实验12 热释电红外传感器.doc

实验12
组员：
姓名：张凯凯 学号：00094831110
姓名：张超 学号：00094831153
姓名：俞涛 学号：00094831073
12.1实验目的：
12.1.1、了解热释电红外传感器结构、工作原理及应用。

12.2实验设备和元件：
12.2.1实验设备： 12号热释电红外传感器模块、±12V电源。
12.2.2其它设备：导线若干。

12.3实验内容：
＊12.3.1、利用网络或图书馆等，首先掌握热释电红外传感器原理、型号、使用方法、以及信价比等，整理成不少于3000字的说明书。
人的眼睛能看到的可见光按波长从长到短排列，依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。其中红光的波长范围为0.62～0.76μm；紫光的波长范围为0.38～0.46μm。比紫光光波长更短的光叫紫外线，比红光波长更长的光叫红外线
最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件，红外传感器就是其中的一种。随着现代科学技术的发展，红外线传感器的应用已经非常广泛，下面结合几个收集到的实例，介绍一下红外线传感器的应用。
热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。早 在1938年，有人提出过利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代，随着激光、红外技术的迅速发展，才又推动了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器，它可以作为红外激光的一种较理想的探测器。它目标正在被广泛的应用到各种自动化控制装置中。除了在我们熟知的楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域应用前景看好。比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机。电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的机构。开启监视器或自动门铃上的应用。结合摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动等等。您可以根据自己的奇思妙想，结合其它电路开发出更加优 秀的新产品 、或自动化控制装置。

人体热释电红外传感器和应用介绍
被动式热释电红外探头的工作原理及特性： 一般人体都有恒定的体温， 一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就 是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。人体发射的10UM左 右的红外线通过菲尼尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常 采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会 失去电荷平衡，向外释放电荷，电后续电路经检验处理后即可产生报警信号。
1)这种探头是以探测人体辐射为目标的。所以热释电元件对波长为10UM左右的红外辐射必须非常敏感。
2)为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲尼尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。
3)被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效 应相互抵消，于是探测器无信号输出。
4)一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而报警。
5)菲尼尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产 生不同的监 控视场，视场越多，控制越严密。
在电子防盗、人体探测器领域中，被动式热释电红外探测器的应用非常广泛，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎。
红外幕帘探测器工作原理作：红外幕帘探测器本身不发出任何能量，是靠被动的接收红外能量来工作的。人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体的10UM左右的红外线而进行工作的。人体发射的10UM左右的红外线通过菲尼尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。由于幕帘探测器的菲尼尔透镜是经过特殊处理，所以可以把幕帘的宽度控制在20厘米，也就不影响主人在家的活动。
红外线遥控鼠标器中的传感器在机械式鼠标器底部有一个露出一部分的塑胶小球,当鼠标器在操作桌面上移动时，小球随之转动，在鼠标器内部装有三个滚轴与小球接触，其中有两个分别是X轴方向和Y轴方向滚轴，用来分别测量X轴方向和Y轴方向的移动量，另一个是空轴，仅起支撑作用。拖动鼠标器时，由于小球带动三个滚轴转动，X轴方向和Y轴方向滚轴又各带动一个转轴（称为译码轮）转动。译码轮(见图1)的两侧分别装有红外发光二极管和光敏传感器，组成光电耦合器。光敏传感器内部沿垂直方向排列有两个光敏晶体管A和B，如图2所示。由于译码轮有间隙，故当译码轮转动时，红外发光二极管发出的红外线时而照在光敏传感器上，时而被阻断，从而使光敏传感器输出脉冲信号。光敏晶体管A和B被安放的位置使得其光照和阻断的时间有差异，从而产生的脉冲A和脉冲B有一定的相位差，利用这种方法，就能测出鼠标器的拖动方向 。
照相机中的红外线传感器――夜视功能：红外夜视，就是在夜视状态下，数码摄像机会发出人们肉眼看不到的红外光线去照亮被拍摄的物体，关掉红外滤光镜，不再阻挡红外线进入CCD，红外线经物体反射后进入镜头进行成像，这时我们所看到的是由红外线反射所成的影像，而不是可见光反射所成的影像，即此时可拍摄到黑暗环境下肉眼看不到的影像。
索尼数码摄像机首创了红外线夜视摄影功能，能够在全黑环境下进行拍摄，甚至连肉眼也不能分辨清楚的物体，现在也可以清晰地拍摄下来。这种夜视的特点是可以在完全没有光线的条件下进行拍摄，但由于采用的是红外摄影，无法进行彩色的还原，所以拍摄出来的画面是单色的，影像会变绿。不久之后，索尼又推出了拥有超级红外线夜视摄功能的数码摄像机，红外线功能的慢速快门为2段选择，超级红外线夜摄功能的慢速快门为自动调节，可以获得更好的影像效果。举一个大家都见过的例子，在美国空袭伊拉克时，伊拉克首都大部分地区都处于停电状态，这时除了防空曳光弹和导弹爆炸引起的火光以外就只有月光或星光照明了，能见度极差。我们在电视新闻上看到的从现场传回来的录像片的画面都呈现绿色，说明电视记者在拍摄时使用了红外线夜视仪，导致影像是绿色的，如果不使用红外摄像技术，那么我们从电视画面上将只能听到声音，而看不到任何影响了。
需要注意的：因为红外线夜视摄影仪的前提是数码摄像机能发出人们肉眼看不到的红外光线去照亮被拍摄的物体，所以说它的拍摄距离是有一定限制的，如果摄像机发出的红外线到达不了要拍摄的物体，那么当然就什么也拍不到了 。
红外线传感器在工程上的应用―――红外线轴套扫描器 ：ROTA-SONDE TS 2006 通过光机系统扫描视场，并且无需任何光学调整。它精确测量线材、棒材等生产线的活套大小，甚至对特殊钢或有色金属以及在水汽、烟雾严重的情况下也能可靠工作。 DELTA 的红外传感器TS2006 可用于活套控制、热带材或热板材的对中控制以及在其它很广的应用中提供位置信息

