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光电子技术基础课程设计指导书西安理工大学2023年12月目录第1章 激光测距技术原理11.1 激光的特点1.2 相位法激光测距技术原理第2章 光电池及其应用电路分析.7第3章 热释电传感器及其应用.13第4章 光电耦合器及其应用电路 24第1章 激光测距技术原理 1.1 激光的特点1.激光的亮度高。固体激光器的亮度更可高达1011Wcm2Sr这是由于激光虽然功率有限，但是由于光束极小，于是具有极高的功率密度，所以激光的亮度一般都大于我们所见所有光（涉及可见光中的强者：太阳光），这也是激光可用于星际测量的主线因素所在；2.激光的单色性好。这是由于激光的光谱频率组成单一。3.激光的方向性好。激光具有非常小的光束发散角，通过长距离的飞行以后仍然可以保持直线传输；4.激光的相干性好。我们通常所见到的可见光是非相干光，激光可以做到他们都做不到的事情，比如说切割钢材。在测距领域，激光的作用更是不容忽视，可以这样说，激光测距是激光应用最早的领域（1960年产生，1962年即被应用于地球与月球间距离的测量）。测量的精确度和分辨率高、抗干扰能力强，体积小同时重量轻的激光测距仪受到了大多数有测距需求的公司、机构或个人的青睐，其市场需求空间大，应用领域广行业需求多，并且起着日益重要的作用。1.2 相位法激光测距技术原理：当今市场上主流的激光测距仪是基于相位法的激光测距仪。这是由于基于相位法的激光测距仪容易地就可以克服超声波测距的一大缺陷：误差过大，使测量精度达成毫米级别。而基于此法的激光测距仪重要的缺陷在于电路复杂、作用距离较短（一百米左右，通过众多科学工作者的努力，现在也有作用距离在几百米的相位法激光测距仪）。相位法激光测距技术，是采用无线电波段频率的激光，进行幅度调制并将正弦调制光往返测距仪与目的物间距离所产生的相位差测定，根据调制光的波长和频率，换算出激光飞行时间，再依次计算出待测距离。该方法一般需要在待测物处放置反射镜，将激光原路反射回激光测距仪，由接受模块的鉴波器进行接受解决。也就是说，该方法是一种有合作目的规定的被动式激光测距技术。如下图所示：由图所显示的关系，我们可以知道，用正弦信号调制发射信号的幅度，通过检测从目的反射的回波信号与发射信号之间的相移，通过计算即可以得到待测距离。D=ct/2t=/又有=2nf=N+即D=（N+） *c/(4nf)其中，D是待测距离，也即测距仪与目的物间距离；C是光速，等于m/s（假设光速未受环境影响）；t是往返测距仪与目的物间距离一次的时间；是激光光束往返一次后所形成的相位差；是激光光束往返一次后所形成的相位差局限性半波长的部分；N是相位差中半波长的个数；是调制信号的角频率。由于N的个数在激光飞行之后并不能拟定，所以这就导致了基于相位法的激光测距仪只能测定，相位差中局限性半波长的部分。这就形成了相位法的内伤：最长作用距离固定，由调制光的波长决定。但是从另一方面看，相位法激光测距仪可以准确地测量半个波长内的相位差，这也成就了相位法激光测距仪最为突出的优点：测量精度高，可达成毫米级别。1.2.1 光谱特性光敏电阻的光电导效应不是在任意的光照下都能呈现，只有光子能量大于材料的间接能隙（原子的能级之差）时，光敏电阻才干呈现光电导效应。光敏电阻与入射光光谱之间的特性，称之为光敏电阻的光谱特性。不同光敏材料的光谱特性有很大差异。光敏电阻按材料分类有两种类型：本征型光敏电阻和掺杂型光敏电阻。由于掺杂材料灵活改变了光敏电阻的光谱特性，目前市场上所采用的基本上是掺杂型光敏电阻。其光谱特性及最佳工作波长范围可分为三类：一类是紫外光敏感型光敏电阻，如硫化镉和硒化镉等。另一类是可见光敏感型光敏电阻，如硫化铊等。尚有一类是红外光敏感型光敏电阻，如硫化铅等。常见的光敏电阻有硫化镉光敏电阻、硫化铅光敏电阻、锑化铟光敏电阻、碲镉汞系列光敏电阻等。特别提醒的是：硫化镉与人眼的光谱光视效率曲线的范围和峰值波长(555nm) 非常接近，因此可用于与人眼有关的仪器，例如照相机、照度计、光度计等。图1-3 光敏电阻的光谱特性曲线1.2.2 照度特性在光敏电阻上加上一定电压时，光敏电阻的光电流或光电阻与入射光照度之间的关系称为光敏电阻的照度特性。