光电子技术基础课程设计指导书
西安理工大学
2010 年 12 月
目录
第 1 章 激光测距技术原理…………………1
激光的特点
相位法激光测距技术原理
第 2 章 光电池及其应用电路分析………………………….7
第 3 章 热释电传感器及其应用…………………………….13
第 4 章 光电耦合器及其应用电路 …………………………24
第 1 章 激光测距技术原理
激光的特点
1.激光的亮度高。固体激光器的亮度更可高达 1011W／cm2Sr 这是因为激光
虽然功率有限，但是由于光束极小，于是具有极高的功率密度，所以激光的
亮度一般都大于我们所见所有光（包括可见光中的强者：太阳光），这也是
激光可用于星际测量的根本原因所在；
2.激光的单色性好。这是因为激光的光谱频率组成单一。 3.激光的方向性好。
激光具有非常小的光束发散角，经过长距离的飞行以后仍然能够保持直线传
输；
4.激光的相干性好。我们通常所见到的可见光是非相干光，激光可以做到他
们都做不到的事情，比如说切割钢材。
在测距领域，激光的作用更是不容忽视，可以这样说，激光测距是激光应用
最早的领域（1960 年产生，1962 年即被应用于地球与月球间距离的测量）。
测量的精确度和分辨率高、抗干扰能力强，体积小同时重量轻的激光测距仪
受到了大多数有测距需求的企业、机构或个人的青睐，其市场需求空间大，
应用领域广行业需求多，并且起着日益重要的作用。
相位法激光测距技术原理：
当今市场上主流的激光测距仪是基于相位法的激光测距仪。这是
因为基于相位法的激光测距仪轻易地就可以克服超声波测距的一大
缺陷：误差过大，使测量精度达到毫米级别。而基于此法的激光测距
仪主要的缺点在于电路复杂、作用距离较短（一百米左右，经过众多
科学工作者的努力，现在也有作用距离在几百米的相位法激光测距
仪）。
相位法激光测距技术，是采用无线电波段频率的激光，进行幅度
调制并将正弦调制光往返测距仪与目标物间距离所产生的相位差测
定，根据调制光的波长和频率，换算出激光飞行时间，再依次计算出
待测距离。该方法一般需要在待测物处放置反射镜，将激光原路反射
回激光测距仪，由接收模块的鉴波器进行接收处理。也就是说，该方
法是一种有合作目标要求的被动式激光测距技术。如下图所示：
由图所显示的关系，我们可以知道，用正弦信号调制发射信号
的幅度，通过检测从目标反射的回波信号与发射信号之间的相移
φ，通过计算即可以得到待测距离。Δ
D=ct/2 ℃
t=φ/ω ℃
又有 ω=2nf ℃ φ=N+Δφ ℃
即 D=（N+Δφ） *c/(4nf) ℃
其中，D 是待测距离，也即测距仪与目标物间距离；
C 是光速，等于 299792458m/s（假设光速未受环境影响）；
t 是往返测距仪与目标物间距离一次的时间；
φ 是激光光束往返一次后所形成的相位差；
Δφ 是激光光束往返一次后所形成的相位差不足半波长的部分；
N 是相位差中半波长的个数；
核心
控制
电路
部分
激光二
极管
数字处
理
ω 是调制信号的角频率。
由于 N 的个数在激光飞行之后并不能确定，所以这就导致了基于
相位法的激光测距仪只能测定 Δφ，相位差中不足半波长的部分。这
就形成了相位法的内伤：最长作用距离固定，由调制光的波长决定。
但是从另一方面看，相位法激光测距仪可以准确地测量半个波长内的
相位差，这也成就了相位法激光测距仪最为突出的优点：测量精度高，
可达到毫米级别。
光谱特性
光敏电阻的光电导效应不是在任意的光照下都能呈现，只有光子能量大于材料的间接能
隙（原子的能级之差）时，光敏电阻才能呈现光电导效应。光敏电阻与入射光光谱之间的特
性，称之为光敏电阻的光谱特性。不同光敏材料的光谱特性有很大差异。
光敏电阻按材料分类有两种类型：本征型光敏电阻和掺杂型光敏电阻。由于掺杂材料灵
活改变了光敏电阻的光谱特性，目前市场上所采用的基本上是掺杂型光敏电阻。其光谱特性
及最佳工作波长范围可分为三类：一类是紫外光敏感型光敏电阻，如硫化镉和硒化镉等。另
