远距离红外光遥控继电器控制电路设计Word文件下载.docx
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第一节红外光的概念及用途…………………………………………3
1.1红外电视………………………………………………………3
1.2热红外探测系统………………………………………………4
第二节红外光的发展历史……………………………………………5
第三节红外技术的内容及发展方向…………………………………6
3.1红外技术的内容………………………………………………6
3.2红外技术的现状及发展方向…………………………………6
第二章外围硬件说明……………………………………………………8
第一节热释电红外传感器的工作原理………………………………8
第二节热释电红外传感器的基本结构………………………………9
第三节菲涅尔透镜工作原理与结构…………………………………11
第三章系统性能与参数设定……………………………………………13
第一节系统电路性能介绍……………………………………………13
第二节热释电红外传感器的主要技术参数…………………………15
第三节热释电红外传感控制电路计算………………………………16
第四章安装使用说明…………………………………………………18
第一节热释电红外传感器安装与使用说明…………………………18
第二节热释电红外探测器的布置和安装……………………………19
第三节菲涅尔透镜的安装及其外形视场……………………………22
附表一元器件选择………………………………………………………25
一．发射电路元器件…………………………………………………25
二．控制电路元器件…………………………………………………26
附表二参考文献…………………………………………………………28
附图…………………………………………………………………………29
前言
1887年，人们在实验室中成功地产生了红外线，使人们认识到：
可见光、红外线和无线电波在本质上都是一样的。
到了20世纪，由于生产实践的需要，推动了各项新技术的发展，红外科学也从实验室走出来，开始应用到生产上，并形成了一门崭新的技术-红外技术。
最近二三十年来，初露头角的红外技术，在生活、工业、农业、医学、宇宙开发、军事等方各个领域里获得了广泛的应用。
红外遥控技术早在70代的十年来得到了迅猛发展，尤其在家电领域如彩电、DVD、空调等，也在其它电子领域得到广泛应用，随着人们生活水平的提高，对产品的追求是使用更方便、更具智能化，红外遥控技术正是一个重点的发展方向
在红外技术的发展中，60年代激光的出现极大地影响了红外技术的发展，很多重要的激光器件都在红外波段，其相干性便于移用电子技术中的外差接收技术，使雷达和通信都可以在红外波段实现，并可获得更高的分辨率和更大的信息容量。
在此之前，红外技术仅仅能探测非相干红外辐射，外差接收技术用于红外探测，使探测性能比功率探测高好几个数量级。
为了运用所学的知识并且检查自我查找资料的能力、更近一步了解红外光在电子电路中的应用原理，特做此毕业设计课题。
在本设计中将在第一章中介绍红外光的概念、用途及实例、红外光的发展史、红外技术的内容及其发展方向；
在第二章中将介绍热释电传感器的工作原理、基本结构和菲涅尔透镜工作原理与结构；
在第三章中介绍系统电路性能介绍和相关参数的计算；
在第四章中主要介绍热释电红外探测器的布置和安装和菲涅尔透镜的安装及其外形视场；
在第五章中做个所使用元器件明细表便于制作和使用！
