基于热释电探测器的人体红外感应单元设计

0 引言

热释电红外探测器价格低廉、功耗低、稳定性高，对8～14 μm的红外线特别敏感，这恰好是人体辐射的范围，因此多将其应用于自动开关，如自动门、自动报警装置[1]等方面。这类应用的原理是将红外线经菲涅尔透镜调制后，聚焦到敏感元，敏感元将红外辐射变化转换为微弱的模拟电压变化，该信号二值化后产生开关信号，驱动开关闭合或报警器报警等后续动作[2]。在菲涅尔透镜对红外信号进行调制的过程中，若进行距离和视角的特殊调制，结合热释电探测器的排列位置对视场进行明暗分区，再通过特殊的定位算法，就可以更精确地定位人体目标[3]。这种定位方法的探测距离在8m左右，且输出信号会逐渐衰减，产生很多无意义的信息，使得信号处理非常困难[4]。还有一种基于感应单元方向性的定位方法[5]，即在感应视场角度小、距离长的前提下，将感应单元的的探测范围看作一条射线，通过多个红外感应单元的排列使探测范围相互交叉形成许多个目标位置点，判断哪两个感应单元检测到目标人体就可以得知具体位置。这种定位方法对红外感应单元提出了很高的要求，感应视场角度要足够小，视场宽度不能超过一个人正常的宽度，而且探测距离的延长能够大幅提升该定位系统的应用价值。为此对红外感应单元进行设计，通过光学透镜调制和合适的外形结构，增加红外感应单元的探测距离，减小视场角度，并设计实验验证红外感应单元的性能。

1 红外感应单元设计

1.1 热释电传感器及光学调制

敏感元选用LHI968双元热释电探测器，该传感器在0.1～10 Hz范围内响应率较大[6]，与人体目标正常运动时的频率范围一致，而且抗干扰抗辐射性能好，非常适合在红外感应单元中应用。但是LHI968的视场角度很大，水平和垂直方向的视场角度均有100°，无法应用在人体定位系统中，所以选用锗窗口红外光学透镜对其进行光学调制。锗材料制作的光学透镜具有很好的聚焦能力，感应视场只有3°～5°，能够大幅提高感应单元的方向性。锗窗口红外透镜[7]能够透过2～20 μm波长范围的光，折射率为40%，而人体辐射出的波长为8～14 μm[8]，在锗材料的透过范围内，在透镜表面镀一层增透膜可以将折射率降至10%以下，100 ℃以内温度对透镜性能几乎没有影响。设计的红外透镜实物图如图1所示。

图1 红外透镜实物图

1.2 外部结构设计

红外感应单元主要由3部分构成，锥形不锈钢外壳、锗窗口红外光学透镜以及热释电红外探测器，透镜与红外探测器固定在锥形外壳的轴心位置，锥形外壳的长度为焦距，不锈钢外壳屏蔽了透镜到敏感元的传输光路上的大部分干扰，提高了感应单元的抗干扰性能，也有一定的聚光能力。这样的结构对于提高感应方向性、增加探测距离都有一定帮助，图2为红外感应单元组装图。

图2 红外感应单元组装图

2 模拟信号处理模块设计

2.1 敏感元输出信号实验

为设计出合理可行的信号调理电路，探究敏感元的输出特性，采用直接给热释电红外探测器供+5 V电的方式，用示波器观察敏感元输出的信号波形，如图3所示。设计一组对比实验，目标人体身高175 cm，感应单元固定在1.5 m的高度，实验场所为空旷的室外，实验一使红外感应单元的光学透镜一侧不出现人体目标，实验二目标人体在垂直于感应单元焦距方向0.5 m 处走过，输出信号如图4、图5所示。

图3 热释电探测器直接输出信号实验

图4热释电红外探测器直接输出信号波形图

图5 目标人体通过时输出信号波形图

从实验结果可以看出，没有目标人体通过时热释电探测器输出的是一个770 mV左右的直流电压，同时伴有高频电压噪声，噪声在直流电压附近200 mV的范围内波动。有目标人体通过探测器的情况下，输出信号波形中有方框标注处是目标人体正在通过的输出信号。从波形图中可以看出，目标人体每次通过时会产生一个小的波峰，这个波峰只比直接输出信号高几mV，很难判断波形的具体形状。但是由这组对比实验可以确定，每次目标人体通过红外感应单元时，会输出一个峰值在几mV左右的波峰，附在一个770 mV的低频电压信号上。

