紅外光電探測(cè)器系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

謝忠志

XIE Zhong-zhi

（泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，泰州 225300）

0 引言

紅外光電系統(tǒng)本質(zhì)是一個(gè)光學(xué)—電子系統(tǒng)，用于接收波長(zhǎng)0.75μm ～ 1000μm的電磁輻射。它的基本功能是將接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)并加以應(yīng)用。接收系統(tǒng)把目標(biāo)和背景的入射光能量經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚于光電探測(cè)器上進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。探測(cè)器輸出的信號(hào)經(jīng)處理電路檢出。在此過程中，背景噪聲和系統(tǒng)內(nèi)部的探測(cè)器噪聲及電路噪聲等都與信號(hào)一起進(jìn)入系統(tǒng)[1]。

本文設(shè)計(jì)的紅外光電探測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用探測(cè)目標(biāo)物距離。用紅外線作為媒質(zhì)進(jìn)行探測(cè)時(shí)，首先要有能夠產(chǎn)生紅外線的光源和接收紅外線信號(hào)的探測(cè)器，并有一定的要求：1）為了增大光電探測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)和信噪比，光源和光電器件之間的光譜應(yīng)盡可能匹配；2）光源要有一定的強(qiáng)度，如果光源強(qiáng)度過低，系統(tǒng)獲得信號(hào)過小，無法正常檢測(cè)；光源強(qiáng)度過高，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)工作的損壞。本系統(tǒng)中所采用的光源是紅外發(fā)光二極管HG505，探測(cè)器是光敏三極管3DU5。

1 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

1.1 信號(hào)發(fā)射電路（如圖1所示）

紅外發(fā)光二極管和光敏三極管是反應(yīng)快速的器件，因而一個(gè)紅外光束系統(tǒng)的有效范圍是由饋送給紅外發(fā)光二極管的峰值電流而不是由其平均電流所決定的[2]。

由 U1、R1、R2、C1和 D1組 成 20Hz的 調(diào)制脈沖振蕩器。其中D1用以調(diào)整脈沖周期的占空比，在C1充電時(shí)D1正向偏置，充電電流由電源→R1→D1→C1，充電時(shí)間為：t充電＝0.7R1C1≈1ms。在C1放電時(shí)，D1反向偏置，放電電流由C1→R2→⑦腳→地，放電時(shí)間為：t放電＝0.7R2C1≈49ms，U1的③腳輸出占空比為1∶50振蕩信號(hào)。由U2、R3、R4和C3組成20kHz的載頻脈沖振蕩器，該振蕩器受U1的③腳控制，當(dāng)U1的③腳為高電平時(shí)，U2開始振蕩，輸出20kHz載頻脈沖；當(dāng)U1的③腳低電平時(shí)，U2停振，輸出高電平。當(dāng)U2振蕩時(shí)，它的輸出使Q1以20kHz的頻率導(dǎo)通與截止，并驅(qū)動(dòng)D2發(fā)出峰值電流600mA左右的紅外脈沖信號(hào)。系統(tǒng)僅消耗6mA左右的平均電流。

紅外發(fā)光二極管有二種驅(qū)動(dòng)方式[3]，即直流驅(qū)動(dòng)和脈沖驅(qū)動(dòng)。多數(shù)情況下采用脈沖驅(qū)動(dòng)，脈沖驅(qū)動(dòng)允許瞬間通過發(fā)光管的峰值電流大于額定電流(本電路的中，HG505通過的峰值電流為600mA左右)，效率較高。

1.2 前置放大器電路（如圖2所示）

通過光敏三極管Q2和R7串聯(lián)，將Q2接收到的紅外反射信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的交變電壓信號(hào)，通過電容C8耦合到放大電路中去，該信號(hào)通過運(yùn)放U3、U4進(jìn)行放大，兩級(jí)運(yùn)放能夠提供的最大信號(hào)增益約為1020。這兩級(jí)放大器的幅頻響應(yīng)曲線以20kHz為中心，由C8、C10、提供低頻段的二次衰減曲線，而高頻段的三次衰減曲線由C5和運(yùn)放內(nèi)部的電容來提供。

此電路中，光敏三極管Q2將接收到的紅外線脈沖轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后通過電容C8耦合到放大電路中去，其目的：抑制背景的需要，用交流耦合電路即具有這種功能；消除探測(cè)器上的任何直流偏置電位；能把探測(cè)器的1/f噪聲的干擾影響減至最小。

圖1 信號(hào)發(fā)射電路圖

圖2 紅外光電傳感器前置放大器電路

1.3 檢波電路 (如圖3所示)