在做此毕业设计课题的过程中，根据所学知识外并且查找了许多资料，另外还有王煜东老师的鼎立支持和辅导帮助，在此特别感谢王老师以及这些参考文献的作者们表示忠心的感谢。
由于本人水平有限，编写时间仓促，设计课题中疏漏、错误之处在所难免，恳请大家批评指正，在此特别感谢！
编者
2008-1-1
第一章绪论
第一节红外光的概念及用途
红外线亦称“红外光”。
在电磁波谱中，波长介于红光和微波间的电磁辐射。
在可见光的范围以外，波长比红光要长，有显著的热效应，可以用温差电偶、光敏电阻等仪器来测量，波长在0.77～3微米为近红外区；
3～30微米为中红外区；
30～1000微米为远红外区。
红外线容易被物体吸收，转化为物体的内能；
在通过云雾等充满悬浮粒子的物质时，不易发生散射，具有较强的穿透能力，红外线应用很广，可用以焙制食品、烘干油漆以及进行医疗等。
物质对红外线的吸收光谱对研究物质的分子结构、化学分析及化学工业上的控制有重要意义。
军事上常用红外探测器来探测目标，以及红外通信等。
1.1红外电视
利用被摄景物本身的热辐射或反射的红外线来进行电影摄像和显示的系统称为红外线电视。
适于非接触和非破坏性检查，常应用于工业、医学、宇宙开发、军事等方面。
不久前，科技人员研制成功一种叫做热释电摄像机的仪器，也就是红外电视。
可以利用它来探测火源，检查火灾隐患，对火灾进行监视，并能及时发出警报，被人们誉为“监视火情的哨兵”。
由于红外电视摄像机，是依靠被摄物体发出的红外线来摄像的，被摄物体的温度越高，发出的红外线越强，拍摄成的图像也就越清晰。
所以，红外电视能不受烟雾、阴云和风雨等阻隔，非常灵敏地对各种火情进行检查，把火灾扑灭在刚刚露头的时候。
红外电视摄像机，再配置上火灾识别器、自动跟踪系统，搜索机构和望远镜，便构成了一种新型的城市火情自动监控系统。
它可以自动搜索和发现五、六公里远处2～3平方米那么大小的火源，并能自动跟踪和报警。
这样，就可以实现消防指挥调度自动化，为及时发现火灾，消灭火灾，提供了现代化的技术手段。
红外电视，还在工业上用于暗室操作的监控，无损伤，自然资源的热勘探；
在农业上用于探测森林、牧场的火情；
交通上用于透雾导航等。
红外电视还是个“夜光眼”呢！
它可以在一片漆黑的情况下，对敌人的阵地、军事设施进行有效地侦察，即使隐蔽得十分巧妙的敌人潜伏哨，也逃不脱它的敏锐的火眼金睛；
也可以用在边防哨所上，对某一特定地区实行监视；
还可以“透”过雪层，“看”到躲在雪底下的敌人。
还有一种红外显微镜。
一提起显微镜，人们往往认为这是一种用来放大微小物体的仪器。
其实，它却是一种用作测量温度的仪器。
不过，它与一般的温度测量仪不同，可以用来测量十分微小的点上的温度。
微小的点上的温度，虽然也可以用半导体点温计来测量，但由于它在测量时要与物体表面直接接触，很容易影响被测点的物理化学性质；
如果用红外显微镜来测量，不仅可以克服这些缺点，而且比半导体点温计精确得多。
红外技术，虽然是初露锋芒，但我们深信，伴随着科学技术的不断发展，它必将为我们做出许多可以预料得到乃至预料不到的奇妙的事情来。
1.2热红外探测系统
热红外探测系统是红外线的一个重要应用。
由于任何一个辐射红外线的物体都是与周围其它物体不同的热源，也就是一个物体与周围的环境有温度的差别，热红外探测系统就是通过探测温度差而发现目标的。
例如军事上利用这种装置发现藏在树丛中的敌人和敌方正在行进的车辆、坦克等。
在电影或者电视中经常会看到这样的战斗场面，两架飞机在空中互相追逐，突然后面的飞机射出一枚导弹，而另一架见此立即不断地改变飞行方向，一会儿转弯，一会儿上下翻滚，但几秒钟后仍被导弹击中。
为什么飞机甩不掉导弹呢？
这是因为飞行着的飞机发动机的排气管就是一个红外辐射源，而装有红外探测仪的导弹会毫不困难地发现它。