优缺点：
优点：本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好。价格低廉。
缺点：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，不易被探头接收。环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵。

产品分类介绍：
双元探测器： 双元探测器包含两个单元，它们对共同的FET输出是反极性连接的。 型号：Lhi954、Lhi968、Lhi778、Lhi958、Lhi874、Lhi878 四元探测器：四元探测器包含四个单元，两个输出，这两个独立的通道使信号的处理避免错误报警
型号：Lhi1448、Lhi1548、Lhi1148
天花板安装类型：这类探测器具备独特的结构适合天花板安装设计，它们包含两个或者四个不同的单元，同一个FET输出通道。
型号：Lhi906、Lhi1128
单元探测器：这类带FET输出的探测器，具有不同的尺寸，自带热补偿，专门的窄带红外滤波窗口
型号：Lhi807、Lhi807TC、PYS4198、PYS4198TC、PYS3151TC
双通道探测器：这些特殊的设计包含两个单元探测器，TO-5封装。每个单元探测器具备独立的滤波器合输出通道，各种窄带滤波器可以选择。 型号：Lhi814G1/G20、Lhi814G2/G20

12.3.2、实验原理图：

12.3.3、实验步骤：
热释电红外传感器实验电路图如图12——1所示，R1为传感器负载电阻， 传感器输出信号经过C2耦合到运算放大电路IC1，其增益取决于R2和R3 的比值，这里约27倍。经IC1放大的信号经过电容C4耦合到放大器IC2， 其增益为110~10倍之间可变。IC3为电压比较器，平时输出低电平故D1灯 不亮，FM1蜂鸣器不响，当有人走动时，红外传感器信号增大，比较器翻转 输出为高电平D1灯亮，FM1蜂鸣器响起来。
接通12号模块±12V电源，手逐渐靠近热释电红外传感器，D1灯会亮起 来，同时蜂鸣器会响起来。
调节W1可改变IC2放大器的倍数，W2可调节比较器的倍数的阀值电压， 这样可改变热释电红外传感器的灵敏度，故改变了动作距离。

12.4实验结果与讨论
12.4.1、详细记录实验结果。
在将模块与试验台接通后，打开电源开关，之后手靠近热释电红外传感器，达到某个距离时，实验模块便会发出蜂鸣声，然后手逐渐远离实验模块，又在某个一定距离实验模块的蜂鸣器便停止了蜂鸣声。
实验模块上有一个增益调节W1和一个灵敏度调节W2。调节这两个旋钮分别可以调节热释电红外传感器的感应距离和蜂鸣器的鸣叫频率。