CdS光敏电阻在恒定电压作用下的光照特性曲线如图1-4所示，当照度很低时，曲线近似为线性，随着照度的增高，线性关系变坏，当照度很高时，曲线近似为抛物线形。图中，曲线的斜率表达的是光敏电阻的转换效率（入射光辐射与光生电流）。在光电测量场合下，对照度曲线线性度规定较高；但在光电开关应用中，对线性度规定不高。图1-4 硫化镉光敏电阻的光电特性曲线1.2.3 响应时间光敏电阻在光照时，光生载流子的产生或消失都要通过一段时间，这就是光敏电阻的响应时间，它反映了光敏电阻的惰性。光敏电阻的响应时间约为10-210-3s，与其他光电器件相比，其响应时间是最慢的。CdSe光敏电阻的响应时间约为10ms，CdS的响应时间约为100ms。因此，光敏电阻通常都工作于直流或低频状态下。1.2.4 温度特性温度特性温度变化影响光敏电阻的光谱响应，同时，光敏电阻的灵敏度和暗电阻都要改变，特别是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。图1-5为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线，它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此，硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。对于可见光的光敏电阻，其温度影响要小一些。图1-5 硫化铅光敏电阻的温度特性1.3 光敏电阻的应用光敏电阻可将光转换为电信号，是一种典型的光电器件，但光敏电阻和其它半导体光电器件相比有以下特点：（1）光谱响应范围相称宽。根据光电导材料的不同，光谱响应可从紫外光、可见光、近红外扩展到远红外，特别对红光和红外辐射有较高的响应度。（2）工作电流大，可达数毫安。（3）所测光强范围宽。既可测强光，也可测弱光。（4）灵敏度高。光导电增益大于1。（5）偏置电压低，无极性之分，使用方便。其缺陷是在强光照射下光电转换线性较差。光电驰豫过程较长，频率响应很低。光敏电阻在农业生产和发展生活方面，重要用在自动控制装置和光检测设备中，如生产线上的自动送料、自动门装置、应急自动照明、自动给水与停水装置、生产安全装置、烟雾火灾报警装置等方面，还广泛应用于自动灯塔、劳动保护、照度测量、电子娱乐及家用电器等方面。1.3.1 光敏电阻的应用电路分析（1） 光敏电阻在自动灯塔中的应用电路分析如图1-6所示电路为光敏电阻在自动灯塔中的应用电路电子萤火虫电路原理图。由于检测的是白光的亮度，检测电路中选用CdS光敏电阻（其响应波长为可见光区）。电路由三部分组成：第一部分为光敏电阻RP1、VR1和开关管8050构成的测光与开关电路；第二部分为时基电路NE555、R1、VR2、C2构成的单稳态触发电路；由D1、C1、D3、D2、C4、D4构成的执行电路。图1-6 光敏电阻在灯塔中的应用电子萤火虫电路当光敏电阻所处环境的光线暗到一定限度时，光敏电阻的阻值增大，由RP1和VR1构成的分压电路可使Q1的基极电压低于开关管8050导通所需的0.7V电压，三极管8050截止，U1（NE555）所构成的单稳态触发电路正常工作，U1-输出脉冲信号。当U1-输出高电平时，经D2、C4形成充电电路，有适当电流流过D2，D2就会发光，并且随着充电时间推移，电流呈指数规律快速减小，发光管D2发出的光也由强到弱变化。同时，C1 经D3与U1-形成放电电路。当U1-输出低电平时，经D1、C1形成充电电路，有适当电流流过D1，D1就会发光，也会出现由亮到暗的变化，发光管D1发出的光也由强到弱变化。同时，C4经D4与U1-形成放电电路。这样，U1-输出的脉冲电压的作用下，发光管D1和D2呈现由亮到暗的荧光变化效果。当光敏电阻所处环境的光线亮到一定限度时，Q1的基极电压高于0.7V，开关管8050导通，U1-电位被固定为低电压，U1构成的单稳态触发电路不能正常工作。U1-则不能输出脉冲信号，由于电容的隔直作用，发光二极管不能发光。（2） 光敏电阻在烟雾火灾报警装置中的应用火灾检测报警器电路图1-7所示为采用光敏电阻作为检测元件的火灾检测报警电路图。电路检测的是火焰（辐射的波长为红外波长2m左右），所选用的光电检测器件为PbS光敏电阻（其响应波长为红外区）。电路由三部分组成：一部分由Q1、电阻R1、R2、恒压二极管D1和光敏电阻RP1（构成光敏电阻的恒压偏置方式）构成性能稳定的红外光波检测电路。