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熱釋電紅外傳感器及其應用

中國光學商情網 2005-09-29 00:00:00

 熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人體發射的紅外線而輸出電信號的傳感器,它能組成防入侵報警器或各種自動化節能裝置。本刊1998年第12期刊登了“超小型熱釋電集成紅外傳感器”一文后,引起廣大讀者的興趣,但由于價格昂貴使不少愛好者及產品開發者望洋興嘆。本文將介紹一種功能完全與該傳感器一樣的熱釋電紅外檢測器,但它的價格較便宜,非常適合廣大愛好者自制家庭防盜報警系統或自動化節能裝置,也適合產品開發人員作二次開發。它的特點是有一個造型漂亮的外殼,內部可裝入防盜報警系統或自動化節能裝置的全部電路,省去制作外殼的時間及勞動。它的外形、尺寸及內部結構如圖1所示。另外,檢測器部分電路調試難度較大,一般愛好者沒有儀器不易調試好而影響整個系統(或電路)的性能,現這部分電路已由工廠裝配、調試、測定,保證性能,解決了制作中的難題。
熱釋電傳感器基本知識
  實質上熱釋電傳感器是對溫度敏感的傳感器。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成,在元件兩個表面做成電極,如圖2所示。在環境溫度有ΔT的變化時,由于有熱釋電效應,在兩個電極上會產生電荷ΔQ,即在兩電極之間產生一微弱的電壓ΔV。由于它的輸出阻抗極高,在傳感器中有一個場效應管進行阻抗變換。熱釋電效應所產生的電荷ΔQ會被空氣中的離子所結合而消失,即當環境溫度穩定不變時,ΔT=0,則傳感器無輸出。當人體進入檢測區,因人體溫度與環境溫度有差別,產生ΔT,則有ΔT輸出;若人體進入檢測區后不動,則溫度沒有變化,傳感器也沒有輸出了。所以這種傳感器也稱為人體運動傳感器。
  由實驗證明,傳感器不加光學透鏡(也稱菲涅爾透鏡),其檢測距離小于2m,而加上光學透鏡后,其檢測距離可增加到10m左右。
 XN-09型熱釋電紅外檢測器
  XN-09型熱釋電紅外檢測器的結構框圖如圖3所示。放大器將傳感器輸出的微弱電壓信號放大,并由濾波電路將雜波濾掉。放大后的電壓輸入電壓比較器的同相端與反相端的基準電壓(閾值電壓)相比較:當人體進入檢測區時,其放大后的信號電壓大于閾值電壓,電壓比較器輸出高電平,當無人體進入檢測區,或者環境溫度有些變化也產生電壓信號,但由于此電壓信號較小,雖也經放大其值小于閾值電壓,比較器輸出仍為低電平。電壓比較器部分的電路圖如圖4所示。
  電壓比較器起到鑒別有無人體進入檢測區的作用,同時也消除環境溫度變化所產生的干擾。溫度補償電路使輸出穩定,有輸出時發光二極管亮。電壓比較器輸出的高電平經驅動器后輸出,輸出電壓大于3V。
  該檢測器主要技術參數:工作電壓85V~12V(直流);靜態電流小于8mA;內部有溫度補償,使輸出穩定;上電后不穩定時間約1分鐘;檢測距離6~10m;水平角度120°;有人體進入檢測區時輸出高電平(大于3V);工作溫度范圍-10℃~+40℃。
  該檢測器有3根接線:紅色接電源正極,棕色(或黑色)接電源負極(地),黃色為信號輸出線(控制線)。
  使用注意事項:檢測器應避開日光、汽車頭燈、白熾燈直接照射,也不能對著熱源(如暖氣片、加熱器)或空調,以避免環境溫度較大的變化而造成誤報;檢測器安裝必須牢固,避免因風吹晃動而造成誤報;傳感器表面不允許用手摸;光學透鏡外表面要定期用濕軟布或棉花擦凈,避免塵土影響靈敏度;安裝高度2~22m,如圖5所示。
  要特別提出的是該檢測器電路板在工廠已調試好,保證檢測距離大于6m。若整個報警系統有問題,請不要調整或改動這部分電路,否則檢測距離就不能保證。
家庭防盜報警系統
  本文介紹一種家用防盜報警系統供愛好者參考。該系統的特點是功能較全、電路簡單可靠、制作方便(無特殊元器件),并且主要元器件都可以郵購。該系統結構框圖如圖6所示。它由三路檢測器經或門后驅動自保繼電器來實現燈光及聲音報警。
電源電路如圖7所示,報警電路如圖8所示。
電源電路:它由不穩壓的約12V(UA)輸出、9V穩壓輸出(UB)及上電延遲(約2分)輸出UC(約9V)3部分組成。UA、UB較簡單,這里僅介紹一下延遲上電電路。因為熱釋電傳感器在上電后約有一分鐘的不穩定時間,在不穩定時間里會有較大的信號輸出。為防止這種不穩定時間產生的誤報警,使報警電路延遲上電以達到不誤報的作用。另外,在開啟報警系統后,人員可有一些時間離開檢測區。