一类是可见光敏感型光敏电阻，如硫化铊等。还有一类是红外光敏感型光敏电阻，如硫化铅
等。常见的光敏电阻有硫化镉光敏电阻、硫化铅光敏电阻、锑化铟光敏电阻、碲镉汞系列光
敏电阻等。特别提示的是：硫化镉与人眼的光谱光视效率曲线的范围和峰值波长(555nm) 非
常接近，因此可用于与人眼有关的仪器，例如照相机、照度计、光度计等。
图 1-3 光敏电阻的光谱特性曲线
照度特性
在光敏电阻上加上一定电压时，光敏电阻的光电流或光电阻与入射光照度之间的关系称
为光敏电阻的照度特性。CdS 光敏电阻在恒定电压作用下的光照特性曲线如图 1-4 所示，当
照度很低时，曲线近似为线性，随着照度的增高，线性关系变坏，当照度很高时，曲线近似
为抛物线形。图中，曲线的斜率表示的是光敏电阻的转换效率（入射光辐射与光生电流）。
在光电测量场合下，对照度曲线线性度要求较高；但在光电开关应用中，对线性度要求不高。
图 1-4 硫化镉光敏电阻的光电特性曲线
响应时间
光敏电阻在光照时，光生载流子的产生或消失都要经过一段时间，这就是光敏电阻的响
应时间，它反映了光敏电阻的惰性。光敏电阻的响应时间约为 10-2~10-3s，与其他光电器件
相比，其响应时间是最慢的。CdSe 光敏电阻的响应时间约为 10ms，CdS 的响应时间约为
100ms。因此，光敏电阻通常都工作于直流或低频状态下。
温度特性
温度特性温度变化影响光敏电阻的光谱响应，同时，光敏电阻的灵敏度和暗电阻都要改
变，尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。图 1-5 为硫化铅光敏电阻的光
谱温度特性曲线，它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此，硫化铅光敏电阻要在
低温、恒温的条件下使用。对于可见光的光敏电阻，其温度影响要小一些。
图 1-5 硫化铅光敏电阻的温度特性
光敏电阻的应用
光敏电阻可将光转换为电信号，是一种典型的光电器件，但光敏电阻和其它半导体光电
器件相比有以下特点：（1）光谱响应范围相当宽。根据光电导材料的不同，光谱响应可从
紫外光、可见光、近红外扩展到远红外，尤其对红光和红外辐射有较高的响应度。（2）工作
电流大，可达数毫安。（3）所测光强范围宽。既可测强光，也可测弱光。（4）灵敏度高。光
导电增益大于 1。（5）偏置电压低，无极性之分，使用方便。其缺点是在强光照射下光电转
换线性较差。光电驰豫过程较长，频率响应很低。
光敏电阻在农业生产和发展生活方面，主要用在自动控制装置和光检测设备中，如生产
线上的自动送料、自动门装置、应急自动照明、自动给水与停水装置、生产安全装置、烟雾
火灾报警装置等方面，还广泛应用于自动灯塔、劳动保护、照度测量、电子娱乐及家用电器
等方面。
光敏电阻的应用电路分析
（1） 光敏电阻在自动灯塔中的应用电路分析
如图 1-6 所示电路为光敏电阻在自动灯塔中的应用电路——电子萤火虫电路原理图。由
于检测的是白光的亮度，检测电路中选用 CdS 光敏电阻（其响应波长为可见光区）。电路由
三部分组成：第一部分为光敏电阻 RP1、VR1 和开关管 8050 构成的测光与开关电路；第二
部分为时基电路 NE555、R1、VR2、C2 构成的单稳态触发电路；由 D1、C1、D3、D2、
C4、D4 构成的执行电路。
图 1-6 光敏电阻在灯塔中的应用——电子萤火虫电路
当光敏电阻所处环境的光线暗到一定程度时，光敏电阻的阻值增大，由 RP1 和 VR1 构
成的分压电路可使 Q1 的基极电压低于开关管 8050 导通所需的 电压，三极管 8050 截
止，U1（NE555）所构成的单稳态触发电路正常工作，U1-℃输出脉冲信号。当 U1-℃输出高
电平时，经 D2、C4 形成充电电路，有适当电流流过 D2，D2 就会发光，而且随着充电时间
推移，电流呈指数规律快速减小，发光管 D2 发出的光也由强到弱变化。同时，C1 经 D3