一部分由Q2和Q3等构成的交流信号放大电路。第三部分为R9和D2构成的光报警电路。图1-7 火焰检测报警器电路当被检测物体的温度高于燃点或被检测温度（光敏电阻相应的阻值）时，物体将会发出红外辐射光，当辐射光被光敏电阻接受时，Q2-2将有适当的交变信号输入，放大器放大后，驱动发光二极管D2工作。当无燃点时，光敏电阻呈现很大的电阻，Q1-3不会产生交变信号，后续电路就不会产生动作。1.3.2 光敏电阻的应用电路设计（1） 光敏电阻在劳动保护中的应用光线照度提醒电路课题规定：当光线暗到一定限度（可调），采用声、光提醒；否则，没有任何动作。设计环节： 拟定系统电路原理框图：由光电器件实时感应光线的变换，产生相应的电信号输出；此信号作为脉冲发生电路的启动信号，报警设备发光二极管（光）和蜂鸣器（声）在脉冲信号的驱动下，产生声光提醒。光线感应电路声光驱动电路脉冲产生电路 设计单元电路：光线感应电路：由于感应可见光的亮暗限度，实现开关的动作，电路设计中运用开关管的阈值来实现。可以运用施密特触发器（输出带整形电路）实现，当施密特触发器的输入为逻辑量“1”和逻辑量“0”时，分别实现开关动作。光线感应电路中可运用光敏电阻和外加电阻（可调）的分压电路实现节电处电压的高低，从而实现高低电平，实现不同逻辑输入。脉冲发生电路：运用RC充放电实现高低电平的输出，外加施密特整形电路实现脉冲的输出，采用施密特触发器实现脉冲电路的发生电路。由于电路需要声光提醒，而声光提醒信号的频率规定不同，所以，在电路脉冲发生电路中采用两级脉冲发生电路。声光驱动电路：由于声光提醒电路所用的发光二极管和无源扬声器所需的驱动电流一般较大，同时，为了避免输出信号的变化，对前级数字电路逻辑的影响，故在输出级，采用开关管9014实现输出输入隔离和提高驱动能力的效果。设计电路图如1-8所示。图1-8 光敏电阻在劳动保护中的应用光线照度提醒电路（2） 光敏电阻在家电中的应用延迟节能灯电路光敏电阻在楼道（楼宇）中的应用，当光线暗到一定限度，当电路中探测到话音的时候，受控源（照明灯）的开关闭合，并延迟一定期间断开，为人们的行动带来方便。具体的设计方法讨论，设计后的电路原理图见图1-9所示。图1-9 光敏电阻在延迟节能灯中的应用电路参考文献：1 宋吉江，牛轶霞. 光敏电阻的特性及应用. 微电子技术. 2023年，第28卷第1期：5557.2 杨墨.刘廷丽. 光敏电阻在火灾报警器中的应用. 北华航天工业学院学报. 2023年，第17卷第1期：68.3 贾 虎. 综合性实验一“CdS光敏电阻光照特性的测试与应用的设计. 物理与工程.2023年，Vo118 No1 ：3942.第2章 光电池及其应用电路分析2.1 光电池的功能与结构光电池就是一个大面积的PN结，来接受更多的入射光。光电池的制作材料有许多种，例如硅、硒、锗、硫化镉、砷化镓，其中最常用的是硅光电池。硅光电池是用单晶硅组成，在一块N型硅片上扩散P型杂质，形成一个扩散P+N结；或在P型硅片上扩散N型杂质，形成N+P结；再焊上两个电极。P端为光电池正极，N端为光电池负极，作为光电检测器在地面技术上使用最多的是P+N型，如国产2CU型。N+P型硅光电池具有很强的抗辐射能力，在空间技术上应用，作为航天的太阳能电池，如国产2DU型。作为太阳能电池使用时，为提高其输出功率，可将硅光电池单体经串联或并联构成阵列结构；作为光电检测器使用时，可按不同测量规定制作。图2-1是硅光电池结构示意图，上电极为栅状受光电极，栅状电极下涂有抗反射膜，用以增长透光，减小反射，下电极是一层衬底铝。 图2-1 硅光电池结构示意图光电池是一种不需外加偏置电压，就能将光能直接转换为电能的PN结光电器件。当光照射PN结的一个面时，电子空穴对迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势，一般可产生0. 2V0. 6V 电压、50m A电流。图2-2 光电池工作原理图2.2 光电池的特性参数2.2.1 伏安特性光电池的伏安特性表达的是输出电流和输出电压随负载电阻变化的曲线。伏安特性曲线是在某一光照度下，取不同负载电阻值所测得的输出电流和电压的特性。光电池的伏安特性曲线如图4-3所示。负载的斜率由负载电阻决定，负载线与伏安特性曲线的交点为工作点负载电阻R从硅光电池获得的最大功率为Pm = Im * Um。