大电路的反向输入端,再由电阻R6 、电容C8耦合到第二级反向放大电路进行进一步滤波、放大。

上限截止频率为:

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下限截止频率为:

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电路增益与频率有关,当输入信号频率为1Hz时,第一级放大增益约为:

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第二级放大增益为:

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计算得带宽为15.83Hz,电路总增益为66dB。双限电压比较器由四运放(LM324)的另两个放大器构成。从前文对噪声分析可知,噪声源最大幅值接近300μV,经两级放大电路后,最大噪声幅值达到600mV。第二级放大电路偏置在VCC/2,即2.5V,因此,双限电压比较器的高低阈值应设置为3.1V和1.9V时才能有效抗噪声干扰,即当放大器输出信号电平大于3.1V或者小于1.9V时,比较器输出高电平,表示探测到移动人体。

三、热释电红外传感器的应用

热释电红外传感器的应用很广,大体可分为定性测量和定量测量两类。

定量测量是测量红外光源的温度T,是一种非接触的测定温度的方法。它的基本依据如下,首先辐射能流密度 ωλ可表示为:

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式中,ωλ为辐射率,相当于对绝对黑体的修正,是一个小于等于1的数;h为普朗克常数;λ为波长,c为光速;k为波尔兹曼常数;T为绝对温度。

由公式可以看出,如果光源辐射率一定,红外传感器与光源相对位置及光学系统固定,则传感器的温度相对于光源温度有一个确定的关系。

实际用斩光板来对光源进行斩光,所以热释电器件的温度时而反映光源温度,时而反映斩光板温度,因而热释电器件输出的脉动电压幅度为以光源温度T,斩光板温度为自变量的两个函数之差。

定性测量是热释电红外传感器最大应用领域。它的基本原理是根据检测物与背景辐射性质的不同、检测目标存在与否。人体的表面温度约为34℃,红外线峰值约为10μm,人体移动产生的信号相应于频率为0.1~10Hz,热释电的方法检测人体与可见光传感器相比,有几个特点,一是利用人体自身发光,不用其它光源,因而工作装置简单、可靠,另外由于红外线不被人感觉,所以具有隐蔽性好的优点。

近些年来,热释电红外传感器除了用于遥感、制导、夜视、主动雷达、热成像、气体分析、辐射计、测温等军事和工业场合外,它在消费电子电器产品中的应用正迅速增长。目前应用最多的是检测人的传感器,比如用于防盗报警系统。

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红外报警器组成框图

物体射出的红外线先通过菲涅尔透镜,然后到达热释电红外探测器。这时,热释电红外探测器将输出脉冲信号,脉冲信号经放大和滤波后,由电压比较器将其与基准值进行比较,当输出信号达到一定值时,报警电路发出警报。其中的前置放大电路采用第一个图1中所设计的方案,通过测试表明信号处理电路低频特性较好,对传感器输出的低频微弱信号有比较高的放大增益,抗噪声干扰能力强。电路设计实验结果也证明该前放信号处理电路配合热释电红外传感器使用时灵敏度高、探测误差率较低。

四、总结

通过分析热释电红外传感器输出信号特性,对设计前放电路的噪声信号进行了分析研究,表明该微弱信号处理电路在低频时具有较高增益,频率特性曲线在1Hz附近比较平坦,对低频信号放大时失真小,3dB带宽只有15.94Hz,能够有效滤除高频干扰,提高信噪比,满足热释电红外传感器输出对信号处理电路设计的要求。但具体应用时,还应充分考虑实际探测环境对传感器输出信号的影响,合理选择、设计信号处理电路,才能减少误差,最大限度的发挥红外传感器的探测作用。

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