与 U1-℃形成放电电路。当 U1-℃输出低电平时，经 D1、C1 形成充电电路，有适当电流流
过 D1，D1 就会发光，也会出现由亮到暗的变化，发光管 D1 发出的光也由强到弱变化。同
时，C4 经 D4 与 U1-℃形成放电电路。这样，U1-℃输出的脉冲电压的作用下，发光管 D1 和
D2 呈现由亮到暗的荧光变化效果。
当光敏电阻所处环境的光线亮到一定程度时，Q1 的基极电压高于 ，开关管 8050
导通，U1-℃电位被固定为低电压，U1 构成的单稳态触发电路不能正常工作。U1-℃则不能
输出脉冲信号，由于电容的隔直作用，发光二极管不能发光。
（2） 光敏电阻在烟雾火灾报警装置中的应用——火灾检测报警器电路
图 1-7 所示为采用光敏电阻作为检测元件的火灾检测报警电路图。电路检测的是火焰
（辐射的波长为红外波长 2μm 左右），所选用的光电检测器件为 PbS 光敏电阻（其响应波长
为红外区）。电路由三部分组成：一部分由 Q1、电阻 R1、R2、恒压二极管 D1 和光敏电阻 RP1
（构成光敏电阻的恒压偏置方式）构成性能稳定的红外光波检测电路。一部分由 Q2 和 Q3
等构成的交流信号放大电路。第三部分为 R9 和 D2 构成的光报警电路。
图 1-7 火焰检测报警器电路
当被检测物体的温度高于燃点或被检测温度（光敏电阻相应的阻值）时，物体将会发出
红外辐射光，当辐射光被光敏电阻接收时，Q2-2 将有适当的交变信号输入，放大器放大后，
驱动发光二极管 D2 工作。当无燃点时，光敏电阻呈现很大的电阻，Q1-3 不会产生交变信号，
后续电路就不会产生动作。
光敏电阻的应用电路设计
（1） 光敏电阻在劳动保护中的应用——光线照度提醒电路
课题要求：当光线暗到一定程度（可调），采用声、光提醒；否则，没有任何动作。
设计步骤：℃ 确定系统电路原理框图：由光电器件实时感应光线的变换，产生相应的
电信号输出；此信号作为脉冲发生电路的启动信号，报警设备发光二极管（光）和蜂鸣器
（声）在脉冲信号的驱动下，产生声光提示。
℃ 设计单元电路：
光线感应电路：由于感应可见光的亮暗程度，实现开关的动作，电路设计中利用开关管
的阈值来实现。可以利用施密特触发器（输出带整形电路）实现，当施密特触发器的输入为
逻辑量“1”和逻辑量“0”时，分别实现开关动作。光线感应电路中可利用光敏电阻和外加电阻
（可调）的分压电路实现节电处电压的高低，从而实现高低电平，实现不同逻辑输入。
脉冲发生电路：利用 RC 充放电实现高低电平的输出，外加施密特整形电路实现脉冲的
输出，采用施密特触发器实现脉冲电路的发生电路。由于电路需要声光提示，而声光提示信
号的频率要求不同，所以，在电路脉冲发生电路中采用两级脉冲发生电路。
声光驱动电路：由于声光提示电路所用的发光二极管和无源扬声器所需的驱动电流一般
较大，同时，为了避免输出信号的变化，对前级数字电路逻辑的影响，故在输出级，采用开
关管 9014 实现输出输入隔离和提高驱动能力的效果。设计电路图如 1-8 所示。
图 1-8 光敏电阻在劳动保护中的应用——光线照度提醒电路
（2） 光敏电阻在家电中的应用——延迟节能灯电路
光敏电阻在楼道（楼宇）中的应用，当光线暗到一定程度，当电路中探测到话音的时候，
受控源（照明灯）的开关闭合，并延迟一定时间断开，为人们的行动带来方便。具体的设计
方法讨论，设计后的电路原理图见图 1-9 所示。
光线感应电路 脉冲产生电路 声光驱动电路
图 1-9 光敏电阻在延迟节能灯中的应用电路
参考文献：
[1] 宋吉江，牛轶霞. 光敏电阻的特性及应用. 微电子技术. 2000 年，第 28 卷第 1 期：
55~57.
[2] 杨墨.刘廷丽. 光敏电阻在火灾报警器中的应用. 北华航天工业学院学报. 2007 年，第 17
卷第 1 期：6~8.
[3] 贾 虎. 综合性实验一“CdS 光敏电阻光照特性的测试与应用’’的设计. 物理与工程.2008
年，Vo1．18 No．1 ：39~42.