虽然飞机极力想摆脱导弹，但导弹上的电子导航系统又使得导弹始终咬住热源，这样速度低于导弹的飞机焉能不被击中。
此外，红外线比红光具有更大的热作用，穿透能力也很强，用它来烘干东西既快又好。
因此人们常常利用它来干燥飞机、轮船和汽车的油漆。
过去，自然干燥常常使油漆物的表面形成一个硬壳，里面的湿气散发不出去，形成一个气泡，影响油漆质量。
利用红外线干燥油漆，就没有这个弊病了。
红外线穿透能力很强，可以利用它来染合成纤维织物。
比如，红外线高温渗透到锦纶织物内部以后，会使锦纶织物的结构发生变化，使得颜料很容易进到纤维内部，把颜料固定在织物上，并把它烘干。
这样，人们就能利用红外线把锦纶织物染成各种鲜艳的颜色。
红外线是一种人的肉眼看不见的光线，可以利用它组成一道看不见的防线。
为了做好仓库的防护工作，可以借助于反光镜，将红外线巧妙地围着仓库绕一圈，然后投射到一只能感受红外线照射的光电管上，让光电管发出电流来。
把反光镜、光电管等很好地隐蔽起来，组成一道难以察觉的防线。
如果有人敢于向仓库侵犯，它就会遮断了红外线，红外线一旦被遮断光电管就停止了工作，连接在光电管身上的一个开关立刻关闭，警报电铃就会响起来。
所以红外在生活、工业、农业、军事、科技、航天等各个领域都有着莫大的用途和作用！
第二节红外光的发展历史
自从1800年英国天文学家赫歇尔发现红外辐射至今，红外技术的发展经历了将近两个世纪。
从那时开始，红外辐射和红外元件、部件的科学研究逐步发展，但发展比较缓慢，直到1940年前后才真正出现现代的红外技术。
当时，德国研制成硫化铅和几种红外透射材料，利用这些元、部件制成一些军用红外系统，如高射炮用导向仪、海岸用船舶侦察仪、船舶探测和跟踪系统，机载轰炸机探测仪和火控系统等等。
其中有些达到实验室试验阶段，有些已小批量生产，但都未来得及实际使用。
此后，美国、英国、前苏联等国竞相发展。
特别是美国，大力研究红外技术在军事方面的应用。
目前，美国将红外技术应用于单兵装备、装甲车辆、航空和航天的侦察监视、预警、跟踪以及武器制导等各个领域。
红外技术发展的先导是红外探测器的发展。
1800年，赫歇尔发现红外辐射时使用的是水银温度计，这是最原始的热敏型红外探测器。
1830年以后，相继研制出温差电偶的热敏探测器、测辐射热计等。
在1940年以前，研制成的红外探测器主要是热敏型探测器。
19世纪，科学家们使用热敏型红外探测器，认识了红外辐射的特性及其规律，证明了红外线与可见光具有相同的物理性质，遵守相同的规律。
它们都是电磁波之一，具有波动性，其传播速度都是光速、波长是它们的特征参数并可以测量。
20世纪初开始，测量了大量的有机物质和无机物质的吸收、发射和反射光谱，证明了红外技术在物质分析中的价值。
30年代，首次出现红外光谱代，以后，它发展成在物质分析中不可缺少的仪器。
40年代初，光电型红外探测器问世，以硫化铅红外探测器为代表的这类探测器，其性能优良、结构牢靠。
50年代，半导体物理学的迅速发展，使光电型红外探测器得到新的推动。
到60年初期，对于1～3、3～5和8～13微米三个重要的大气窗口都有了性能优良的红外探测器。
在同一时期内，固体物理、光学、电子学、精密机械和微型致冷器等方面的发展，使红外技术在军、民两用方面都得到了广泛的应用。
第三节红外技术的内容及发展方向
3.1红外技术的内容
红外技术的内容包含四个主要部分：
1.红外辐射的性质，其中有受热物体所发射的辐射在光谱、强度和方向的分布；
辐射在媒质中的传播特性--反射、折射、衍射和散射；
热电效应和光电效应等。
2.红外元件、部件的研制，包括辐射源、微型制冷器、红外窗口材料和滤光电等。
