紅外傳感器電路的工作原理和應(yīng)用

紅外技術(shù)解決了各種各樣的無線應(yīng)用。主要領(lǐng)域是傳感和遙控。在電磁波譜中，紅外部分分為近紅外區(qū)、中紅外區(qū)和遠紅外區(qū)三個區(qū)域。

這些區(qū)域的波長及其應(yīng)用如下所示：

近紅外區(qū)域：700nm至1400nm—紅外傳感器，光纖

中紅外區(qū)域：1400nm至3000 nm—熱感應(yīng)

遠紅外區(qū)域：3000nm至1mm—熱成像

此外，紅外線的頻率范圍高于微波，低于可見光。

什么是紅外傳感器?

紅外傳感器，英文IR SENSOR，它是一種電子設(shè)備，以發(fā)射或檢測紅外輻射以感測其周圍環(huán)境。紅外傳感器可以測量物體的熱量并檢測運動。通常情況下，在紅外光譜中，所有物體都會輻射出某種形式的熱輻射。

這些類型的輻射我們?nèi)庋凼遣豢梢姷模梢酝ㄟ^紅外傳感器檢測到。發(fā)射器只是一個紅外LED(發(fā)光二極管)，檢測器只是一個紅外光電二極管，它對與紅外LED發(fā)射的波長相同的紅外光敏感。當紅外光落在光電二極管上時，電阻和輸出電壓將與接收到的紅外光的大小成比例地變化。

紅外線傳感器的類型

紅外傳感器分為主動紅外傳感器和被動紅外傳感器兩大類。

1、有源紅外傳感器

這種有源紅外傳感器包括發(fā)射器和接收器。在大多數(shù)應(yīng)用中，發(fā)光二極管用作光源，LED用作非成像紅外傳感器，而激光二極管用作成像紅外傳感器。

這些傳感器通過能量輻射工作，通過輻射接收和檢測。此外，可以使用信號處理器對其進行處理，以獲取必要的信息。這種有源紅外傳感器的最佳示例是反射和斷光傳感器。

使用光電晶體管的典型紅外接收器電路如下所示：

2、被動紅外傳感器

被動紅外傳感器僅測量紅外輻射，而不是發(fā)射它。被動紅外傳感器僅包括探測器，但不包括發(fā)射器。這些傳感器使用諸如發(fā)射器或紅外源之類的物體。該物體發(fā)射能量并通過紅外接收器進行檢測。之后，使用信號處理器來理解信號以獲得所需的信息。

被動紅外傳感器的最佳示例是熱釋電探測器、測輻射熱計、熱電偶、熱電堆等。

此外，被動紅外傳感器分為熱紅外傳感器和量子紅外傳感器兩種類型。熱紅外傳感器不依賴于波長。這些傳感器使用的能源被加熱，熱探測器的響應(yīng)速度和探測時間都很慢;而量子紅外傳感器取決于波長，這些傳感器包括高響應(yīng)和檢測時間，這些傳感器需要定期冷卻以進行特定測量。

典型紅外發(fā)射器的示意圖如下所示：

工作原理

紅外傳感器的工作原理類似于物體檢測傳感器。該傳感器包括一個紅外LED和一個紅外光電二極管，因此通過將這兩者結(jié)合起來，可以形成一個光耦合器。

紅外LED是一種發(fā)射紅外輻射的發(fā)射器。該LED看起來與標準LED相似，并且由此產(chǎn)生的輻射對人眼是不可見的。紅外接收器主要使用紅外發(fā)射器檢測輻射。這些紅外接收器以光電二極管形式提供。紅外光電二極管與普通光電二極管不同，因為它們僅檢測紅外輻射。紅外接收器的種類主要根據(jù)電壓、波長、封裝等不同而存在。

一旦它被用作紅外發(fā)射器和接收器的組合，那么接收器的波長必須等于發(fā)射器。這里的發(fā)射器是紅外LED，而接收器是紅外光電二極管。紅外光電二極管響應(yīng)通過紅外LED產(chǎn)生的紅外光。光電二極管的電阻和輸出電壓的變化與獲得的紅外光成正比，這正是紅外傳感器的基本工作原理。