在一定的照度下，光电池的伏安特性曲线在横轴的截距，代表该照度下的开路电压Uoc。曲线在纵轴的截距，代表该照度下的短路电流Isc。硅光电池的Uoc一般为0.450.6V，最大不超过0.756V，由于它不能大于PN结热平衡时的接触电势差。硅单晶光电池短路电流为3540mA。图2-3 光电池的伏安特性曲线2.2.2 光照特性光电池在不同的光强度照射下可以产生不同的光电流和光生电动势。图4-4显示的便是光电池的光照特性曲线。可以看到，短路电流在很大范围内与光照度成线性关系，而开路电压与光照度关系是非线性关系，在照度位2023lx下趋于饱和。因此，光电池作为测量元件使用时，一般不作电压源使用，而作为电流源的形式应用。短路电流是指外接负载RL相对内阻很小时的光电流，实验证明: 负载电阻RL越小，光电流与光照强度之间的线性关系越好，线性范围越宽。总之，负载电阻越小越好。图2-4 光电池光照特性2.2.3 光谱特性不同材料的响应波长范围、峰值波长、积分灵敏度都由于不同的半导体材料的禁带宽度不同存在差异，如表4-2所示。硅光电池的光谱响应峰值在0.80.9m附近，波长范围（0.41.2）m，硒光电池光谱响应峰值在0.55m 附近，波长范围（0.380.75）m。锗光电池光谱响应峰值在1.41.5m硅光电池可以在很宽的波长范围内应用。表2-2 光电池的灵敏度和响应波长与材料的关系硒光电池的最大特点是其光谱特性与人眼的视觉函数比较接近，模拟人眼的检测比较方便，但稳定性差，灵敏度低，且寿命较短。而硅光电池灵敏度高，稳定性好，且寿命长，所以可见光照度计电路设计中优先采用硅电池，但要用可见函数滤光片进行光谱特性的修正才干测量照度。2.3.4 频率特性频率特性指光电池相对输出电流与光的调制频率之间关系。从图4-5中得知：硅、硒光电池的频率特性不同，硅光电池有较好的频率响应，硒光电池较差。在一些测量系统中，光电池作为接受器件，测量调制光（明暗变化）的输入信号，所以高速计数器的转换一般采用硅光电池作为传感器元件。这也是硅光电池在所有光电元件中最为突出的有优点。图2-5 光电池的频率特性硅光电池的响应时间在10-310-6s之间，光电转换效率高，国产的器件大多在17左右，而美国在2023年终研制出转换效率为20.1的太阳能电池。硅光电池在100mW/cm2的入射光照射下，其开路电压为450600mV，短路电流为1630mA，光电转换效率为612。部分国产2CR硅光电池的重要技术参数如表2-1所示。表2-1 部分国产2CR硅光电池的技术参数表2.3 光电池的应用电路分析与设计光电池的应用重要有两个方面，用作检测光强的检测型光电池和用作电源的功率型光电池。用于光电检测器件的光电池，具有光敏面大，反映速度快，光电流随照度线性变化，工作时根据需要外加偏压等特点，常用于近红外探测器、光电耦合器、光电开关、光栅测量技术、激光准直等场合。用于电源使用的光电池，重要是直接把太阳的辐射能转换为电能，也称作太阳能电池。太阳能电池不需要燃料，没有运动部件，也不排放气体，具有重量轻、工作性能稳定，光电转换效率高，使用寿命长，不产生污染等优点，在航天技术、气象观测工农业生产乃至人们的平常生活方面都得到了广泛的应用。实际应用时，把硅光电池单体串联、并联组成电池组，与镍镉电池组配合，作为卫星、微波站、野外灯塔、航标灯和无人气象站等无线电线路地区的电源使用。2.3.1 基于光电池的照度计电路分析在同一片光电池上，当光照强度一定期，短路电流与受光面积成正比，开路电压与受光面积的对数成正比。当光电池做检测器时，通常以电流源形式使用。开路电流是指将光电池输出端短路，输出电压为零时，流过光电池两端的电流，实际使用上都是外接有负载电阻的，当外接电阻相称于光电池内阻为很小时，可以认为接近于短路，此时，可选用适当的负载，以保证用作检测器时，光电流与光强度保持线性关系。实验表白，在较低的照度范围（10lx）内，光电池的开路电压与光照度为对数关系，而短路电流与照度有良好的线性关系，所以大多数情况下都以测量光电流为主，并且为保证良好的线性关系，应尽量用较小的外部电阻和低照度（10lx），在照度大的场合，应当采用已知倍率的中性衰减片来扩大量程。