1、 本科生毕业论文(设计)基于红外传感器的目标探测抗干扰技术院系名称姓名学号专业指导教师 年4月25日- 16 -摘要利用菲涅耳透镜避开环境红外光频率，确定红外接收器中带通滤波器的中心频率，根据带通滤波器中心频率选择发射器的发射频率，根据接收器响应时间选择发射器发射的红外光的调制频率；当探测器上的环境温度上升，放大器自身噪声干扰增大，匹配低噪放大器提高信噪比，经由它对增益进行补偿，增加其灵敏度。关键词：红外传感器；目标探测；抗干扰AbstractT h i s P a p e r a v o i d s t h e f r e q u e n e i e s o f e n v i r o n
2、m e n ta l i n f r a r e d li g h t to s e l e e t t h e c e n t e r f r e q u e n c y o f b a n d - p a s s f i l t e r i n r e c e i v e r , s e l e c t s t h e f r e q u e n e y o f in f r a r e d l i g h t e m it t e d b y I n f r a r e d e - m i t t e r a c c o r d i n g t o t h e c e n t e r f
3、 r e q u e n c y, s e l e ct s t h e m o d u l e f r e q u e n c y o f i n f r a r e d li g h t a e e o r d i n g t o t h er e s p o n s e t im e o f r e c e i v e r;u s e low noise amplifier avoid environmental and detector s infrared .T h e s e m e a s u r e s r e s t r i e t t h e d i s t u r b i
4、 n g s ig n a l s f r o m n v i r o n m e n t e f f e e t i v e l y.Key Words: infra-red sensor;eobataele detection ;anti-interference目录1引言12 红外传感器32.1 红外传感器的分类32.1.1 红外光电传感器32.1.2 热释电红外传感器43 抗干扰措施63.1 菲涅耳透镜63.2 低噪放大器73.2.1 En -In 噪声模型及测法73.2.2低噪声放大器设计的措施83.3光栅104 应用实例114.1菲涅耳透镜应用114.2光栅应用12参考文献14致谢
5、151引言红外传感器是利用红外辐射实现相关物理测量的一种传感器。红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调节电路和显示单元等组成。其中，红外探测器是红外传感器的核心。红外探测器从工作原理可以分为量子探测器和热探测器。热释电红外传感器，菲涅耳透镜和噪声放大器是是传感器的关键元件。热释电红外传感器应用最为广泛。热释电传感器是一种被动式调制型温度敏感器件，利用热释电效应工作，它是通过目标与背景的温差来探测目标的。其响应速度虽不如光子型，但由于它可在室温下使用、光谱响应宽、工作频率宽，灵敏度与波长无关，容易使用。这种探测器，灵敏度高，探测面广，是一种可靠性很强的探测器。因此广泛应用于各类入侵报警器，自动
6、开关、非接触测温、火焰报警器等，目前生产有单元、双元、四元、180等传感器和带有PCB控制电路的传感器。常用的热释电探测器如：硫酸三甘钛（TGS）探测器、铌酸锶钡（SBN）探测器、钽酸锂（LiTaO3）探测器、锆钛酸铅（PZT）探测器等。热释电红外传感器本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好。价格低廉。在电子防盗、人体探测器领域中，热释电红外探测器的应用非常广泛，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎。随着时代的不断进步，人们对自己所处环境的安全性提出了更高的要求，尤其是在家居安全方面，不得不时刻留意那些不速之客。现在现在很多小区都安装了智能报警系统，因而大大提高了小
7、区的安全程度，有效保证了居民的人身财产安全。由于红外线是不见光很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用。此外，在电子防盗、人体探测等领域中，被动式热释电红外探测器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点而受到广大用户和专业人士的欢迎。目前国内使用的各类防盗、保安报警器基本都是以超声波、主动式红外发射接收以及微波等技术为基础。而这里所设计的被动式红外报警器则采用了美国的传感元件热释电红外传感器。这种热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号，同时，它还能鉴别出运动的生物与其它非生物。热释电红外传感器既可用于防盗报警装置，也可以用于自动控制、接近
8、开关、遥测等领域。用它制作的防盗报警器与目前市场上销售的许多防盗报警器材相比，具有如下特点：不需要用红外线或电磁波等发射源。灵敏度高、控制范围大。隐蔽性好，可流动安装。菲涅尔透镜，简单的说就是在透镜的一侧有等距的齿纹，通过这些齿纹，可以达到对指定光谱范围的光带通(反射或者折射)的作用。传统的打磨光学器材的带通光学滤镜造价昂贵。菲涅尔透镜可以极大的降低成本。典型的例子就是PIR。PIR广泛的用在警报器上。如果你拿一个看看，你会发现在每个PIR上都有个塑料的小帽子。这就是菲涅尔透镜。小帽子的内部都刻上了齿纹。这种菲涅尔透镜可以将入射光的频率峰值限制到10微米左右（人体红外线辐射的峰值）。低噪放大器