第 2 章 光电池及其应用电路分析
光电池的功能与结构光电池的功能与结构
光电池就是一个大面积光电池就是一个大面积的的 PNPN 结，来接收更多的入射光。光电池的制作材料有许多种结，来接收更多的入射光。光电池的制作材料有许多种，，
例如硅、硒、锗、硫化镉、砷化镓，其中最常用的是硅光电池。硅光电池是用单晶硅组成例如硅、硒、锗、硫化镉、砷化镓，其中最常用的是硅光电池。硅光电池是用单晶硅组成，，
在一在一块块 NN 型硅片上扩型硅片上扩散散 PP 型杂质，形成一个扩型杂质，形成一个扩散散 PP++NN 结；或结；或在在 PP 型硅片上扩型硅片上扩散散 NN 型杂质型杂质，，
形形成成 NN++PP 结结；；再焊上两个电极。再焊上两个电极。PP 端为光电池正极，端为光电池正极，NN 端为光电池负极，作为光电检测器在端为光电池负极，作为光电检测器在
地面技术上使用最多的地面技术上使用最多的是是 PP++NN 型型，，如国如国产产 22CUCU 型型。。NN++PP 型硅光电池具有很强的抗辐射能力型硅光电池具有很强的抗辐射能力，，
在在空空间间技技术术上上应应用用，，作作为为航航天天的的太太阳阳能能电电池池，，如如国国产产 22DUDU 型型。。作作为为太太阳阳能能电电池池使使用用时时，，为为
提高其输出功率，可将硅光电池单体经串联或并联构成阵列结构；作为光电检测器使用时提高其输出功率，可将硅光电池单体经串联或并联构成阵列结构；作为光电检测器使用时，，
可按不同测量要求制作可按不同测量要求制作。。图图 2-12-1 是硅光电池结构示意图是硅光电池结构示意图，，上电极为栅状受光电极上电极为栅状受光电极，，栅状电极栅状电极
下涂有抗反射膜，用以增加透光，减小反射，下电极是一层衬底铝。下涂有抗反射膜，用以增加透光，减小反射，下电极是一层衬底铝。
图图 2-12-1 硅光电池结构示意图硅光电池结构示意图
光电池是一种不需外加偏置电压光电池是一种不需外加偏置电压，，就能将光能直接转换为电能就能将光能直接转换为电能的的 PNPN 结光电器件结光电器件。。当光当光
照照射射 PNPN 结的一个面时结的一个面时，，电子空穴对迅速扩散电子空穴对迅速扩散，，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的在结电场作用下建立一个与光照强度有关的
电动势，一般可产电动势，一般可产生生 . 2V2V～～. 6V6V 电压、电压、50m50m AA 电流。电流。
图图 2-22-2 光电池工作原理图光电池工作原理图
光电池的特性参数光电池的特性参数
伏安特性伏安特性
光电池的伏安特性表示的是输出电流和输出电压随负载电阻变化的曲线光电池的伏安特性表示的是输出电流和输出电压随负载电阻变化的曲线。。伏安特性曲线伏安特性曲线
是在某一光照度下是在某一光照度下，，取不同负载电阻值所测得的输出电流和电压的特性取不同负载电阻值所测得的输出电流和电压的特性。。光电池的伏安特性光电池的伏安特性
曲线如曲线如图图 4-34-3 所示所示。。负载的斜率由负载电阻决定，负载线与伏安特性曲线的交点为工作点负
载电阻 R 从硅光电池获得的最大功率为 Pm = Im * Um。。在一定的照度下在一定的照度下，，光电池的伏安特性光电池的伏安特性
曲线在横轴的截距曲线在横轴的截距，，代表该照度下的开路电代表该照度下的开路电压压 UUococ。。曲线在纵轴的截距曲线在纵轴的截距，，代表该照度下的短代表该照度下的短
路电路电流流 IIscsc。。硅光电池硅光电池的的 UUococ 一般一般为为 ～～，，最大不超最大不超过过 ，，因为它不能大因为它不能大于于 PNPN 结结
热平衡时的接触电势差。硅单晶光电池短路电流热平衡时的接触电势差。硅单晶光电池短路电流为为 3535～～40mA40mA。。
图图 2-32-3 光电池的伏安特性曲线光电池的伏安特性曲线
光照特性光照特性
光电池在不同的光强度照射下可以产生不同的光电流和光生电动势光电池在不同的光强度照射下可以产生不同的光电流和光生电动势。。图图 4-44-4 显示的便是显示的便是