图2-6 基于硅光电池的可见光照度计电路原理图可见光照度计电路系统（见图2-6）中，光电池D1与R1、R2以及VR1构成串联回路（后续放大电路的输入电阻较大），负载电阻的取值较小，光电池的输出特性中，回路电流与光照度近似于线性关系。由LM358构成差动放大电路，克制噪声的干扰，对光照信号进行低噪声放大，将信号电流转换为信号电压，通过数字表头将光照度予以显示。2.3.2 基于光电池的太阳能草坪灯电路设计运用光电池将太阳能变成电能，目前重要用硅光电池，在实际应用中，将硅光电池单体经串联、并联组成电池组，与镍镉蓄电池配合，作为野外灯塔、航标灯等系统的电源系统。基于硅光电池的太阳能草坪灯的设计就是一种典型光电池做能量转换器的应用。根据硅光电池的类型，选择一种最佳负载，在太阳光的照射下，运用蓄电池的蓄电效应形成最大效能的蓄电。在光线暗到一定限度，光电池回路开路，运用蓄电池对草坪灯进行能量的供应。鉴于此，电路系统中应设立开关电路，在太阳光充足的情况下，光电池对蓄电池进行充电，后续电路处在断开状态；当光线局限性时，开关电路闭合，由蓄电池与照明灯构成回路，光电池运用与之串联的二极管构成单向开关电路而开路，蓄电池为照明灯提供电源。图2-7就是基于硅光电池的太阳能草坪灯电路原理图。图2-7 基于硅光电池的太阳能草坪灯电路原理图参考文献：1 王士峰，赵馨，崔宇. 国产2CR型光电池工作特性及应用.长春理工大学学报. 2023年6月.第29卷第2期：P1417.2 陈中儒. 光电传感器光电池. 科技资讯. 2023年.06期：P67.3 肖韶荣，朱平，赵艳清. 基于硅光电池的色度测量系统设计. 中国测试技术. 2023年5月.第34卷第3期:P2023.第3章 热释电传感器及其应用3.1 热释电传感器的工作原理 热释电红外传感器的原理基于：任何高于绝对温度的物体都会发出红外线，例如人体、火焰、冰等都会辐射出红外线，但不同的物体所辐射的红外线及能量随波长的分布是不同的。物体的表面温度越高，它辐射的能量就越强。根据不同物体及不同温度体发出的红外光谱不同，可对不同目的进行红外检测和判别。人体的正常温度为3637，所辐射的红外线波长为910（属于远红外线区）。加热到400700的物体，其辐射出的红外线波长为35（属于中红外线区）。这里说明的是，光电二极管和光电三极管可检测可见光及红外线，但其红外线光谱范围为0.451.1，重要用于近红外区。热释电红外传感器是中、远红外线检测器。中、远红外线（320m）不受周边可见光的影响，故可在各种环境光的条件下进行测量；大气对某些特定波长范围的红外线吸取甚少，其波长范围为22.6、35、814，这三个波段称为“大气窗口”，如图3-1所示。它适合于航空、航天的遥感及遥测场合应用。图3-1 大气透光窗口热释电红外传感器由高热释电系数的锆钛酸铅陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘钛等铁电体配合滤光片构成。滤光片（其特性见图3-2所示）用于采集所需波段的红外线，滤掉其他波段的红外线自和自然界中的白光信号；高热释电系数的传感元件用于压变信号的产生。此外，其内部还匹配了低噪声结型场效应晶体管，用于实现阻抗变换、信号放大。热释电传感器结构图如图3-3所示。光线从窗进入，通过滤光片到达热释电元件，从而产生电信号，电信号通过引线输出。 图3-2 某种滤光片的透过谱图3-3 热释电传感器的结构热释电红外传感器采用被动式红外传感技术，即用非接触方式来检测人体或其他物体的红外线，克服了积极式红外传感技术不能分辨运动着的生物体与非生物体的缺陷，避免了积极式技术由于不明物体遮挡红外发射机的光路而导致的误报，并且具有检测温度范围大，在整个光波范围内频率响应均匀，重要探测中、远红外线，不受可见光的影响，不必设光源等优点。近年来广泛用于温度测定、火灾预警、不同物体的辨认、人的保安和防范、自动门、自动灯等领域。3.2 热释电传感器的性能指标热释电传感器可探测移动人体，同时也可探测其他物体的变化，如火焰、地窖温度变化等，在不同的应用场合下，对热释电传感器的性能指标有不同的规定。热释电传感器的性能指标有电压响应率、噪声等效功率、比探测度；尚有应用参数：窗口滤光波长、探测区面积、检测波长、检测灵敏度和工作电压，以及工作温度。窗口滤光波长为窗口滤光片透光区，对其他波段的光波（特别是可见光和其他波段的光波）则吸取，透光窗口一般选用黑色环氧树脂，对红外光透过率很高，而对可见光吸取很强。