热释电红外传感控制器

热释电红外传感控制器
1、 实验目的：（1）了解热释电型红外传感器件的工作特性、菲湿耳
透镜的作用。
（2）学习运算放大器作前置多级放大和窗口式电压比
较器、定时积分器等电路组合应用。
（3）掌握热释电红外传感控制器的电路调试方式。
2、工作原理：
本装置电路主要由红外传感器BH、放大器、窗口比较器、开机延时器、输出定

时器及控制输出等电路组成。红外传感器BH 能在较远的距离探测到由人体移动所发出
的微弱红外线，当BH 检测到人体移动所发出的7~14μm 的红外信号后，BH 中的s 脚
便输出极微弱的信号直接送到IC1a 放大器的同相输入端，IC1a 对信号放大约2200 倍后，
再由电容C1 藕合到IC1b 作进一步放大。IC1C、IC1d 构成窗口式电压比较器，当IC1d 输
出电压幅度在UA 和UB 之间时（小于UA，大与UB），IC1c、IC1d 的输出端均无电平输出；
当IC1b 输出电压幅度大于UA 或小于UB 时，IC1C、IC1d 的输出端分别都会有高电平输出，
经二极管VD1、VD2 相互隔离和“或”的作用从P 点输出控制脉冲信号。RW 用于设定
窗口的閾值电平，调节RW 可调节检测器的灵敏度。IC2a 和IC2C等原件是作开机延时电
路（刚开机时，电路各工作点尚还未被建立，P 点电压处于不稳定状态）。由于电容C3
的二端电压不能突变，IC2C的正输入端瞬间为1，故它的输出也为1，通过二极管VD4 向
电容C4 充电，则IC2a 负端也为高电平，输出为低电平，故P 点电平就被箝在低电平上，
保证了输出为低电平。之后随着电容C4 通过R4、R3 的放电，IC2a 的负输入端电位变低
（小于1/2VCC），则输出为高电平，二极管VD2 被截止，此时P 点电平就成了稳定状
态。IC2b 为P 点电压输出比较器。IC2d 等器件构成输出控制电路的积分延时器。改变电
容C5 的容量，则就可改变输出延时的时间。

3． 安装与调试：
在制作热释红外线传感器中，可以边安装边调试，当然也可以全部安装完毕后再作
总调。总之，首先要掌握它的工作原理，然后就能迎刃而解。刚开始可以先不装菲涅耳
透镜进行调试，把手在BH 上作来回移动，IC1b 输出否有较大电平变化，因为IC1a 和IC1b
是该电路前置放大器，增益过高信号会产生漂移，过低会使增益下降，被测距离变近。
所以在调试中一定要二者兼顾，缺一不可。然后再调节Rw，使检测反应最为灵敏。开
机延时时间应略大于P 点电压的稳定时间。输出工作时间的长短要根据实际控制需要
而定。最后加上菲涅耳透镜再作进一步的调整。对红外传感来说不加透镜探测半径较近，
配上透镜后，其探测距离将十倍的增加。
4． 学习与思考：
（1） 在热释电红外传感器中，为什么要加窗口式电压比较器电路？

（2） 热释电红外线传感器可应用在什么地方？
5． 资料与介绍：热释电型红外传感器件。
热释电型红外传感器件是根据某些强介电质材料的热释电效应而制成的一种新颖
传感器，所谓热释电效应是强介电质材料的表面温度发生变化时，这些材料的表面就会
产生电荷的变化。这钟现象在钛酸钡等强介电质材料上表现尤为显著，通常在这类晶体
的上下表面设置电极，并在上表面加以黑色膜，如有红外线间隙地照射，使其表面温度
发生变化，其晶体内部的原子排列也随发生变化，因而引发极化电荷，电极间就有相应
电压输出。
器件简介：
适用制作热释电型红外传感器的光敏材料很多，使用最多的有：陶瓷氧化物
（PbTiO3）钽酸锂（LiTaO3）、硫酸三甘肽（LATGS）及钛锆酸铅（PZT）等。
热释电型红外传感器的结构示意见图（a）所示。传感器的敏感元件是PZT（或其
他材料），在它的上下两面做上电极，并在表面加以一层黑色氧化膜以提高其转换效率。
它的等效电路是一个在负载电阻Rg 上并联一个电容的电压发生器，它的输出阻抗极高
而且输出电压也很微弱，故在器件内附有一个场效应管（FET）加以放大，并达到阻抗

变换的目的，见图（b）
常见热释电型红外传感器的外形见图（c）所示，TO-5 封装的透光镜设在管壳顶部，树
脂封装的透光镜则设在侧面。
根据不同使用需要，热释电型红外传感器的透光窗口使用不同的窗口材料，通常
它们在0.2~20μm 的光谱范围内其敏感度是相当平坦的，且不受可见光的影响。表1
是几种常见透光材料的用途。

不同透光材料的用途

根据热释电红外传感器敏感元件的个数可分为单元件型和双元件两种，双元件型传
感器中有两个反相串联的敏感元件，见图（d）所示。只有一个敏感元件的则称为单元
件型。

双元件型热释电红外传感器具有如下特征：
（1） 当入射的能量顺序地到两个元件时，由于两个元件反相
串联，故输出比单元件型要高2 倍；
（2） 由于两个敏感元件相连接，因此对于同时输出的能量会
互相抵消。由于上述特征，所以双元件型传感器具有下述优点；
1)可以防止因太阳光等非控制红外线所引起的误差或误动作；
2)PZT 元件同时又具有压电效应，所以双元件可消除因振动而引起的误差；
3)可以防止因周围环境温度变化而引起的误差。
菲涅耳透镜：
为了提高热释电型红外传感器的接收灵敏度，通常备需要在传感器上加装菲涅耳透
镜。实验表明，传感器如不装菲涅耳透镜当检测人体走时，检测距离仅2m 左右，而加
菲涅耳透镜后，其检测距离可增加到10m 以上，甚至更远。
菲涅耳透镜的工作原理是将移动物体或人体发射的红外线进入透镜，产生一个交替
的“盲区”和“高灵敏度区”，这样就产生光脉冲。透镜有很多盲区和高灵敏度区组成，
则物体或人体的移动就会产生一系列的光脉冲而进入传感器，从而提高接收灵敏度。物
体或人体移动的速度愈快，灵敏度愈高。目前配上透镜可检测10m 左右，采用新设计
的双重反射型，其检测距离可达20m 以上。
图（e）是涅耳透镜的正面外形图，使用时应将菲涅耳透镜的交点对准传感器敏感元件
的中心如图（f）所示。