热释电红外传感器放大电路的设计及其应用

1、（1）式中，f是输出信号频率（Hz）；Vb是人体移动速度（m）s；fb是光学系统焦距（mm）；S是传感器敏感 元的面积（mm）2；L是人体离传感器的距离（m）。对于双敏感元传感器，标准尺寸为2×1mm2，人体移动速度范围为055ms，常用探测器上使用的菲涅尔透镜焦距为25mm，由此我们可计算出传感器输出信号的频率范围为0088Hz。由于传感器输出的信号非常微弱，容易受到噪声的干扰，甚至有效信号被淹没在噪声中。研究发现传感器上输出信号的干扰源主要来自传感器的热噪声、固有噪声、放大器的电压和电流噪声等。热噪声是由探测器材料中的电荷载流子的随机热运动而产生的。要减小热噪声带来的影响，应尽量

2、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，并在前置放大电路中串入低通滤波电路，限制噪声带宽。传感器的固有噪声电压峰峰值约为50V，室外热空气流动能够产生接近250V的噪声，在室内也接近180V。其他可能存在的干扰，如空间电磁波干扰和机械振动等，噪声幅值接近100V。三种噪声叠加最大幅值接近300V。24大电路信号处理要从多种噪声干扰中提取有用的微二、热释电红外传感器前置放大电路的设计根据红外热释电传感器输出信号特性，前置放R5C710F10k+5V弱信号，故前置放大电路应具有低噪声、高增益、低频特性好、抗干扰能力强等特点。因此，通常由如图1所示的包括带通滤波、两级高增益放大、比

3、较电路三个部分组成。R141MC1010FR111MC1110FR12960k7910U7C8LM324D1R18U7A1LM324100M65C16UTBLM324DSG传感器R104.7kPLR1312U7DLM324R131MD2R1010kR4230k23-+4+5VC810FR16300k14R6R1710F4.7kC910FR171M图1红外探测前置放大电路设计图图1中热释电传感器D端和5V电源间串联10k电阻，用于降低射频干扰，G端接地，S端接47k负载电阻，偏置电压约为1V。传感器输出直接耦合到低噪声运放（LM324）构成的带通滤波和第一级放大电路的反向输入端，再由电阻R6、电

4、容C8耦合到第二级反向放大电路进行进一步滤波、放大。上限截止频率为：f=1159（Hz）11101007（Hz）2R4C9（2）计算得带宽为1583Hz，电路总增益为66dB。双限电压比较器由四运放（LM324）的另两个放大器构成。从前文对噪声分析可知，噪声源最大幅值接近300V，经两级放大电路后，最大噪声幅值达到600mV。第二级放大电路偏置在VCC2，即25V，因此，双限电压比较器的高低阈值应设置为31V和19V时才能有效抗噪声干扰，即当放大器输出信号电平大于31V或者小于19V时，比较器输出高电平，表示探测到移动人体。下限截止频率为：f=（3）三、热释电红外传感器的应用热释电红外传感器的

5、应用很广，大体可分为定性测量和定量测量两类。定量测量是测量红外光源的温度T，是一种非（4）接触的测定温度的方法。它的基本依据如下，首先辐射能流密度可表示为：（5）12hc-1exp（kT电路增益与频率有关，当输入信号频率为1Hz时，第一级放大增益约为：Au1=R119第二级放大增益为：Au2=R12+R18206（6）25式中，为辐射率，相当于对绝对黑体的修正，前置放大电路热释电红外感器菲涅尔透镜物体是一个小于等于1的数；h为普朗克常数；为波长，c为光速；k为波尔兹曼常数；T为绝对温度。由公式（6）可以看出，如果光源辐射率一定，热释电红外传感器与光源相对位置及光学系统固定，则传感器的温度相对于

6、光源温度有一个确定的关系。实际用斩光板来对光源进行斩光，所以热释电器件的温度时而反映光源温度，时而反映斩光板温度，因而热释电器件输出的脉动电压幅度为以光源温度T，斩光板温度为自变量的两个函数之差。定性测量是热释电红外传感器最大应用领域。它的基本原理是根据检测物（人体、火焰）与背景辐射性质的不同、检测目标存在与否。人体的表面温度约为34，红外线峰值约为10m，人体移动产生的信号相应于频率为0110Hz，热释电的方法检测人体与可见光传感器相比，有几个特点，一是利用人体自身发光，不用其它光源，因而工作装置简单、可靠，另外由于红外线不被人感觉，所以具有隐蔽性好的优点。近些年来，热释电红外传感器除了用于