一旦紅外發(fā)射器產(chǎn)生發(fā)射，它就會到達物體，一些發(fā)射將反射回紅外接收器。紅外接收器可以根據(jù)響應(yīng)的強度決定傳感器輸出。

紅外傳感器電路圖

典型的紅外感應(yīng)電路如下所示：

它由一個紅外LED、一個光電二極管、一個電位器、一個運算放大器和一個LED組成。

紅外LED發(fā)出紅外線，光電二極管檢測紅外光，運算放大器用作電壓比較器，電位器用于根據(jù)需要校準傳感器的輸出。

當紅外LED發(fā)出的光擊中物體后入射到光電二極管上時，光電二極管的電阻會從一個巨大的值下降。運算放大器的輸入之一處于電位器設(shè)置的閾值。運算放大器的另一個輸入來自光電二極管的串聯(lián)電阻。當入射輻射更多地作用在光電二極管上時，串聯(lián)電阻上的電壓降會很高。在運算放大器中，比較閾值電壓和串聯(lián)電阻兩端的電壓。如果電阻串聯(lián)到光電二極管的電壓大于閾值電壓，則運算放大器的輸出為高電平。當運算放大器的輸出連接到LED時，它會亮起，可以根據(jù)環(huán)境條件通過調(diào)節(jié)電位器來調(diào)節(jié)閾值電壓。

紅外LED和紅外接收器的位置是一個重要因素。當紅外LED直接放在紅外接收器前面時，這種設(shè)置稱為直接入射。在這種情況下，幾乎來自紅外LED的全部輻射都將落在紅外接收器上。因此，紅外發(fā)射器和接收器之間存在視線通信。如果一個物體落在這條線上，它會通過反射輻射或吸收輻射來阻止輻射到達接收器。

使用晶體管的紅外傳感器電路

使用晶體管的紅外傳感器的電路圖如下所示，即使用兩個晶體管的障礙物檢測電路。該電路主要用于使用紅外LED進行障礙物檢測。所以，這個電路可以用NPN和PNP這樣的兩個晶體管來構(gòu)建。對于NPN，使用BC547晶體管，而對于PNP，使用BC557晶體管。這些晶體管的引腳排列是相同的。

在上述電路中，一個紅外LED始終打開，而另一個紅外LED連接到PNP晶體管的基極端子，因為該紅外LED充當檢測器。該紅外傳感器電路所需的組件包括電阻器100歐姆和200歐姆、BC547和BC557晶體管、LED、紅外LEDs-2。制作該紅外傳感器電路的分步過程包括以下步驟：

使用所需組件按照電路圖連接組件

將一個紅外LED連接到BC547晶體管的基極端子

將紅外LED連接到同一晶體管的基極端子

將100Ω電阻連接到紅外LED的剩余引腳

將PNP晶體管的基極端子連接到NPN晶體管的集電極端子

按照電路圖中的連接方式連接LED和220Ω電阻

一旦電路的連接完成，然后將電源提供給電路進行測試

一旦檢測到紅外LED，來自物體的反射光將激活一個小電流，該電流將供應(yīng)整個紅外LED檢測器。這將激活NPN晶體管和PNP，因此LED將打開。該電路適用于制作不同的項目，例如當人靠近燈光時自動啟動燈。

區(qū)分黑色和白色光

普遍的情況是，黑色吸收入射在其上的全部輻射，而白色反射入射在其上的全部輻射。基于此原理，可以進行傳感器對的二次定位。紅外LED和光電二極管并排放置。當紅外發(fā)射器發(fā)射紅外輻射時，由于發(fā)射器和接收器之間沒有直接的接觸線，發(fā)射的輻射在撞擊任何物體后必須反射回光電二極管。物體表面可分為反射面和非反射面兩種。如果物體的表面本質(zhì)上是反射性的，即它是白色或其他淺色，則大部分入射到其上的輻射將被反射回來并到達光電二極管。

根據(jù)反射回來的輻射強度，如果物體的表面本質(zhì)上是非反射性的，即它是黑色或其他深色，它會吸收幾乎所有入射到其上的輻射。由于沒有反射輻射，因此沒有輻射入射到光電二極管上，并且光電二極管的電阻保持較高，不允許電流流動。這種情況類似于根本沒有物體。

上述場景的圖示如下所示：