圖3 檢波電路

圖4 選通驅(qū)動(dòng)電路

來自前置放大器輸出的20kHz的單音信號(hào)波形通過D3、D4、C12、R18、R19、C13網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換成直流并通過R20饋送到電壓比較器運(yùn)放的非反相輸入端上，此運(yùn)放的反相輸入端連接到可變電位器POT上。整個(gè)電路的工作過程為：當(dāng)一個(gè)20kHz的單音輸入信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，運(yùn)放的輸出為高電平，當(dāng)單音信號(hào)消失時(shí)，運(yùn)放的輸出為低電平，這樣，電壓比較器的輸出就隨單音脈沖信號(hào)的包絡(luò)線而變化。通過調(diào)節(jié)可變電位器POT來改變電路的靈敏度，當(dāng)運(yùn)放的反相輸入端電位越低，檢波電路的靈敏度越高；反之，靈敏度越低。

1.4 選通驅(qū)動(dòng)電路（如圖4所示）

來自U1③腳的信號(hào)與檢波電路的輸出信號(hào)一起送到選通門U6A，當(dāng)U1③腳是高電平且檢波器輸出信號(hào)也是高電平時(shí)，與非門輸出一個(gè)低電平觸發(fā)U7，U7③腳輸出高電平使Q3導(dǎo)通。選通門的目的在于消除雜散背景光的干擾，使與U1③腳的信號(hào)不同頻同相的信號(hào)被禁止，從而保證了在信號(hào)波形的“空白”部分中不被觸發(fā)，提高了傳感器的環(huán)境適應(yīng)能力。

U7、Q4、C15、R23、POT2組成單穩(wěn)態(tài)可重復(fù)觸發(fā)延時(shí)電路，在電路的暫穩(wěn)態(tài)期間內(nèi)，有新的觸發(fā)脈沖加入，電路的暫穩(wěn)態(tài)將延續(xù)，直到觸發(fā)脈沖的時(shí)間間隔超過tp0，電路才返回穩(wěn)態(tài)，當(dāng)U7②腳輸入負(fù)向脈沖后，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，三極管Q4導(dǎo)通，電容C15放電，輸入低電平撤除后，C15充電，U7⑥腳的電位上升，在未達(dá)到之前，電路仍然處于暫穩(wěn)態(tài)，如果此時(shí)，U7②腳又來負(fù)向脈沖，三極管Q4又導(dǎo)通，C15再次放電，電路將仍然維持在暫穩(wěn)態(tài)。只有在U7②負(fù)向脈沖出現(xiàn)后的tp0時(shí)間內(nèi)沒有新的觸發(fā)脈沖，電路才返回穩(wěn)態(tài)。tp0＝0.7 (POT2+R23) C15。延時(shí)時(shí)間tp0通過POT2來調(diào)節(jié)。

2 實(shí)際應(yīng)用

把傳感器靈敏度調(diào)到當(dāng)40×40cm白畫紙板與傳感器光軸正對(duì)時(shí)探測(cè)距離為6m，然后把香樟葉板與光軸成不同角度，記下傳感器的探測(cè)距離。

表1 反射面與傳感器光軸成不同角度時(shí)的探測(cè)距離

從表1發(fā)現(xiàn)：當(dāng)香樟葉板與光軸的角度越大，傳感器探測(cè)的距離越大，當(dāng)香樟葉板與光軸的角度越小，傳感器探測(cè)的距離越小。因?yàn)橄阏寥~板與光軸的角度影響到有效反射面，當(dāng)香樟葉板與光軸的角度越大，有效反射面越大，反射回來的光的能量也越大，傳感器的探測(cè)距離越大。反之，有效反射面越小，反射回來的光的能量也越小，傳感器的探測(cè)距離越小。

3 結(jié)束語

基于紅外發(fā)光二極管HG505和探測(cè)器是光敏三極管3DU5，設(shè)計(jì)了紅外光電探測(cè)系統(tǒng)電路。該系統(tǒng)中傳感器部分，紅外信號(hào)采用單音脈沖方式發(fā)射、采用濾波和選通方法接收，增強(qiáng)了探測(cè)系統(tǒng)在工作時(shí)的抗干擾能力，適用于距離探測(cè)應(yīng)用。

[1]A.G.U.佩雷拉. 紫外/紅外雙波段探測(cè)器技術(shù)改進(jìn)[J],2007, 50(3): 142-148.

[2]安東尼·Rogalski. 紅外探測(cè)器概述[J]. 2002, 43(3): 187-210.

[3]N.Snapi. 紅外物理科技技術(shù)[J]. 2007, 50(2): 100-105.