9、指噪声系数很低的放大器。一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器，以及高灵敏度电子探测设备的放大电路。在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望可以减小这种噪声，以提高输出的信噪比。由放大器所引起的信噪比恶化程度通常用噪声系数F来表示。理想放大器的噪声系数 F=1（0分贝），其物理意义是输出信噪比等于输入信噪比。现代放大器则采用变容二极管参量放大器，常温 参放的噪声 温度Te可低于几十度(绝对温度)，致冷参量放大器可达20K以下，砷化镓场效应晶体管低噪声微波放大器的应用已日益广泛，其噪声系数可低于 2 分贝。放大器的噪声系数还与晶体管的工作状态以及信源内阻有关
10、。为了兼顾低噪声和高增益的要求，常采用共发射极一共基极基联的低噪声放大电路。2 红外传感器2.1 红外传感器的分类红外传感器根据探测机理可分成为：光子探测器（基于光电效应）和热探测器（基于热效应）。2.1.1 红外光电传感器光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，也就是光能量转换成电能。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应（Photoelectric effect）。光电效应分为外光电效应，内光电效应，光生伏特效应。这里应用到的是光生伏特效应，其原理是在光线照射下，材料吸收光能后物体产生一定方向的电动势。红外光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器，通过将光强度的变化转换成电信号的
11、变化来实现控制的。常用的红外线光电传感器(光电开关)，是利用物体对近红外线光束的反射原理，由同步回路感应反射回来的光，据其强弱来检测物体的存在与否，光电传感器首先发出红外线光束到达或透过目标物体，物体或镜面对红外线光束进行反射，光电传感器接收反射回来的光束，根据光束的强弱判断物体的存在。红外光电开关的种类很多，有镜反射式、漫反射式、槽式、对射式和光纤式等。 常见的红外线光电开关有对射式和反射式两种，反射式光电开关是利用物体对光电开关发射出的红外线反射回去，由光电开关接收，从而判断是否有物体存在。如有物体存在，光电开关接收到红外线，其触点动作，否则其触点复位。 对射式光电开关是由分离的发射器和接
12、收器组成。当无遮挡物时，接收器接收到发射器发出的红外线，其触点动作;当有物体挡住时，接收器便接收不到红外线，其触点复位。 如图2-1所示，发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管；光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度；接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等；在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。三角反射板是结构牢固的发射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。它可以在与光轴0到25的
13、范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。2-1红外光电传感器原理图2.1.2 热释电红外传感器凡是存在于自然界的物体，例如人体，火焰甚至于冰都会放射出红外线，只是其发射的波长不同而已。人体的温度为36-37，所放射的红外线波长为9-10m （属于远红外线区）；加热到400-700的物体，其放射出的红外线波长为3-5m（属于中红外线区）。红外线传感器可以检测到这些物质发射出的红外线，用于测量、成像或控制。红外辐射是介于红光与无线电波之间的电磁波，其波长范围在710-71mm之间。太阳光和物体的热辐射都包括红外辐射，其波长范围及在电磁波谱中的位置如图4-1所示。
14、红外光的最大特点就是就有光热效应，能辐射能量，它是光谱中的最大光热效应区。红外光和所有电磁波一样，具有反射、折射、干涉、吸收等性质。红外光在介质中传播会产生衰减，红外光在金属中传播衰减最大，但红外辐射能透过大部分半导体和一些塑料，大部分液体对红外辐射吸收非常大。气体对他的吸收程度各不相同，大气层对不同波长的红外光存在不同的吸收带。典型的热电型红外光敏器件是热释电红外传感器。一些晶体受热时两端会产生数量相等、极性相反的电荷，这种由热产生的电极化现象称为热释电效应。这种能产生热效应的晶体称为热电体，又称热电元件。通常，晶体自发极化所产生的电荷被附集在晶体外表面的空气中的自由电子所中和，显电中性。当
15、温度变化时，晶体中的极化迅速减弱，而附集的空气中的自由电子变化缓慢，在晶体表面会产生剩余电荷，其电荷量与温度变化有关。如果在热电元件两端并联上电阻就会有电流流过，电阻两端将产生电压信号。用热电元件、结型场效应管、电阻、二极管、滤光片及外壳等可组成热释电传感器，其结构和原理如图2-3所示。他是探测人体用的红外传感器，适用于防盗报警，来客告知及非接触开关等红外领域。图2-2电磁波频谱分布图2-3热释电传感器的结构和原理3 抗干扰措施本节中主要介绍了对自然环境红外光和探测器自身噪声的抗干扰措施。3.1 菲涅耳透镜菲涅耳透镜又名螺纹透镜，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由大到小的同心圆，它的纹理是根据光的干涉和扰射以及相对灵敏度和接收角度要求来设计的。菲涅耳透镜在被动红外探测器中的作用是当有人进入探测的范围菲涅耳透镜将人体释放的红外光透过镜片被聚焦在远距离A区或中距离B区或近距离C区的同一焦点（此焦点就是整片透镜的设计焦点。从焦点到镜片的距离称为焦距）。这焦点的位置就是热释电传感器接受的面区，红外光正好被热释电传感器吸收，热释