探测区面积为铁电元的面积，应尽量减小其体积，以便减小热容，提高热探测率。检测波长为铁电体能转换的光波波长区。工作温度范围能呈现热释电效应，对热释电材料也有规定。不同于积极式红外传感器，被动红外传感器在室温下使用，探测率高，频率响应宽，红外广范围内响应几乎与波长无光，自身不发任何类型的辐射，隐蔽性好，器件功耗很小，价格低廉。但是，被动式热释电传感器也有缺陷，如： 信号幅度小，容易受各种热源、光源干扰； 被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接受； 易受射频辐射的干扰； 环境温度和人体温度接近时，探测灵敏度明显下降，有时导致短时失灵； 被动红外探测器的重要检测的运动方向为横向运动方向，对径向方向运动的物体检测能力比较差。表3-1 常见热释电探测器的性能参数3.3 热释电红外探测电路虽然被动式热释电红外探头有些缺陷，但运用特殊信号解决方法后，仍然使它在某些领域具有广阔的应用前景。较完整的热释电红外探测电路应涉及：热释电探测器、低频带通放大器、电压比较器及控制电路等单元，如图5-4所示。红外探测电路中通常有两种不同的设计方式，一种采用分离单元电路来实现；一种是采用热释电红外传感器专用控制芯片来实现。图3-4 热释电红外探测电路的组成框图3.3.1 热释电红外传感器和菲涅尔透镜在热释电红外探测器工作时，一定调制频率的红外辐射入射使得热释电晶体温度产生同频率变化，进而极化强度以及面束缚电荷产生同周期变化，产生交变电场，当连接负载并形成回路时，负载两端就产生交变电压信号，便可通过读出电路读出。由于热释电探测元呈现纯容性特性，电容量很小，阻抗很高，高达104M，易受外来噪声的影响，故引入的N沟道结型场效应管应接成共漏形式（即源极跟随器）来完毕阻抗变换，热释电传感器的输出电路降到很低（1050k）。特别指出的是，所有热释电器件都是压电晶体，对声频振动很敏感，入射辐射脉冲的热冲击会激发热释电晶体的机械振动，产生压电振荡，使用时防止压电振动。使用时，注意减震防震和高频辐射。热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。热释电探测元由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的探测元也是有正负极性的，如图3-5所示。使用时D端接电源正极，G端接电源负极，S端为信号输出。图3-5 双探测元热释电红外传感器热释电红外传感器重要有双元型、四元型和温补单元型三种，见表5-2所示。双元型和四元型广泛用于防盗装置中检测人的出现；温补单元型用于辐射高温计、气体分析设备、火焰检测器等。这三种热释电红外传感器中，应用最广泛的是双元型。由于它能检测目的的出现和目的的运动方向。图5-4所示的是双元探测器，它将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，目的是消除因环境和自身变化引起的干扰。它运用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部互相抵消的原理来使传感器得到补偿。市场上还存在有四元探测器，抗干扰能力进一步加强。对于辐射至传感器的红外辐射，热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上，从而使传感器输出电压信号。表3-2 三种典型传感器的指标选用传感器时重要根据应用对象来拟定。多功能传感器内部有定期器；通用型的体积小，价格低；检测人的传感器内部设有滤波电路，可避免误报警。这些装置用户可通过电阻电容的调节任意设定灵敏度和定期时间。菲涅尔透镜（如图3-6所示）根据菲涅尔原理制成，把红外光线提成可见区和盲区，同时又有聚焦的作用，使热释电红外传感器（PIR）灵敏度大大增长。菲涅耳透镜折射式和反射式两种形式，其作用一是聚焦作用，将热释的红外信号折射（反射）在 PIR 上；二是将检测区内分为若干个明区和暗区，使进入检测区的移动物体能以温度变化的形式在 PIR上产生变化热释红外信号，这样 PIR 就能产生变化电信号。实验证明：热释电传感器加上菲涅尔透镜后，其检测距离可由本来的2米增长到10米，提高传感器的灵敏度，扩大监视范围。