四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文)
2.3.3 热释红外传感器的结构
红外探测器是红外热释传感器的重要组成部分。它可以分成热释电探测器和光子探测器两大类：其中，热释电探测器是电效应工作的探测器，其响应速度虽不如光子型，但由于它可在室温下使用、光谱响应宽、工作频率宽，灵敏度与波长无关，因此其应用领域广，容易使用。常用的热释电探测器如：LiTaO2(钽酸锂)探测器、BaTiO2(钛酸钡) 探测器等。
如图2-1为热释电红外传感器的电路图。传感器的敏感元为PZT，在上下两面做上电极，并在表面加一层黑色氧化膜以提高其转化效率。它的等效电路是一个在负载电阻上并联一个电容的电流发生器，其输出阻抗极高，而输出电压信号又极其微弱，故在管内附有JFET及厚膜电阻，以达到阻抗变大的目的。在管壳的顶部设有虑光镜。
图2-1 热释电红外传感器的电路图
热释电体的自发极化强度与温度有关。随着温度升高，自发极化强度下降。温度升高到Tc时，自极化消失，此温度称为居里温度。温度超过居里温度，铁电体发生变化，从极化晶体变为非极化晶体，极化强度变为零。
由于自发极化，在与极化轴相垂直的晶体两外表面上出现正负极化强度。但是这些面束缚电荷常常被晶体内部或外部的电荷所中和，因而显示不出来。因此不能在静态条件下测量自发极化，但是自由电荷和面束缚电荷所需的时间很长，因晶体自发极化的弛豫时间很短，约10－12s，因此当晶体经受一定频率的温度变化时其体内的自由电荷和外部杂散电荷便来不及中和变化着的面束缚电荷，因此可在动态条件下测量自发极化。
如果在热释电晶体沿极化轴的端面装上电极，那么自发极化在电极上感应的电荷量为：
Q=APS
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当红外辐射照射时，热释电晶体温度升高，自发极化电晶体温度升高，自发极化强度降低，因此电极表面上感应电荷减少，这相当于“释放”了一部分电荷，因此称之为热释电现象。
如图2-2所示的电路连接负载，则在红外辐射时，就有电流流过负载经放大后成为输出信号。
图2-2 热释电传感器的电路连接
若没有经过调制的红外辐射热释电晶体，使温度升高到一个新的平衡值，那么电极表面的感应电荷也变化到新的平衡值，不再“释放”电荷，也就不再输出信号。因此，热释电探测器与其他热释探测器不同，它只存在温度升降的过程中才有信号输出。所以利用热释电探测器探测的红外辐射必须经过调制。
如果用调制频率为f的红外线照射热释电晶体，则晶体的温度自发极化强度（PS）及其引起的面束缚作电荷密度均以频率f作周期变化。如果1/f小于自由电荷中和面束缚电荷所需要的时间，那么在垂直于PS的晶体的两个端面之间就会产生开路电压。如果用负载电阻Rg把两个电极连接起来，就会有热释电电流Is 通过负载。热释电晶体自发极化强度随温度变化，使电极表面感应电荷发生变化，其等效电路如图2-3所示。
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图2-3热释电传感器等效电路
电流源的电流强度为Is为：
IS?APd(?T)dt
式中：p一自发极化强度对温度变化率，称为热释电系数。
2.3.4 菲涅尔透镜
目前人体验知系统中的光调制器一般都采用多元阵列式菲涅尔透镜，它起到红外辐射收集器和调制器的双重作用。热释电传感器只有与菲涅尔透镜配合使用才能发挥最大作用。菲涅尔透镜实际是一个透镜组，每个单元一般都只有一个不大的视场，且相邻的视场既不连续，也不交叉，都相隔一个盲区(如图2-4所示)。这样，当人体在装有菲涅尔透镜的传感器监控范围内运动时，人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜传到传感器上，形成一个不断交替变化的盲区和亮区，使得敏感单元的温度不断变化，传感器从而输出信号，或者说，人体在监控范围内活动时，进人一个视场后，又走出这个视场，再进人另一视场对传感器而言，相当于一会儿看到人，一会儿又看不到人，人体的红外线辐射不断改变传感器的温度，使之有一个又一个相应的电信号。
图2-4菲涅尔透镜外形图
菲涅尔透镜不仅可以形成亮区和盲区，而且还有聚焦作用，其焦距一般在5cm
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左右菲涅尔透镜一般由聚乙烯塑料片制成，呈乳白色半透明状。需要说明的是:在每次接通电源时，传感器要有几秒到十几秒的“预热”时间，在这段时期内该传感器不起作用。
2.4 热释电红外传感器控制电路芯片的选择
热释电红外传感器输出的检测信号很小。要经过放大、比较等几个环节才能输出控制信号。使电路执行相关动作。热释电红外传感器控制电路就是根据检测信号的特点和输出信号的要求，完成上述功能的电路。本套系统采用通用原件构成热释电红外传感器的控制系统。如图2-5是控制电路的结构框图：
Vi 低频放大 比较整形 Vo
图2-5控制电路的结构框图
LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图2-7所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图2-7。
图2-6放大器
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图2-7 LM324的引脚图
LM324的特点： 1.短路保护输出 2.真差动输入级
3.可单电源工作：3V-32V 4.低偏置电流：最大100nA 5.每封装含四个运算放大器。 6.具有内部补偿的功能。 7.共模范围扩展到负电源 8.行业标准的引脚排列 9.输入端具有静电保护功能
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