  上電后C3經R1充電,電容上的電壓漸增。當充電電壓大于VD1穩定電壓加上VT1的Ube電壓時,VT1才導通,即延遲時間取決于R1及C3的乘積,按圖7電路參數,延遲時間大于2分鐘。關掉電源時(SQ1),電容C3上的電荷被開關短路而放盡,為下次啟動作好準備。
  報警系統電路的傳感器由不同功能的檢測器組成,分別簡介如下:
  1 人體運動檢測部分電路
  它由R6、RG組成光電控制電路,調整R6使白天時熱釋電檢測器輸出電壓在RG上的分壓小于VT3的導通電壓(06V),起到白天不報警作用。若需要白天也參與報警,只要將RG去掉即可。VT3、VT4組成電平轉換電路。因為XN-09輸出高電平時僅3V,經VT3、VT4電平轉換電路后,在R10上輸出的電平可接近9V。
  2 門、窗被撬檢測電路
  K1、K2為干簧管與磁鋼一起組成的門窗防撬傳感器,該傳感器已有成品,如圖9所示。當磁鋼與干簧管之間距離小于(安裝時應盡可能靠近)5mm時,干 簧管閉合,輸出為低電平;當門、窗被撬,它們之間距離大于10mm時,輸出為高電平(報警信號)。K1、K2中有任一起作用即報警。
  3 物品被移動檢測電路
  它由微型輕觸式開關SQ2和SQ3組成。平時開關處于閉合狀態,當物品被移動時,開關被打開,輸出高電平(報警信號),如圖10所示。在白天時門窗要打開,或抽屜要打開,可閉合SQ4、SQ5,使這兩部分不起作用(用虛線畫出)。
  這三種檢測器的數量不限,即人體運動檢測器也可按需要增加到2~3個,K1、K2及SQ2、SQ3可根據需要增減。
  三路檢測器中通過由VD2~VD4組成的或門來驅動VT5,其中任一路輸出為高電平時VT5導通,繼電器K3吸合,一組常開觸頭K3-1實現自保,另一組觸頭K3-2接通高響度報警器(約120dB)并使VD6發光。如有必要,VT5、K3及高響應報警器電路也可裝在別的房間。一旦報警,即使門窗復位、被移動的物品復位或離開熱釋電檢測區,報警不會停止,只有當按下SQ6按鈕時才會停止。
  這種防盜報警系統除適用于家庭用外,也適用于小型工廠、庫房等。
自動化節能裝置
  熱釋電檢測器另一個應用是自動化節能裝置。例如,在大型機場里有很多自動電梯,一天中早、晚客流量較少時,電梯空運轉耗電較大,若采用自動化節能裝置時,可節省電能,如圖11所示。當無人進入檢測區時,電梯不運轉;當人要乘電梯進入檢測區時,電梯開動,載人上樓;當把人送上樓后若無人上電梯,則電梯停止運轉。
  在家庭中有一些半暗的客廳,白天也要開燈(或者暗衛生間),也可裝自動開燈裝置。即有人在時燈亮,人走后燈滅。這種電路如圖12(a)所示(電源部分與圖7相同)。
  該電路由檢測器、電平轉換、延遲電路及驅動電路等組成。
  1 延遲電路
  由CD4069六反相器中的四個組成延遲電路。當有人在檢測區并作一定的運動(或活動),則9012輸出高電平,第2個反相器也輸出高電平。此高電平經二極管VD1向電容器C快速充電到接近UC,則第4個反相器也輸出高電平。電容器C上的電荷向R放電,由于R阻值較大,放電較慢,按圖上的參數(C=220μF、R=102MΩ),約經12分鐘后C上的電壓才降到1/2UC,使第4個反相器輸出低電平。其波形如圖12(b)所示。改變不同的R、C可獲得不同的延遲時間,可根據要求選擇。
 該延遲電路的特點是它是一種累計型延時電路,即在延遲過程中又有脈沖輸入,則延遲時間會增加。例如延遲電路的延遲時間為10分鐘,若在以后時間內有人在不斷運動(或活動),則1腳會不斷輸入脈沖,延遲時間不斷延長。
  2 驅動電路
  由三極管9013及繼電器K組成驅動電路。當CD4069的8腳輸出高電平時,9013導通,繼電器K吸合,VD2亮,常開觸頭閉合,給220插座提供了電源。若是插上電燈(如用于半暗廳),則人在燈亮,人走后經一段延遲時間燈自滅。
  繼電器工作電壓為12V,觸頭容量與負載電流有關(觸頭工作電壓要滿足220電壓)。
結束語
  以上電路僅供愛好者實驗及制作。但要說明的是,因為熱釋電傳感器檢測的是溫度,有時小動物(貓、狗)進入檢測區也會產生誤動作。如果有條件可以設計成雙鑒電路(如雷達探測器)再加一個與門,則可提高可靠性,大大地減少誤報的概率。
如果檢測器與驅動電路分裝兩地,距離較遠,則最好采用屏蔽線,以防止外界干擾而產生誤報。
讀者也可以根據自己的要求或參考其它電路來實現有其它功能的防盜報警系統或自動化節能裝置。
[整理編輯:CK365測控網]
標簽:  紅外傳感器[2]    其應用[0]
 
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