红外感应器工作原理

红外智能节电开关是基于红外线技术的自动控制产品，当有人进入感应范围时，专用传感器探测到人体红外光谱的变化，自动接通负载，人不离开感应范围，将持续接通;人离开后，延时自动关闭负载。人到灯亮，人离灯熄，亲切方便，安全节能，更显示出人性化关怀。

一、红外光谱

人们肉眼看得见的光线叫可见光，可见光的波长为380～750nm。可见光的波长从短到长依次排序是紫光→蓝光→青光→绿光→黄光→橙光→红光。波长比红光更长的光，叫做红外光，或叫做红外线(红外)。红外光是人们无法用肉眼看见的光线。民部分光线的波长分布如下：

紫光(O.40～0.43μm);蓝光(0.43～0.47μm);青光(O.47～0.50μm);绿光(0.50～0.56μm);黄光(0.56～0.59μm);橙光(0.59～0.62μm);红光(0.62～0.76μm);红外(0.76～1000μm);红外光又可以分为：

近红外(760～3000nm);中红外(3000～60000rim);远红外(6000～150000nm)。

自然界中任何有温度的物体都会辐射红外线，只不过辐射的红外线波长不同而已。根据实验表明，人体辐射的红外线(能量)波长主要集中在约10000nm左右。根据人体红外线波长的这个特性，如果用一种探测装置，能够探测到人体辐射的红外线而去除不需要的其他光波。

就能实现检测人体活动信息的目的。因此，就出现了探测人体红外线的传感器产品。人体红外线传感器是根据热释电原理制作而成的。

二、热释电原理

人体红外感应传感器，是利用热释电效应原理制成的一种传感产品，什么是热释电效应呢?就是因温度的变化而产生电荷的一种现象。

为清楚说明热释电效也现像。以图示意说明。

图l是温度变化曲线示意图：图2是温度变化引起传感器表面电荷变化状态曲线示意图;图3是由传感器表面电荷变化引起的电压变化输出曲线示意图。

图l开始的阶段(T)，在没有红外线照射下，热释电红外线传感器的温度没有变化，传感器表面的电荷处于中和状态，正负电子对等(A)，此时，传感器没有输出(0)。图l第二阶段(T+△T)，有温度变化时。在人体红外线的照射下，热释电红外线传感器的温度如果上升了△T，那么传感器表面的电荷就如图2(B)所示的那样发生相应的变化。如果温度变化为△T，其对应的电荷变化就产生△V的变化，因此，传感器输出△V。随着时间的延长，传感器表面就会重新吸附空气中的离子并相互抵消由此而达到如图2c所示的中和状态。此时，传感器又恢复到没有输出(O)。如图3所示。

当温度下降时，温度又回到原来的状态(T)，其自由极化状态如图2D所示。由于温度的下降变化件(相对而言)过程与温度上升变化相反，所以，传感器表而的电荷变化与上升时变化过程刚好相反，是个反过程。

因此，传感器的输出信号就是一△V，如图3所示。同理，随着时间的延长，传感器的表面又会重新吸附空气中的离子，而使传感器的输出信号再次为零。

传感器对人体活动信息的感应全过程输出信号如图3所示。从传感器输出图中不难看出，传感器对人体活动的一个动作所输出的信号是一个完整的波形。在实验中。如果用放大器把该信号放大，再用示波器观察就是一个正脉冲和一个负脉冲。也就是说，传感器输出感应到的一个移动信号近似于一个完整的l Hz脉冲信号。

三、红外线传感器

在热释电型传感器中，以前都是使用一元的传感器，由于一元传感器受杂散光等因素的影响比较大，应用效果比较差。所以，现在普遍使用双元传感单元，这种传感器有如下优点：

1.具有灵敏度高的特点。

2.两个单元器件反向连接。因此，同时输入的红外线会相互抵消，没有输出。由此增加了对外部杂散光、环境温度变化以及外部震动影响的稳定性(见图5)。

由于热释电型红外线传感器的输入阻抗极高，非常容易引入噪声。

因此就需要对传感器进行电磁屏蔽处理，因此采用金属封装，外壳接地(图4、图5的③脚)。这样就可以达到屏蔽杂波噪声的目的。

在自然界中，所有物体辐射的热能都与自身的温度成正比。物体的温度越高其辐射热能的峰值波长就越短。温度在36～37℃的人体辐射出来的热能峰值约在900～1000nm的红外线，因此，完全可以用热释电型红外线传感器检测到人体的有或无。

为了在监测人体有或无的过程中避免太阳光和照明灯光等光线的影响，通常对热释电型红外线传感器表面附加上滤光片，同时，由于人体的移动比较缓慢，因此还需要带有高效率，能够聚焦的菲涅尔透镜等配件，才能满足实际的使用需要。

四、红外线感应模块

人体红外线感应模块具有体积小、使用方便、工作可靠、检测灵敏、探测角度大、感应距离远等一系列的独特优异功能，已在各个领域里得到了广泛应用。整个红外线感应模块一般包括热释电型传感器、菲涅尔透镜、带通放大器、比较器、光控电路、延时电路、输出电路等，如图6所示。

1.菲涅尔透镜 透镜的作用是将人体辐射的红外线聚焦、集中，以提高探测灵敏度。

2.热释电传感器 传感器的功能是将人体辐射出来的特定波长的红外线检测到，并产生微弱的信号。在不用菲涅透镜时，探测距离只有1～2米。使用菲涅尔透镜后，探测距离能达到10米以上，因此，菲涅尔透镜的作用是提高探测距离。