图3-6 菲涅尔透镜的结构及原理透镜的工作原理是当移动物体或人体发射的红外线进入透镜的监视范围，就会产生一个交替的“盲区”和“高敏感区”，使两个反向串联的热电元是轮流感受到运动物体，所以人体的红外辐射以光脉冲的形式不断改变热释电元件的温度，使它输出一串脉冲信号，若人体静止不动地站在热释电元件前，它会无输出可提高热释电红外传感器的抗干扰性能。3.3.2 带通滤波放大电路两级带通滤波放大电路的设计目的是70dB以上的二级闭环放大增益，带通频率为0.1Hz10Hz。这是由于红外信号幅度很小（1mV左右），只有通过70dB以上的放大才干接受到2.5V的信号（峰峰值）；用于探测运动的人体的设计时，根据人行走的频率计算，电压的频率响应最佳在0.1Hz10Hz之间，这样既可截止过低频率的信号，又可截止较高频率的信号。由于小于0.1Hz的信号易受外界环境温度变化和元件参数改变的影响；又由于噪声电压随着频率的增大而迅速增大，加之当信号频率接近50Hz电源频率时，易受50Hz电磁干扰，因此，大于10Hz的信号将受到严重的噪声和干扰的影响。所以，在电路设计中应根据输出噪声电压变化及信号频带规定，采用带通滤波器消除干扰，提高系统可靠性。第一级滤波器是同相滤波器，输入端直流电平即为传感器输出直流电平，用于实现对传感器小信号滤波放大；第二级滤波器是反相滤波器，其输入直流电平为1/2VREF（窗口电压比较器的中值电平），实现第二级滤波放大和直流电平转移。3.3.3 电压比较器信号通过有源带通滤波放大以后接一个窗口电压比较器，其上、下限电平由基准电压源产生。由于上、下限电平由基准源产生，所以其随电压、温度的波动影响很小，稳定性高。当信号强度在基准电压范围之内，探测器输出高电平，否则输出低电平，提高了电路检测的稳定性。3.3.4 热释电红外传感器专用控制芯片热释电红外传感器专用控制芯片是一种用于接受、放大、解决、控制热释电红外传感器信号的数模混合芯片。目前，常用的热释电红外传感器专用控制芯片类型很多，常见的有BISS0001、CS9803GP、BM8072。下面介绍一种热释电红外传感器专用控制芯的设计原理。模拟电路部分如图3-7所示，由自举偏置电流源、两级二阶带通滤波放大、带隙基准电压源、窗口电压比较器组成，实现红外信号的接受、放大、抗干扰解决、模数转换，最后产生数字电路的有效控制信号。图3-7 芯片模拟部分的整体结构数字电路部分如图3-8所示，由振荡电路、上电复位电路、系统时钟电路、延迟时钟电路、CDS传感器信号解决电路、过零检测电路和控制输出电路组成。振荡电路有两块，一块为系统时钟产生一个16kHz的脉冲信号，一块为延迟时钟电路产生一个随应用场合调节的脉冲信号。上电复位电路是为上电时出现异常中断时产生复位信号，使数字电路回到初始状态；系统时钟电路是产生整个数字电路各部分的同步控制信号。在CDS（硫化镉）传感器信号解决电路中，CDS传感器等效于光敏电阻，屏蔽所有白天接受的有效红外信号，使芯片白天不工作。延迟时钟电路则是实现当红外传感信号消失后，仍然连续支持输出一段时间的有效数字电平驱动负载。图3-8 芯片数字的电路的整体结构3.4 热释电传感器的应用电路分析与常规红外检测器相比，热释电红外监测器具有工作频率范围宽、灵敏度高、合用范围广等优点，可广泛应用于军事、卫星测控、银行、电力等部门。如探测交直流发动机、变压器及类似系统中的过载；运用热释电图像技术进行自然资源监控；代替生物医学领域的积极超声波、电磁波技术；探测易燃气体、大气中不同的有害粒子等。热释电红外传感器从常见的防火、防盗装置到复杂的红外测温仪、光谱仪、热像仪和红外遥感等方面均有实际应用：集成多个热释电红外检测器构成的监测阵列能检测速率；运用热释电红外检测器能无接触测量液面高度；在电力传输和配电装置系统中应用；基于热释电红外检测器的体温计能快速准确地测量温度并实时显示；用热释电红外检测器阵列构成高精度检测的地球传感器；检票通通因公热释电红外检测器对人体无接触检测；热释电红外测温系统能对移动物体进行非接触式温度测量或异常体温报警；用红外发射器和热释电红外检测器构成具有不同功能的检测气体化合物存在和测量气体浓度。3.4.1 基于热释电红外传感器的人体防盗报警电路的分析目前应用最多的是检测人的传感器，广泛用于防盗报警系统、房间自助开灯控制、自动门和其它安全及自动化装置中。国外有把热释电传感器安装在售货机上，当有人接近时机器可以说话。