3.把各种红外元、部件构成系统的光学、电子学和精密机械。
4.红外技术在军事上和国民经济中的应用。
由此可见，红外技术的研究涉及的范围相当广泛，既有目标的红外辐射特性，背景特性，又有红外元、部件及系统；
既有材料问题，又有应用问题。
3.2红外技术的现状及发展方向
从60年代中叶起，红外探测器和系统的发展体现了红外技术的现状及发展方向。
1.在1～14微米范围内的探测器已从单元发展到多元，从多元发展到焦平面阵列。
红外探测器最早是用单元探测器，为了提高灵敏度和分辨率，后来发展为多元线列探测器。
多元线列探测器先后扫过（串扫）同一目标时，它输出的信噪比可比单元探测器高n（开平方）倍，n为元数。
如果多元线列探测器平行扫过（平扫）目标时，则可获得目标辐射的一维分布。
以线列探测器为基础的红外探测系统，大都安装在飞机或卫星遥感平台上，平台的前进运动垂直于线列作为第二维时，就可得到目标辐射的分布图像。
现在，红外探测器已从多元发展到焦平面阵列，相应的系统已实现了从点探测到目标热成像的飞跃。
红外热成像仪是一种最有发展前途的设备，代表着夜视器材的发展方向，它用焦平面阵列取代了光机扫描结构。
目前，长波碲镉汞（HgCdTe）探测器面阵已达640״80元，焦平面阵列探测器的实验室水平已达256ײ56元，预计到2000年可达到百万元。
2.红外探测器的工作波段从近红外扩展到远红外。
早期的红外探测器通常工作在近红外。
随着红外技术的发展，红外探测器的工作波段已扩展到中红外和远红外，例如，美国国防高级研究计划局提出了一项超波谱地雷探测计划，目的是为了提供一种安全有效地探测地雷的方法。
该计划采用空间调制成像傅里叶变换光谱仪，这是一种红外传感器，它已在直升机上进行了近、中波段的试验，下一步计划把工作波段延伸到远红外。
远红外已经成为科学家们关注的重点。
3.轻小型化。
非致冷、集成式、大面阵红外探测器方向发展。
采用低温制冷技术，是为了提高红外探测器件的灵敏度和输出信号的信噪比，使其具有良好的性能，但它也使红外探测器体积大、成本高。
为了实现小型化，必须减少制冷设备和相关电源，因此，高效小型制冷器和无需制冷的红外探测器将是今后的发展方向。
如采用非致冷工作的红外焦平面阵列技术，不仅可使系统成本降低2个数量级，而且可以使体积、重量和功耗也将大大减少。
此外，利用材料电子计算机和微电子方面的最新技术，可使红外探测器与具有一定数据处理能力的数据处理设备相结合，使其轻集成化、大面阵、焦平面化方向发展，以提高其性能，实现对室温目标的探测。
4.红外探测系统从单波段向多波段发展。
正如前面所述：
在大气环境中，目标的红外辐射只能在1～3、3～5和8～13微米三个大气窗口内才能有效地传输。
如果一个红外探测系统能在两个或多个波段上获取目标信息，那么这个系统就可更精确、更可靠地获取更多的目标信息，提高对目标的探测效果，降低预警系统的虚警概率，提高系统的搜索和跟踪性能，适用更多的应用需求，更好地满足各军兵种的需要。
目前，多波段的红外探测系统已经研制成功，如法国和瑞典联合研制的"
博纳斯"
末敏子弹药，就采用了多波段红外探测系统探测目标。
第二章外围主要硬件说明
第一节热释电红外传感器的工作原理
自然界的任何物体，只要其温度高于绝对零度（-273℃），总是不断地向外发出红外辐射，并以光的速度传播能量。
物体向外辐射红外辐射的能量与物体的温度和红外辐射的波长有关。
假定物体发射红外辐射的峰值波长为λm，它的温度为T，则辐射能量等于红外辐射的峰值波长λm与物体温度的乘积。
这一乘积为一常数，即λm*T=2998≈3000（µ
m*K）.