12.4.2、简要分析实验中出现的问题及处理方法。
在做实验时有时在没有用手靠近时实验模块上的蜂鸣器也会鸣叫。原因是由于实验模块处于好几人当中当有人走动或做出些其他动作时，恰好进入了实验模块上的热释电红外传感器的感应距离，由此导致了蜂鸣器的鸣叫。还有从网上找到了另外一种可能，由于手触碰了电路部分也有可能导致蜂鸣器的鸣叫。
调试时人体尽量远离感应区域，有时虽然人体不在模块的正前方，但是人体离模块太近时模块也能感应到造成一直有输出，还有调试时人体不要触摸电路部分也会影响模块工作，比较科学的办法是将输出端接一个LED或者是万用表，把模块用报纸盖住，人离开这个房间，等2分钟后看看模块是否还是一直有输出。在工作在室内并且工作环境应该避免阳光、强烈灯光直接照射，如果工作环境有强大的射频干扰，可以采用屏蔽措施。若遇有强烈气流干扰，关闭门窗或阻止对流。感应区尽量避免正对着发热电器和物体以及容易被风吹动的杂物和衣物。

12.4.5、其他实验体会
1：思考题：如何在这个电路基础上制作一个防盗报警器。
被动式红外报警器的结构原理:被动式红外报警器主要由光学系统、热释电红外传感器、信号滤波和放大、信号处理和报警电路等几部分组成。其结构框图如图2所示。图中， 菲涅尔透镜可以将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外探测元上，同时也产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区，以适应热释电探测元要求信号不断变化的特性；热释电红外传感器是报警器设计中的核心器件，它可以把人体的红外信号转换为电信号以供信号处理部分使用；信号处理主要是把传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、延迟、比较，为报警功能的实现打下基础。图3所示的是将待测目标、菲涅尔透镜、热释电红外传感器相结合使用时的工作原理示意图。
工作原理:在该探测技术中，所谓“被动”是指探测器本身不发出任何形式的能量，只是靠接收自然界能量或能量变化来完成探测目的。被动红外报警器的特点是能够响应入侵者在所防范区域内移动时所引起的红外辐射变化，并能使监控报警器产生报警信号，从而完成报警功能。
当人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜被聚焦在热释电红外传感器的探测元上时，电路中的传感器将输出电压信号，然后使该信号先通过一个由C1、C2、R1、R2组成的带通滤波器，该滤波器的上限截止频率为16Hz，下限截止频率为0．16Hz。由于热释电红外传感器输出的探测信号电压十分微弱（通常仅有1mV左右），而且是一个变化的信号，同时菲涅尔透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式（脉冲电压的频率由被测物体的移动速度决定，通常为0．1～10Hz左右），所以应对热释红外传感器输出的电压信号进行放大。本设计运用集成运算放大器LM324来进行两级放大，以使其获得足够的增益。
当传感器探测到人体辐射的红外线信号并经放大后送给窗口比较器时，若信号幅度超过窗口比较器的上下限，系统将输出高电平信号；无异常情况时则输出低电平信号。在该比较器中，R9、R10、R11用做参考电压，两个运算放大器用做比较，两个二极管的主要作用是使输出更稳定。窗口比较器的上下限电压 即参考电压 分别为3．8V和1．2V。将这个高低电平变化的信号 上升沿信号 作为单稳电路HEF4538B的触发信号，并让其输出一个脉宽大约为10s的高电平信号。再用这一脉宽信号作为报警电路KD9561的输入控制信号，来使电路产生10s的报警信号，最后用三极管VT1和VT2再一次对电信号进行放大，以便有足够大的电流来驱动喇叭使其连续发出10s的报警声。
2：这次实验（热释电红外传感器实验）我们对热释电红外传感器有了一定的了解，知道了在实验中要注意什么，去关注什么，实验中的失误去了解原因，去解决，这些过程中是我们进步不少。
通过这次试验我们也知道热释电红外传感器正在被广泛的应用到各种自动化控制装置中。除了在我们熟知的楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域应用前景看好。比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机。电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的机构。开启监视器或自动门铃上的应用。结合摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动等等……。可以根据自己的奇思妙想，结合其它电路开发出更加优秀的新产品，或自动化控制装置。