类似的重要应用是安装在工厂危险性机械系统上，防止人太靠近导致危险。图3-9 基于热释电红外传感器的人体防盗报警电路原理图图3-9所示为基于热释电红外传感器的人体防盗报警电路原理图。电路由两部分组成：热释电红外传感器的前置放大与窗口比较器和用热释电红外传感器控制的报警器电原理图。热释电红外传感器选用的是对人体辐射红外光有较高响应度的P2288。运放和比较电路选用四运算放大器LM324构成，其中U1A和U1B组成两级低频带通放大器，前级为高通滤波器，后级为低通滤波器。第一级增益G1（R3R11）/ R11，第二级增益G2（R5R4）/ R4，总增益GG1*G2；U1C和U1D组成双窗口比较器，由R6、R7、R8、R12四个分压电阻（R6R12、R7R8）分别设定U1C的反相输入端和U1D的同相输入端的电平（即电平窗口）。当探测器接受到活动人体的信号时，从U1B输出经低通放大的信号，当该模拟信号电平高于U1C的反相输入端电平或低于U1D的同相输入端电平时，U1C或U1D即输出高电平，经D1、D2 “或”解决后输出，产生报警控制信号。该电路不具有保持功能，只要探测信号消失（如人员停止活动），则模块输出的高电平也立即变成低电平，所以它只能触发后续控制单元工作。当探测到警戒区有人侵入时，Q1的基极有高电平输入，使Q1导通，Q3得到基极驱动而导通，使电源端连接于Q3集电极的U4得到供电而工作，U4A、U4B组成的振荡器输出的方波驱动扬声器发出警声。由于此时Q4得到基极驱动而导通，因此不管探测信号是否消失（Q1是否导通），Q3都得到基极驱动而导通，只有操作人员按下SW1使Q4得不到基极电流而截止，Q3才干截止使系统停止报警。同时，由Q2、R14、R18、C13组成开机延时电路，启动电源时，C13的充电电流使Q2导通，在这段时间内（由R14、R18、C13决定），Q1的基极被对地短路，Q1即使输出高电平不能使Q1导通而报警，操作人员可将报警器开机后运用这段时间离开警戒区。3.5 热释电传感器的应用电路设计3.5.1热释电红外传感器在节能灯控制系统中的应用设计 红外人体热释电传感器能在白天和黑夜都能探测到移动的人体信号，在节能灯控制系统中，当光线暗到一定限度，并且有人路过时，灯开关才闭合，照明一段时间后自动关掉。此电路设计中要有移动人体探测部分和照明灯控制系统两部分组成。第一部分可参照上述基于热释电红外传感器的人体防盗报警系统中探测信号获取电路。第二部分，必须有单稳态触发电路构成脉冲输出电路和光控电路。电路设计中常用NE555时基电路构成单稳态触发电路。运用NE555的复位信号，当光线暗到一定限度，复位信号才有效，当光线较亮时，复位信号无效，NE555电路不工作，NE555的输出始终为低电平，照明灯断开。设计出的热释电红外传感器节能灯控制系统的电路原理图见图3-10所示。图3-10基于热释电红外传感器的节能灯控制系统的应用电路原理图参考文献:1 陈永甫.红外探测与控制电路.北京：人民邮电出版社，2023.2 肖景和，赵健.红外热释电与超声遥控电路.北京:人民邮电出版社,2023.9.3 李建.热释电传感器原理与应用.传感器世界.2023.7：P3537.4 闫军，庄乾章. 热释电红外传感器的类别特性及应用.长春大学学报.2023年12月.第14卷第6期：P2224.5 胡锦，曾宏博，凡金湘. 一种热释电红外传感器控制芯片的设计.宇航计测技 术. 2023年8月. 第26卷第4期：P4751.6 韩芝侠, 淡涛, 黄庆华. 热释电红外传感器的应用.陕西工学院学报.2023年9月. 第19卷第3期：P3941.7 刘舒祺,施国梁. 基于热释电红外传感器的报警系统. 国外电子元器件. 2023年第3期：P1820.8 吕宇强，胡明，吴淼，等. 热红外探测器的最新进展. 压电与声光. 2023年8月.第28卷第4期：P407410.9 杨波，陈忧先. 热释电红外传感器的原理和应用. 仪表技术. 2023年第6期：P6668.10 闫军.国外热释电红外传感器的开发应用.世界产品与技术,1993,71(6):15.11 刘茜，曾立波，雷俊峰等.热释电红外检测器研究探讨.红外（月刊）.2023年第一期：P18.12 孔凡国,伍康敏. 基于热释电探测器的多点监测防盗系统设计.测控技术.2023年第25卷第7期：P7376.13 刘松龄