2.2 信号调理电路设计

根据热释电探测器直接输出的信号波形，调理电路主要实现信号的放大和滤波，放大倍数至少在100倍以上，采用0.2～10 Hz的低频带通滤波器，设计电路如图6所示。C1、R1构成的低通滤波电路对探测器输出的高频信号进行滤波后，进入一级放大电路，再经过耦合电容C4隔离直流信号，R5、C5构成的二级放大电路对信号再放大。图中VCC为+5 V，经滤波后给探测器供电，通过R7、R8分压后输入到二级运放的正端调整整个红外感应单元的静态工作点，使输出保持在0～5 V便于信号采集。

图6 信号调理电路示意图

计算得到信号的放大倍数K为

式中f为信号的频率。

由此式画出信号放大倍数与频率的关系如图7所示，可以看出，信号调理电路对0.2～10 Hz频率范围内的信号放大效果良好。

图7 放大倍数与频率的关系

3 实验验证

3.1 最远距离测试实验

目标人体身高175 cm，感应单元固定在1.5 m的高度，实验场所为空旷的室外，红外感应单元后接入信号调理电路和声音报警器，使红外感应单元检测到目标人体时发出警报。目标人体在垂直于红外感应单元焦距方向上匀速走过，实验范围在0～55 m内，每次实验距离增加5 m，实验示意图如图8所示。每次目标人体通过红外感应单元焦距方向时，若报警器响起则表明红外感应单元的探测距离可以达到这一范围。

图8 探测最远距离实验示意图

实验结果显示，在45 m范围内，目标人体走过时报警器都发出了警报；在45～50 m范围内缓慢走过时报警器报警，快速走过时不报警；超过50 m目标人体走过时偶尔检测不到。由此可以验证，本设计中的红外感应单元最远探测距离达到45 m。

3.2 探测方向性实验

为了将红外感应单元应用在人体定位系统中，感应单元的方向性是研究的重点，缩小视场范围是提高感应单元方向性的重要手段，在此进行实验探究红外感应单元的视场范围。由于光沿直线传播，所以假设感应视场的角度不变，视场宽度随着距离的增加而增加。如图9实验示意图所示，目标在距红外感应单元垂直距离45 m内的位置从A、B、C、D、E、F、G等位置走过，方向为焦距的垂直方向，报警器报警时记下A′、B′、C′、D′、E′、F、′G′等点，每隔1 m进行一次实验。同理在反方向标记H′、I′、J′、K′、L′、M′、N′及其中每m处的报警点，将所有报警点连线，两条线之间的范围就是红外感应单元的视场范围。

图9 红外感应单元感应视场实验示意图

经过反复实验得到红外感应单元的实际视场范围如图10所示。图中坐标原点为红外感应单元，一二象限中的2条线为报警点的连线，2条线之间的区域即为视场范围。距红外感应单元13 m范围内，视场角度基本不变化，约为3°，视场宽度随距离增加，最大视场宽度0.7 m；距感应单元13～20 m区间，视场宽度为0.7 m基本不变；距感应单元20～30 m区间，视场角度和视场宽度都随距离增加而减小；距感应单元30 m之外，视场宽度基本不变，约为0.4 m。

图10 红外感应单元实际视场图

虽然红外感应单元的最远探测距离在45 m，但是由于红外辐射的衰减和聚焦能力下降，距感应单元超过13 m后只能在焦距方向上的很小宽度内检测到人体目标，超过30 m后这一宽度仅有0.4 m，而一个成年人的肩宽大约为0.4～0.5 m，因此应用在定位时就可以把人体目标当作一个点，红外感应单元的视场当作射线，有效提高了红外感应单元的方向性。

4 结束语

提出了一种基于热释电探测器的红外感应单元，选用LHI968热释电红外探测器作为敏感元，探究其输出特性，设计了滤波放大电路使输出信号在0～5 V。采用锗窗口红外光学透镜进行光学调制，减小视场角度，增加红外线的透过率，采用锥形结构外形增强聚焦能力，使感应单元的方向性大幅改善，最远探测距离达到45 m，对于后续多个红外感应单元组成人体定位系统的研究具有重要意义。