7、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，它在消费电子电器产品中的应用正迅速增长。目前应用最多的是检测人的传感器，比如用于防盗报警系统。红外报警器组成框图如图2所示。物体射出的红外线先通过菲涅尔透镜，然后到达热释电红外探测器。这时，热释电红外探测器将电压比较器驱动器报警器基准电压图2红外报警器组成框图输出脉冲信号，脉冲信号经放大和滤波后，由电压比较器将其与基准值进行比较，当输出信号达到一定值时，报警电路发出警报。其中的前置放大电路采用图1中所设计的方案图，通过测试表明信号处理电路低频特性较好，对传感器输出的低频微弱信号有比较高的放大增益，抗噪声干扰能力强。电

8、路设计实验结果也证明该前放信号处理电路配合热释电红外传感器使用时灵敏度高、探测误差率较低。四、结束语通过分析热释电红外传感器输出信号特性，对设计前放电路的噪声信号进行了分析研究，表明该微弱信号处理电路在低频时具有较高增益，频率特性曲线在1Hz附近比较平坦，对低频信号放大时失真小，3dB带宽只有1594Hz，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。但具体应用时，还应充分考虑实际探测环境对传感器输出信号的影响，合理选择、设计信号处理电路，才能减少误差，最大限度的发挥红外传感器的探测作用。参考文献1陈衡著红外物理学M北京：国防工业出版社，1985：31-4

9、82王义玉红外探测器M北京：兵器工业出版社，1993：7-123高晋占微弱信号检测M北京：清华大学出版社，2004：154-2754卿太全热释电人体红外传感器原理与应用J器件与原件，1995，10：23-255陈素平热释电红外传感器及其报警电路J自动控制，2007，10：16-176陈实锆钛酸铅铁电薄膜的制备及红外探测应用研究D武汉：华中科技大学图书馆，20017FlanneryLJ，MillerJEStatusofUncoiledInfraredImagersJSPIE，1992，189-1998ZhouQEStructuralandOpticalCharacterizationofPLTT

10、hinFilmsJPreparedbyaSol-GelProcess2000，70（6）：293-29626DesignofPreamplifiersforPyroelectricInfraredSensorandApplicationZHANGJia-yi（CollegeofCommunication，GuilinUniversityofElectronicTechnology，GuangxiGuilin541000，China）Abstract：Pyroelectricinfraredsensorisnotonlyappliedtonationaldefenseandmilitary，bu

11、talsoinindustrialandciviliancommunicationselectricalandelectronicproductshavebeenwidelyusedAweaksignalprocessingcircuitcomposedofthelow-noiseamplifiersandthehighsensitivitypyroelectricinfraredsensorhasbeendesignedandestablishedAndtheresearchresultshaveacertainworthforapplicationKeywords：Pyriekectric

12、InfraredSensor；Pre-amplifierCircuit；InfraredAlarm收稿日期：2010-05-17!（上接第19页）TheCooley-TukeyFFTAlgorithmResearchandApplicationinLTESystemWANGYan-shuang，CHENGFa-tang（SchoolofCommunicationandInformationEngineering，ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications，Chongqing400065，China）Abstract：Fastfouriertr

13、ansformisthecoretechniqueofDSP，anditsperformingtimeisshorterafewstagesthanDFTs，andintheLTEsystemFFThasimportantapplicationsIntheprocessofLTEsystemdesign，inordertomeettheperformancerequirementsofLTE，theuplinkadoptthesingle-carrierfrequencydivisionmultipleaccesstechnolog，thedownlinkadopttheorthogonalfrequencydivisionmultipleaccesstechnologintheprocessofachievingtheLTE，haveadoptedDFTorFFTapproachHowever，calculationofdirectcalculationtheDFT，isproportionaltothesquareofthelengthofNHerefore，firstintroduceandstudytheCooley-TukeyFFTalgorithms，andrealizesavariablepointsFFTsystembyu