热释电红外传感器如何放大电路的设计

01、输出信号特性及其噪声分析

红外热释电传感器输出电信号的幅度和频率主要决定于目标人体的温度、探测区域背景、人体与传感器的距离、人体移动的速度、光学透镜系统的焦距和它的设计方式。人体温度和探测区域背景的温差很大，离传感器越近，输出电信号的幅值将越大。双敏感元热释电传感器配合菲涅尔光学透镜使用时，输出信号波形电压峰峰值约为 1 mV，频率可由下列公式计算：

式中：

f是输出信号频率（Hz ）；

V b 是人体移动速度（m/s ）；

f b 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2×1mm 2 ，人体移动速度范围为0.5～5m/s，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0.08～8Hz。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50μV，室外热空气流动能够产生接近250 μV的噪声，在室内也接近180μV。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100μV。三种噪声叠加最大幅值接近300μV。

02、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，前置放大电路信号处理要从多种噪声干扰中提取有用的微弱信号，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，通常由如图所示的包括带通滤波、两级高增益放大、比较电路三个部分组成。

红外探测前置放大电路

图中热释电传感器D端和5V电源间串联10kΩ电阻，用于降低射频干扰，G端接地，S端接47kΩ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：

下限截止频率为：

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：

第二级放大增益为：

计算得带宽为15.83Hz，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300 μV，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VCC/2，即2.5V，因此，双限电压比较器的高低阈值应设置为3.1V和1.9 V时才能有效抗噪声干扰，即当放大器输出信号电平大于3.1V或者小于1.9 V时，比较器输出高电平，表示探测到移动人体。

03、应用原理

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。