物体的温度越高，它所发射的红外辐射的峰值波长越小，发出红外辐射击的能量也越大。
某些被称为“铁电体”的电介质材料，如钛酸铅、硫酸三甘钛、钽酸锂等，受到红外辐射后其温度会升高，这种现象称为红外辐射的热效应，能够在红外辐射击下产生热效应的材料称为热电系数材料。
上述材料便是这种能在红外辐射下产生热效应的高热电系数材料。
通常，电介质的内部是没有载流子的，因此它没有导电能力，但是任何电介质毫无例外都是由带电粒子组成的，即由电子和原子核组成的，在外加电压的作用下，这些带电粒子也要发生移动，带正电荷的粒子趋向负极，带负电荷的粒子趋向正极。
其结果是使电介质的一个表面带正电，另一个表面带负电，电介质内部的电荷顺着外加电场的方向运动，形成一种电流，这个电流称为位移电流。
但是当极化状态建立之后，位移电流即消失。
对于大多数的电介质，当电压除去后，极化状态随之消失，其带电粒子的运动又恢复原来状态。
对于上述现象，某些铁电体电介质材料却是个例外，像上述的几种铁电体材料，当被极化后撤去外加电压时，这种极化现象仍然被保留下来，这种现象被称为自发极化。
自发极化的强度与温度相关，当温度升高时，极化强度降低。
自发极化的铁电体平时靠捕捉大气中的浮游电荷保持平衡状态。
当受到红外辐射后，其内部温度便会升高，介质内部的极化状态便随之降低，它的表面电荷浓度也降低了，这也就相当于“释放”了一部分电荷，这种现象称为电介质的热释电效应。
将释放出的电荷通过放大器放大后就成了一种控制信号，利用这一原理制成的红外传感器称为热释电红外传感器。
需要指出的是，如果红外辐射持续下去，电介质的温度就会升到新的平衡状态，表面电荷也同时达到平衡。
这时它就不再释放电荷，也就不再有信号输出了，因此，对于这类热释电红外传感器，只有在红外辐射强度不断变化，它的内部温度随之不断升降的过程中，传感器才有信号输出，而在稳定状态下，输出信号则为零。
因此在应用这类传感器时，应设法使红外辐射不断变化，这样才能使传感器不断有信号输出，为了满足这一要求，通常在热释电传感器的使用中，总是要在它的前面加装一个菲涅尔透镜。
第二节热释电红外传感器的基本结构
热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。
按照探测元的数目来分，热释电红外传感器有单元、双元和四元等几种，用于人体探测的红外传感器采用双元或四元式结构。
按照热释电红外传感器的用途来分，有以下几种：
用于测量温度的传感器，它的工作波长为1～20µ
m；
用于火焰探测的传感器，它的工作波长为4.35±
0.15µ
用于人体探测的传感器，它的工作波长为7～5µ
m。
将高热电材料制成一定厚度的薄片并在其两面镀上金属电极，然后加电进行极化，这样便制成了热释电探测元。
由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的空洞元也是有正、负极性的。
图1是一个双探测元的热释电红外传感器的结构示意图。
该传感器将两个极性相反，特性一致的探测元串接在一起，目的在于消除因环境温度和自身变化引起的干扰。
它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号可在内部相互抵消的原理，使传感器起到补偿的作用。
对于辐射至传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上，因此传感器会输出探测信号电压。
图1双探测元的热释电红外传感器的结构示意图
用来制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料，它的探测波长范围为0.2～20µ
为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，在传感器的窗口上加装了一块干涉滤光片。
这种滤光片除了允许某波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和其他红外辐射拒之门外。
红外辐射在大气中传播时会被大气吸收而降低辐射强度，不过这种吸收对整个红外辐射波段的吸收是不均匀的。
在1～2.5µ
m、3～5µ
m、8～14µ
m这三个波长范围内，大气的吸收是很小的。
人体辐射的红外线波长约为9.5µ
m，恰好位于8～14µ
m这个大气窗口的波长范围内。
因此人体发出的红外辐射能够较好的穿过大气到达热释电红外传感受器。
