热释电红外传感器。参考数据

热释电红外传感器。参考数据

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如今，很少有人会对机构或商店的门在访客面前自动打开感到惊讶。在大多数此类情况下，悬挂在门上方的设备可以“感觉到”人的接近，该设备配备有红外辐射热释电传感器（接收器）。此类传感器灵敏度高、耐用且易于使用。它们用途广泛，包括安全和火灾报警系统、远程温度计。

热释电效应（希腊语为“pyros”，即“火”）——晶体在热量的影响下产生电荷——早已为人所知，著名的德国物理学家威廉·伦琴（Wilhelm Roentgen）早在 XNUMX 世纪就开始研究它。这种效应类似于压电效应，此外，热电体通常也具有压电特性。在天然晶体（石英、电气石）中，热释电效应表现得相当弱，但理论上已经证明了存在具有任意大热释电系数（电荷增量与引起热释电的温度增量之比）的物质的可能性。最近，已经合成了属于铁电体类别的此类物质，并在此基础上创建了敏感传感器。

典型的传感器电路如图 1 所示。 1、敏感元件B1是一种电容器——带有金属板的热释电板。其中一块板涂有一层能够吸收电磁（热）辐射的物质。由于能量吸收，电容器板的温度升高，并且板之间出现严格定义极性的电压。施加到内置场效应晶体管VTXNUMX的栅极-源极部分，引起其沟道电阻的变化。输出信号取自连接到晶体管漏极电路的外部负载电阻。

热释电红外传感器

一段时间后，无论热辐射是否继续作用于传感器，电容器都会通过漏电阻R1放电——输出信号降至零。通常，传感器配备有多个以交替极性串联连接的传感元件。这确保了设备对均匀背景照射不敏感，并在沿传感器敏感表面移动物体的聚焦图像时获得符号交替的输出电压。

热释电传感器的灵敏度通常使用图 2 所示的设置来测量。 1. 使用黑体模拟器作为热辐射源。频率为 1 Hz 的流动被电动机驱动的阻尼器断路器周期性地阻挡。 IR 脉冲到达传感器的敏感元件，并导致外部负载电阻 RXNUMX 上出现电压脉冲。这里很容易看出传感器的场效应晶体管是由源极跟随器导通的。

热释电红外传感器

测量表明，传感器的灵敏度几乎与它接收到的辐射脉冲频率的增加成比例地降低。其原因是传感元件具有很大的热惯性。

设计用于在环境温度差异较大的情况下工作的传感器配备有两个以相反串联方式连接的敏感元件 - 工作元件和补偿元件。补偿元件可以与外部辐射通量隔离，但处于与工作元件相同的温度条件下。

传感器的光谱灵敏度特性由热释电板涂层材料对特定频率范围的电磁辐射的吸收能力决定。最后，它是使用安装在敏感元件前面的滤光片形成的。不同版本热释电传感器光谱灵敏度的典型特性如图 3 所示。 XNUMX.

热释电红外传感器

具有特征 1 的传感器设计用于检测火焰，特征 2 和 3 最适合检测人体运动。特性 4 最适合用于远程温度计。

多家公司生产用于各种用途的热释电传感器。下面将详细介绍其中之一——日本村田制作所的产品。

传感器安装在一个圆柱形金属外壳内，带有三根（或四根）刚性镀锡导线（图 4）。在外壳的扁平端，与端子相对，有一个方形、矩形或圆形窗口，由对红外线透明的滤光片封闭。同一张图显示了器件的引脚排列。

热释电红外传感器

村田制作所 IRA 系列热释电传感器的主要技术特性如表所示。

热释电红外传感器

IRA-E710ST0、IRA-E910ST1、IRA-E420S1 和 IRA-E420QW1 传感器在 FET 的栅极和源极端子以及栅极和漏极端子之间具有内置隔直电容器。 IRA-E940ST1 仪器的机身包含两个传感器，每个传感器有两个敏感元件。该器件具有一个公共输出和一个组合漏极输出，晶体管源极的输出是分开的。

热释电传感器在安全报警装置中的使用典型图如图5所示。 1. 电容器 C2 和 C1 用于抑制传感器 BXNUMX 输出上的高频拾波，应安装在靠近传感器 BXNUMX 的位置。如果所应用的传感器已经内置电容器，则不需要这些电容器。

（点击放大）

传感器B1内部场效应晶体管按照源极跟随器电路连接。其负载为电阻R1。当加热物体在敏感区域移动时，其上产生的电压波动会放大两个运算放大器 - DA1.1 和 DA1.2。它们的总增益在 7500 Hz 时达到峰值 2，在 3 和 0,5 Hz 频率点下降 5,5 dB。然而，传感器本身的惯性使传感器放大器系统的总带宽降低很多 - 高达 0,06...1,2 Hz。

一旦运放 DA1.2 输出端的信号幅度超过 0,8 V，相对于接近电源电压一半的某个值（由电阻器 R2.1 和 R2.2 的值决定），如果电压浪涌为正，则比较器 DA10 被触发，如果电压浪涌为负，则 DA12 被触发。比较器（具有集电极开路）的输出并联连接，因此当其中任何一个被触发时，微控制器输入端的逻辑电平会发生变化。处理接收到的脉冲序列（测量其持续时间，计算特定时间段内的数量）后，微控制器会生成激活执行器或报警单元的控制信号。

为了增加传感器的空间敏感区域，通常在其光学窗口前面安装一个透镜，将红外射线聚焦在热释电板上。为了获得扇形的敏感视场，类似于图 6 中简化的方式所示。在图XNUMXa中，使用分区菲涅尔透镜。它由许多独立的聚焦区域组成，每个聚焦区域形成来自某个方向的自己的敏感光束。因此，当将移动物体从一个光束移动到另一个光束时，传感器会产生交流电压。

热释电红外传感器

在垂直平面上也形成类似的光线扇形（图 6b）。使用特殊结构的菲涅尔透镜，可以改变花瓣的形状，以获得在给定视场中检测物体的最佳条件。

除了IRA系列传感器外，村田还生产热释电模块IMD-B101-01和IMD-B102-01。除了传感器本身之外，此类模块还包含放大器和脉冲整形器，适用于向输入（节点 A3）提供标准逻辑元件。该模块框图如图7所示。 8、本体图--如图。 XNUMX.

热释电红外传感器

模块的引脚排列差别不大。两者都有引脚 1 - 公共负电源引脚；输出3——正电源输出；引脚 4 - 数字输出。但对于IMD-B101-01模块，引脚2是传感器信号放大器的模拟输出，对于IMD-B102-01，它是开关选通信号的输入。

模块的主要特点：

电源电压，V ...... 2,6 ... 5,5
自身电流消耗，µA......120
输出电流，毫安............1
输出脉冲的持续时间，s......1...3
术后恢复时间，s，不多了......3
物体检测距离，米，不带镜头......1
带菲涅尔透镜......5
视角，度......119x38
工作温度范围，°С......-10...+50

在检测到房间内有运动时自动开灯的系统中，IMD-B102-01 模块的频闪输入通常由响应整体照明的光敏电阻器提供信号。这可以防止系统在白天运行。

作者：A. Sergeev，莫斯科，基于网站 murata.com 的材料。

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