近代物理实验被动式（热释电）红外传感器

1、近代物理实验被动式（热释电）红外传感器物理实验教学中心1实验目的通过被动式红外传感实验，了解红外传感与各项技术相结合在实际中的应用。了解红外传感实验的原理及红外辐射中光学系统特点。测定菲涅耳透镜的焦距。测量超低频放大电器的通频带2实验仪器1 示波器2 SGl645函数信号发生器(或频率能达01HZ的信号发生器)3PIRI被动式红外传感实验仪4被动式红外传感器及可调节焦距的菲涅尔透镜5红外辐射调制器34实验原理1、热释电红外传感器及滤光片 热释电传感器(也称被动式传感器)是接收物体辐射的红外线并把它转变为电信号的一种元件，通常是由两个极性相反的传感元件串联连接，并与一个高阻和一个场效应晶体管组装

2、在一起，电路原理见框下图。它可以根据应用的需要，设计成两个传感元件都用于接受红外辐射或仅一个传感元件用于接收红外辐射(另一个被遮挡)。热释电传感器对交变的红外辐射产生响应，对于先后入射到两个传感元件上的辐射信号将产生正或负的信号输出，当辐射信号同时入射到两个传感元件上，由于两传感元件极性相反连接，所以信号就会相互抵消，没有输出。 5因此用双原传感元件制成的热释电传感器对环境温度的变化，背景辐射和受振动产生的随机噪声都具有良好的补偿作用，使传感器在实际使用中能稳定可靠。红外线在空气中透射会被大气中的水蒸气和有些气体分子所吸收，透射率较高的区域称为大气窗口见。为了提高物体辐射的红外线在大气中的对比

3、度，传感器的光谱带也要与大气窗口相吻合，通常在热释电传感器前加装一块814urn的光学干涉滤光片。滤光片能有效的让带宽内的红外辐射通过而抑制带宽外的成分，特别是能抑制近红外的辐射对热释电传感器的干扰。62、菲涅尔透镜 红外辐射虽然是不可见的，但它的聚焦与一般的光学成像一样，满足下式：1/V+1/U=1/F 由于红外辐射的波长较长且波段较宽，所以一般的玻璃光学透镜(除了近红外)无法伎其透过和聚焦。有多种材料能用于红外的透射和聚焦，但比较实用的是采用一种由低密度聚乙烯(也称高压聚乙烯)材料做成的称为菲涅尔透镜来对红外辐射进行聚焦。菲涅尔透镜保留了透镜的原有曲率半径，使其具有聚焦功能，又减小了透复L

4、的体积和重量且有可塑性，不易损坏。根据应用的需要可以制成不同焦距，不同视场的菲涅尔透氰例如对远距离的红外辐射进行聚焦的单视场小角度的透镜，和用于近距离大角度进行聚焦的多视场透镜。73、被动式红外传感实验仪的电路概述 PIRI被动式红 外传感实验仪(简称传感实验仪)电路原理框如上图。人体的红外辐射一种微弱的辐射，为了达到由传感到控制的目的，首先由菲涅尔透镜对人体辐射的红外线进行聚焦，以提高热释电传感器接收到的能量，然后对经传感器转换输出的电信号进行放大。然而，传感器输出的电压信号非常微弱，必须经过高增益的运算放大器进行放大。此外，人体辐射的红外线频率(由于人体移动的频率较低)一般在每秒001HZ

5、一5HZ之间，属于超低频范围。为了使人体辐射的红外信号频率顺利通过，并抑制其它物体红外辐射的干扰信号频率及放大器自身的噪声，放大器在对微弱信号进行高增益放大的同时还要具有超低频的频率特性，以提高传感的可靠性，这对电子放大系统的要求也较高。8四、实验内容及步骤 1、实验前参看传感实验仪面板图，红外辐射调制器及热释电传感器图，把热释电传感器的信号输出线插头插入传感实验仪的传感输入端，信号发生器的电压输出端与传感实验仪的信号输入端用一根电缆线相连接。把传感器的透镜对准红外辐射源，两者在一条直线上间距在05一l米之间，把示波器输入信号开关置于DC位置，示波器的探头连接到传感实验仪的A2输出端，接通各仪

6、器的电源。2、测量菲涅尔透镜的焦距 把传感实验仪的信号转换旋钮拨在传感输入位置，接通调制器电源， 此时调制盘开始转动，红外辐射调制器能提供每秒2HZ的调制辐射信号。 9示波器的扫描时间选择在5-50s之间。焦距测量缓慢移动装有菲涅尔透镜的套筒使其处在不同的位置，仔细观察示波器上所显示的波形(选择示波器上合适的Y轴衰减值使波形在有效的显示区内)，寻找出能使波形幅值达到最大值时套筒对应的标尺值，此值就是被测菲涅尔透镜的焦距，并记录该值。3、测量传感实验仪中超低频放大器的通频带。仪器调整把传感实验仪的信号转换旋钮拨在信号输入位置。分别按下信号发生器中正弦波的按钮，输出衰减为20db的按钮，频率倍乘为

7、10HZ的按钮，调节频率调节旋钮和频率微调旋钮，观察信号发生器中的频率*，使信号发生器输出为13HZ范围内的一个正弦波频率。10调节信号发生器中信号输出的幅值旋钮和示波器的Y轴衰减值旋钮，使示波器上显示波形幅值为六格。仔细调节频率调节旋钮、频率微调旋钮，使信号发生器分别输出02HZ、03HZ、04HZ10HZ、11HZ、12HZ的频率信号，观察和记录示波器所显示的幅值。波形观察当人体在距离传感器l一5米之间通过菲涅尔透镜的视场时， 传感实验仪会产生指示灯的闪亮或蜂鸣器的报警。调整示波器Y轴的衰减值旋钮，分别观察A1一A4输出端的波形(人体要不停地在视场前来回移动)。11数据处理测定并记录单视场菲涅尔透镜的焦距。在毫米格纸上以f为横坐标、放大倍数A为纵坐标，画出超低频运算放大器的幅频特性图。确定通频带，在幅频特性图上幅值下降至0.707处标出f低、f高二点。据公式计算出f低、f高的理论值，并与实验测出的f低、f高相比较，分别求出百分误差。12注意事项实验前红外辐射源、信号发生器先开机预热30分钟，以使实验时有稳定的红外辐射和稳定的信号输出。热释电红外传感器不能剧烈振动、碰撞，以免损坏传感元件。红外辐射源在不同的环境温度下使用，会使传感实验仪A2输出端信号幅值过大（进入饱和、截