3.带通放大器 由于热释电传感器输出的电脉冲信号幅度很小(仅1mV左右)，其频率约在0.3～l0Hz左右(该频率视人体的移动速度而定)，是超低频信号。

因此。需要高增益低噪声、低频带通放大器进行高增益放大处理后，才能送到下一级电路。放大器的增益约在70～75dB数量级。

4.比较器 为了有效地抑制噪声干扰，提高模块的工作可靠性，降低误动作的概率，感应模块内设置了电压比较器。电压比较器一般采用双限窗口比较器，它有一个门限电压(阈值电压)，一般设为静态噪声的5倍。此值越大，抗干扰能力越强。但灵敏度随之下降;此值小，易受干扰而产生误动作。当放大器的输出信号到比较器，其幅度达到比较器的门限值时，比较器输出脉冲信号，去触发延时单稳态电路。这种比较器的设置，可有效防止噪声信号及电源网络干扰聒造成的误动作。

5.光控电路 光控电路的作用是利用光敏电阻对光敏感的特性。对输入到比较器的信号进行控制。在白天，光敏电阻受到光线的照射。阻值变得很小，如果将该很小的电阻值接在比较器的输入端，比较器的输入信号幅度永远达不到阈值信号所需要的跳变值，所以，比较器就没有输出。相反，在晚间，光敏电阻不受光的照射。阻值变得很大，几乎对比较器的输入信号不起作用。

这样就起到昼夜的光控作用目的。

6.延时电路 延时电路有两种：一种是可重复触发的单稳态延时电路。只要电压比较器有不断的信号输出(其实就是在感应模块感应范围内，有人不断地走动或出现、消失)，单稳延时电路被不断地重新触发。输出端保持有效电平，直到最后一个触发脉冲消失后，再延长一个单稳时间。第二种延时电路是用了两个单稳电路，其目的是提高延时电路的工作可靠性。其原理是：当比较器输出脉冲信号时，第一个触发器被触发(单稳时间较短)，第一个单稳电路的输出触发第二个单稳态电路。使其进入暂稳态，两个单稳电路的输出一起送下一级电路处理。

7.输出电路 根据执行电路的不同。红外线感应模块可以输出高电平延时脉冲，也可以输出低电平延时脉冲：甚至输出标准的脉冲波形。这就需要对比较器电路输出的信号进行整形处理。

现在市场上，人体感应模块的电路组成形式有多种多样的，既有专用芯片电路，也有用通用型运算放大器芯片实现的。由于目前的专用芯片性能不一定比通用的运算放大器芯片制作的感应模块好、加之价格也比较高。所以，笔者在今后的文中。以采用通用的LM324运算放大器，作为实现人体红外线感应模块功能的放大器芯片电路。

五、人体红外线感应模块的电路原理

图7的电阻R2是探头需要的匹配负载。一般都选用47kΩ。Al、A2组成感应模块的带通滤波和增益放大器。由它们完成带通放大器的输入信号取自R2两端。第一级带通滤波器的下限截止频率由R4、C2决定，R6、C4决定带通滤波器的上限截止频率。感应模块放大器的电压增益由R6、R4和Rl0、R7决定。Al、A2都接成反相输入反馈式放大器：它们的上限截止频率由如下公式计算;fH=1/2×π×R6×C4，将电路中相应的元件数值带入计算公式可以得出大约为7Hz，下限截止频率计算公式：fL=1/2×π×C2×R4，经计算可以得出约为0.3Hz。

放大器的电压增益可以用反馈电阻R6/R4的比值，然后取分贝对数。A1、A2的总增益约70dB。

电阻R3、R5、R8、R9组成偏置电路。将两级运算放大器偏置在1/2U(U为电源电压)处。运算放大器的A3、A4及周边元件Rll～R14、VR及D1、D2组成双限比较器电路。比较器的基准电压由Rll～R14分压决定。运放A3的反相输入端基准电压为Vr-=0.55U(U为电源电压)，同相输入端电压Vr+=0.45U。

当传感器没有感应到人体红外线时。放大器A2输出电压为1/2U，这是因为A2的同相输入端电压取自R8、R9组成分压电路的中心点电压，也即l/2U。所以，静态时A2输出电压介于Vr-与Vr+之间。

因A3同相端电压大于0.5U而小于0.52U(Vr-)，所以输出低电平。同样的道理，A4也输出低电平。

当有人在传感器前面移动时，感应模块检测到人体红外线后。经放大A2输出相对于l/2U正、负脉冲信号。

此时，若A2输出正脉冲信号，其幅度将大于Vr-(O.52U)，Vr+(0.48U)，因此，A3输出高电平，A4输出低电平。比较器输出高电平。同理，当A2输山负脉冲信号时，A4输出高电平。A3输出低电平。由此可见，当人体在传感器前面移动时，比较器中的A3、A4交替输出高电平，图7电路图中的二极管D1、D2是隔离二极管。作用是为了防止A3、A4中任一个输出低电平时将另一个输出的高电平短路掉而设置的，所以起到了隔离作用。在后续的电路中，可以外接各种执行电路。

图8和图9分别是产品的外形图和测试连线图，该红外线感应模块外形尺寸为：20mm×20mm×15mm。电路中采用的是全贴片元件。感应模块共有三个端子，①脚为输出端;②脚为电源端;③脚为模块地。检测时请按图9(测试图)连接好。模块接上电源时输出端初始状态为高电平，约20秒后模块恢复静态，此时如有人在模块前面移动时，模块能检测到并同时输出与感应信号相一致的电平。