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人体红外传感器的信号检测和补偿

在防盗报警系统的应用中,被动人体红外传感器被广泛使用,由滤光片、检测元件和前置放大器组成,滤光片是带通滤光片,封装在传感器外壳的顶部,选择性地通过特定波长的红外辐射,截止范围外的红外辐射到达时不能通过。检测元件是红外检测的核心元件,是在晶体的两面镀上金属电极,然后极化而制成的。它相当于一个以检测元件为电介质的扁平电容器,当受到非恒定强度红外光照射时,产生的温度变化导致其表面电极的电荷密度发生变化,从而产生电流。前置放大器由高内阻场效应管源跟随器组成,将探测元件的微弱电流信号通过阻抗变换转换成有用的电压信号输出。

人体红外传感器

1、信号干扰

红外传感器输出的信号受到多种噪声源的干扰,减少了可检测的辐射通量或降低了传感器的信噪比。这些干扰主要来自传感器固有的噪声或周围气流引起的噪声,包括:

(1)元件的介电损耗噪声;

(2)温度噪声;

(3)前置放大器的输入噪声电压;

(4)前置放大器的输入噪声电流;

(5)高兆欧电阻的热噪声。

2、前置放大器的设计

前置放大器将微弱的电流转换成有效的电压输出,前置放大器需具有高增益、低噪声、抗干扰能力强的特点,才能从众多的噪声干扰中提取出微弱的有用信号。检测元件和前置放大器通常集成并封装在晶体管中,以防止空气湿度增加漏电流。这种结构的前置放大器信噪比高,受温度影响较小。

3、传感器的温度特性

环境温度的变化会影响人体红外传感器内部元件的特性,导致传感器信号和噪声发生偏移。特别是温度梯度会引起传感器输出信号的波动,增加输出的不稳定性。温度对传感器内部元件特性的影响主要体现在:

①当温度低于检测元件的居里温度时,电系数随着温度的升高而增大;

②随着温度升高,场效应管的栅极漏电流和输入电流噪声将明显增大,共源跨导减小,夹断电压增大。

③温度升高会导致栅极电阻的阻值减小,而噪声与栅极电阻的平方根成反比,因此传感器噪声会随着温度的升高而增大。

④温度升高通常会导致滤光片的透过率下降,变化程度由滤光片的材质和镀膜工艺决定。

4、温度补偿

温度梯度会导致人体红外传感器产生巨大的低频信号,甚至可能超出前置放大器的工作范围,导致前置放大器损坏。这种影响的程度与传感器的时间常数有关,时间常数传感器越大,对温度梯度越敏感。改进传感器结构可以减小时间常数,减少温度梯度的影响,但不能完全消除。

人体红外传感器内部通常会添加温度补偿元件,以提高电感的温度稳定性。将两个极性相反、特性相似的检测元件串联或并联连接。其中一个用作工作元件,另一个用作补偿元件。补偿元件被完全屏蔽,因此它对红外光没有反应,只起到有效电容器的作用。当传感器外壳温度发生变化时,工作元件和补偿元件产生的干扰信号会相互抵消,从而使传感器温升稳定。

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