热释电红外探测元的阻抗高达1000兆欧，因此必须采用变换元件对其输出的信号进行阻抗变换后才能作为控制信号输出。
通常使用具有高输入阻抗的场效应管，将其接成源极跟随器，使其变成低输出阻抗的控制信号，与放大器的输入端相匹配。
这和驻极体话筒中采用场效应管进行阻抗变换的作用很相似，其中电阻Rg是用来释放场效应管的栅极电荷，使其正常工作的。
热释电型红外传感器是由于热电效应原理的热电型红外传感器.热释电型红外探测器是根据热释电效应制成的,即电石、水晶、酒石酸钾钠、钛酸钦等晶体受热产生温度变化时,其原子排列将发生变化,晶体自然极化,在其两表面产生电荷的现象称为热释电效应.用此效应制成的"
铁电体"
其极化强度与温度有关,当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片上时引起薄片温度升高,使其极化强度降低,表面电荷减少,这相当于释放译部分电荷,所以叫做热释电型传感器.如果将负载电阻与铁电体薄片相连,则负载电阻上便产生一个电信号输出,输出信号的强弱取决于薄片温度变化的快慢,从而反映出入射的红外辐射的强弱,热释红外传感器的电压响应率正比于入射光辐射率变化的速率.人体有恒定的体温,一般在37℃,所以会发出特定波长为10µ
m左右的红外线.被动式红外探头就是靠探测人体发射的10um左右的红外线进行工作的.人体发射的10um左右的红外线,通过菲涅耳滤光片增强后,聚集到红外感应源上.红外感应源通常采用热释电元件.这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时将会失
去电荷平衡,向外释放电荷,后续电路经检测后产生报警信号.
第三节菲涅尔透镜工作原理与结构
菲涅尔透镜是人体热释电红外传感器不可缺少的组成部分，其作用有二：
一是聚焦作用，将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外元上；
二是将探测区域内的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生热变化的热释电红外信号。
产生交替变化的红外辐射高灵敏区和肓区，以适应热释电探测元要求不断变化的要求。
菲涅尔透镜简单的说就是在透镜的一侧有等距离的齿纹，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（被动红外探测器）。
PIR广泛的用在报警器上,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10µ
m左右（人体红外线辐射的峰值）。
它可以把透过窄带干涉滤光镜的光聚焦在硅光电极探测器的光敏面上。
它由有机玻璃制成，不能用任何有机溶液拭察。
除尘可以用蒸馏水或普通净水冲洗，再用脱脂棉察拭。
菲涅尔透镜一般用塑料制造，先将塑料加工成薄镜片，然后对镜片进行棱状或梳状处理，使镜片成为灵敏区和肓区交替出现的透镜。
在使用时，将热释电传感器安装于透镜的焦点区，这样有人在镜前移动时，其辐射的红外线变会通过透镜形成高灵敏区和肓区交替出现的红外辐射并传到传感器的探测元上，使探测元产生时强时弱的或时有时无的电脉冲信号，并通过阻抗变换器的变换由输出端输出。
如图2所示：
是一种菲涅尔透镜的外形和视场图。
侧视图和俯视图反映了透镜的监视范围，当有人在这一范围移动时，菲涅尔透镜变会将透镜形成的强弱不断变化的红外辐射脉冲作用于传感器，由于人的移动速度不可能相同，因此它形成的红外辐射脉冲的频率一般在0.1～10HZ范围内。
图2菲涅尔透镜的外形和视场图
菲涅尔透镜的主要技术指标有：
形尺寸，根据传感器和探测需要来设计和生产不同尺寸的透镜。
水平视角和垂直视角，它表明透镜的可监视范围。
焦距，它表明镜片与传感器的安装距离。
如图3是几种常用透镜的外形图。
图3几种常用透镜的外行图
第三章系统性能与参数设定
第一节系统电路性能介绍
远距离红外光遥控继电器控制电路由中功率红外发射电路和红外接收、控制电路两部分组成，其遥控距离可达30m左右，控制准确、可靠性高。
如附图a所示电路为红外发射电路，它由调制脉冲振荡器、载频振荡器和红外发射驱动级组成。
调制脉冲振荡器和载频振荡器是以一只双时基集成电路LM556为核心组成的。
LM556内含两个时基电路，相当于两块LM555集成电路，
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