提高热释电红外感应器灵敏度的分析与对策 |
| 2013-06-07 08:28 作者：张文初 来源：硅谷网-《硅谷》杂志 HV： 编辑： 【搜索试试】
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硅谷网文 据《硅谷》杂志2012年第23期刊文称，热释电红外传感器是一种被动式调制型温度敏感器件，利用热释电效应，通过目标与背景的温差来探测目标。热释电红外传感器在电子防盗、人体探测器领域中，应用很广泛，通过分析热释电红外传感器输出信号的特性，着重通过提高热释电感应器的性能来提高传感器的灵敏度。
随着科技的发展，对人体信号的采集应用越来越广泛，热释电红外感应器由热释电红外传感器、处理电路等组成，一般的设计都是基于软件仿真得到的，其电路形式和参数选定不是很合理，使得热释电红外感应器的灵敏度偏低，而影响感应器的使用效果。本文以热释电红外报警器为例，通过对热释电传感器的特性、处理电路的分析来探讨提高热释电红外感应器的灵敏度的手段和途径。
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，在民用领域的应用也越来越广泛，当前用的最多的是检测人的红外传感器，比如用于防盗报警系统。热释电红外报警器组成框图如图1所示。
图1热释电红外报警器组成框图
在热释电红外探测系统中，传感器是核心器件，必须对它的性能特性详细分析理解，才能在此基础上设计出性能良好的处理电路。本文以常用的RE220B为例，首先介绍热释电红外传感器性能特点，再介绍滤波放大器和其后的信号处理电路。
1RE220B热释电红外传感器简介
RE200B是热释电红外传感器的一种，采用热释电材料极化随温度变化的特性探测红外辐射，并配合双灵敏元互补方法抑制温度变化产生的干扰，提高了传感器的工作稳定性。
图2RE200B典型应用电路原理图
图2为RE200B典型应电路，420°k黑体温度下，1Hz信号频率，接在0.3-3.0Hz带宽、72.5db增益的滤波放大器，输出幅度大于2.5VP-P（典型值为4VP-P），也即RE200B源极输出信号幅度大于60μV，典型值在100μV左右。当然实际的输出幅度与人体与传感器的距离、环境温度等因素有关。人体温度和探测区域背景的温差越大，离传感器越近，输出电信号的幅值将越大。热释电红外传感器输出电信号的频率与人体移动的速度有关，输出信号的频率范围为0．08～3Hz，一般设计时取1Hz为参考频率。工作电流8.5-24μA（VD=10V，Rs=47kΩ，25℃）。
2滤波放大电路的设计
由于传感器输出的电压幅度非常微弱，放大电路的增益应达到70dB左右，也即放大倍数为4000倍，并且微弱的信号容易受到噪声的干扰，甚至有效信号被淹没在噪声中。要减小噪声带来的影响，除了尽量缩短热释电传感器和前置放大电路之间的距离，减少外界热干扰，必须在放大电路中嵌入滤波电路，将噪声电压屏蔽掉，根据热释电红外传感器的信号特点，滤波电路的带宽一般设置为0.3-8.0Hz。根据以上分析滤波放大电路可采用两级放大，前一级采用同相比例放大电路，后一级采用反相比例放大电路，第一级的增益设定为50倍，第二级的增益为80倍，其电路原理图见图3。
图3滤波放大器原理图
由于该带通滤波器的下限截止频率接近于0Hz，利用C3的隔直作用，C3和R3构成高通滤波器，避免对直流的放大，而C2和R4构成低通滤波器，滤除高频噪声。由于信号频率很低，电容的容抗较大，所以R3的阻值应选择大一些。为保证放大电路的增益，考虑容抗对增益的影响，R4的阻值必须大于R3的50倍以上。经计算得到放电电路的指标如下：
上限截止频率：
fH==14.19Hz（1）
第一级放大增益为：
Au1=（2）
取中心频率为f0=3Hz，则Au1≈53；
第二级的增益：
Au2=≈82（3）
计算得电路总增益为72.7dB。鉴于所取的反馈电阻都比较大，运放过大的偏置电流，有可能使运放不能工作在线性区，所以必须选用低温漂、低偏置电流的高性能集成运算放大器。
3影响热释电红外传感电路灵敏度的因素与对策
热释电红外感应器既要求有足够的抗干扰的能力，也要求有足够的灵敏度。影响电路灵敏度的因素主要有元件参数的选择、环境温度、比较电路的门限以及运放的选择。
首先必须考虑信号的低频率特点，电路中电容的容抗不容忽视，如果电阻的阻值过小，将导致与之串联的电容的容抗远大于电阻的阻值，使放大电路的增益减小。所以第一级放大电路与传感器之间最好采用直接耦合，第二级放大电路的电容容量也应尽量大一些。
第二，环境温度对电路的灵敏度影响也很大，不同的季节或不同的地区，调试时的灵敏度可能有比较大的区别。本人在上述电路的调试中，在春季时调试灵敏度很高，能对10米以外的人体移动产生响应，而在炎热的夏天（气温在30度以上），灵敏度大幅下降，只能对1～2米的人体移动产生响应。要避免环境温度的影响，在安装设备时，传感器的受光窗口尽量避免正对强光，报警器应离地面2～2.2米，报警器应远离空调、冰箱、火炉等空气、温度变化比较敏感的地点，也不要安装在有强气流活动的地点。
第三，门限电路的设置也会影响感应器的灵敏度。本例中，在电源电压为5V的情况下，上下门限分别为3.7V和1.3V。过高的门限差将会使感应器的灵敏度降低，当然，过低的门限差会使电路产生误动作，因此R10可选用可调电位器，根据现场的需要进行调节。
第四，高增益是感应器灵敏度的保证。由于传感器的信号微弱，电路必须达到一定的增益才能正常工作，但是高增益将会带来电路的自激，所以要求电源的质量比较高，电源的内阻要求很小，且纹波较小。高增益与滤波要求也是一个制约，增益越高，将导致带宽变宽，对元件参数的选择也变得很难。基于这个原因，第二级放大电路实际上也是一个带通滤波器，对信号进行二次滤波。
4结束语
通过分析热释电红外传感器输出信号特性，对滤波放大器的参数进行合理的选择，经调试验证，对微弱信号在低频时具有较高增益。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。并且本电路的输出信号不但可直接作为报警信号的触发信号，也可连接智能芯片，进行智能控制，例如应用在人数的统计等。 |
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