基于熱釋電傳感器的人體輻射檢測電路設計

摘要：為解決黑暗環境中開啟照明裝置所帶來的不便和不安全，設計了一種基于熱釋電傳感器的人體熱輻射檢測電路。闡述了熱釋電紅外傳感器的結構，設計了包含有前置放大電路、電壓比較電路、延時電路和電源電路組成的紅外檢測系統，分析了檢測電路的工作原理，提出了檢測電路的安裝要求。所設計的電路性能可靠、成本低、易于安裝，適用于居民家庭、賓館走廊、學生宿舍、教學樓道等場合。
關鍵詞：人體輻射；熱釋電紅外傳感器；照明；信號檢測；人身安全

0 前言
近年來，隨著電子信息技術的迅速發展，人們對于生活的信息化、自動化要求不斷提高。傳統的照明開關始終存在著一個弊端，即在夜晚或光線昏暗的時候，人們從室外走進室內時，需要摸索到開關然后再開燈，這樣就給人們帶來了極大的不方便和不安全，特別是對于老人、孕婦，還有孩子們更是如此。如果能將傳統的機械開關，光控開關和對人體散發的熱輻射具有感應功能的傳感器相結合，做成一個能夠自動開啟燈光照明的裝置，即當人進入室內時，傳感器感受人體熱輻射，控制開關打開燈光，將會給人們的生活帶來很大的方便。本文利用熱釋電紅外傳感器，設計了一個基于熱釋電紅外傳感器的人體熱輻射自動檢測電路，實現了對人體熱輻射的檢測，為自動啟動照明開關提供控制信號。

1 熱釋電紅外傳感器
在自然界中，任何高于絕對溫度的物體都能夠產生紅外光譜。波長1～15 μm稱為近紅外波段，15～50 μm為中紅外波段，50～1000 μm為遠紅外波段。物體的溫度不同，釋放的紅外光的波長就不相等，故而，紅外光的波長與物體溫度的高低是有關系的。紅外輻射與物質相互作用，產生熱效應，能將人眼觀察不到的紅外輻射轉變為可測量的物理量。熱釋電紅外傳感器通常由熱電元件(熱釋電晶體)、濾光鏡片、結型場效應管FET、電阻等元器件組成，結構如圖1所示。

對于輻射至傳感器的紅外信號，熱釋電傳感器通過安裝在前端的菲涅爾透鏡將其聚焦后加至兩個探測元上，從而使傳感器輸出電壓信號。為了對某一波長范圍的紅外輻射有較高的敏感度，該傳感器在窗口上加裝了一塊干涉濾波片。這種濾波片除了允許某些波長范圍的紅外輻射通過外，還能將燈光、陽光和其它紅外輻射拒之門外。
熱釋電傳感器采用的干涉濾波片的厚度一般為8～14 μm，而人體輻射紅外線的波長大約在10 μm左右，因此，傳感器能夠探測到是否有入進入了探測區域。由于熱釋電傳感器的輸出阻抗極高，而輸出電信號微弱，故在其內部裝設FET及偏置電阻，以進行信號放大及阻抗匹配。

2 熱釋電紅外檢測電路設計
在設計中，選用的熱釋電紅外傳感器為D203S。采用雙靈敏元結構，靈敏元尺寸為2×1mm，工作波長7～14 μm，視場139°×126°；選用的菲涅爾透鏡為7803矩形鏡片，焦距為20 mm；方向角為89°，探測距離7m。用于人體熱輻射的紅外檢測系統由熱釋電紅外傳感器、前置放大電路、電壓比較器、延時電路和音響報警電路，電源電路等組成。
2．1 前置放大電路
由于熱釋電紅外傳感器的輸出信號十分微弱，因此設計性能優異的前置放大電路就顯得尤為重要。本系統設計的前置放大電路如圖2所示。

電路的核心為兩片運算放大器，采用級聯方式提高放大倍數。考慮到類似于人體等物體的移動信號為低頻信號，因為輸入阻抗較高，容易受到外界電磁干擾，所以電路中采用C4和R8并聯構成一個低通濾波，防止高頻干擾。保證熱釋電傳感器的有用信號能被正常放大。傳感器的輸出信號也以該頻率變化，因此將放大器接成低通形式，截止頻率為45 Hz，兩級電壓放大倍數分別為Au1=120，Au2=4，總的放大倍數為Au=Au1×Au2=480=54dB。