光电池的光照特性曲线光电池的光照特性曲线。。可以看到可以看到，，短路电流在很大范围内与光照度成线性关系短路电流在很大范围内与光照度成线性关系，，而开路电而开路电
压压与与光光照照度度关关系系是是非非线线性性关关系系，，在在照照度度位位 20002000lxlx 下下趋趋于于饱饱和和。。因因此此，，光光电电池池作作为为测测量量元元件件
使用时，一般不作电压源使用，而作为电流源的形式应用。使用时，一般不作电压源使用，而作为电流源的形式应用。
短路电流是指外接负短路电流是指外接负载载 RRLL 相对内阻很小时的光电流，实验证明相对内阻很小时的光电流，实验证明:: 负载电负载电阻阻 RRLL 越小，光越小，光
电流与光照强度之间的线性关系越好，线性范围越宽。总之，负载电阻越小越好。电流与光照强度之间的线性关系越好，线性范围越宽。总之，负载电阻越小越好。
图图 2-42-4 光电池光照特性光电池光照特性
光谱特性光谱特性
不同材料的响应波长范围不同材料的响应波长范围、、峰值波长峰值波长、、积分灵敏度都由于不同的半导体材料的禁带宽度积分灵敏度都由于不同的半导体材料的禁带宽度
不不同同存存在在差差异异，，如如表表 4-24-2 所所示示。。硅硅光光电电池池的的光光谱谱响响应应峰峰值值在在 ~μ~μmm 附附近近，，波波长长范范围围
（（～～））μμmm，，硒硒光光电电池池光光谱谱响响应应峰峰值值在在 μμmm 附附近近，，波波长长范范围围（（～～））μμmm。。锗锗
光电池光谱响应峰值光电池光谱响应峰值在在 ~μ~μmm 硅光电池可以在很宽的波长范围内应用。硅光电池可以在很宽的波长范围内应用。
表表 2-22-2 光电池的灵敏度和响应波长与材料的关系光电池的灵敏度和响应波长与材料的关系
硒光电池的最大特点是其光谱特性与人眼的视觉函数比较接近硒光电池的最大特点是其光谱特性与人眼的视觉函数比较接近，，模拟人眼的检测比较方模拟人眼的检测比较方
便便，，但稳定性差但稳定性差，，灵敏度低灵敏度低，，且寿命较短且寿命较短。。而硅光电池灵敏度高而硅光电池灵敏度高，，稳定性好稳定性好，，且寿命长且寿命长，，所所
以可见光照度计电路设计中优先采用硅电池以可见光照度计电路设计中优先采用硅电池，，但要用可见函数滤光片进行光谱特性的修正才但要用可见函数滤光片进行光谱特性的修正才
能测量照度。能测量照度。
频率特性频率特性
频率特性指光电池相对输出电流与光的调制频率之间关系。从频率特性指光电池相对输出电流与光的调制频率之间关系。从图图 4-54-5 中得中得知知：：硅、硒光硅、硒光
电池的频率特性不同电池的频率特性不同，，硅光电池有较好的频率响应硅光电池有较好的频率响应，，硒光电池较差硒光电池较差。。在一些测量系统中在一些测量系统中，，光光
电池作为接收器件电池作为接收器件，，测量调制测量调制光光（明暗变化（明暗变化））的输入信号的输入信号，，所以高速计数器的转换一般采用所以高速计数器的转换一般采用
硅光电池作为传感器元件。这也是硅光电池在所有光电元件中最为突出的有优点。硅光电池作为传感器元件。这也是硅光电池在所有光电元件中最为突出的有优点。
图图 2-52-5 光电池的频率特性光电池的频率特性
硅硅光光电电池池的的响响应应时时间间在在 1010-3-3～～1010-6-6ss 之之间间，，光光电电转转换换效效率率高高，，国国产产的的器器件件大大多多在在 1717％％左左
右右，，而美国而美国在在 20022002 年底研制出转换效率年底研制出转换效率为为 ％的太阳能电池％的太阳能电池。。硅光电池硅光电池在在 100mW/cm100mW/cm22 的的
入射光照射下入射光照射下，，其开路电压其开路电压为为 450450～～600mV600mV，，短路电流短路电流为为 1616～～30mA30mA，，光电转换效率光电转换效率为为 66～～1212
％。部分国％。部分国产产 22CRCR 硅光电池的主要技术参数如硅光电池的主要技术参数如表表 2-12-1 所示。所示。
表表 2-12-1 部分国部分国产产 22CRCR 硅光电池的技术参数表硅光电池的技术参数表
光电池的应用电路分析与设计光电池的应用电路分析与设计
光电池的应用主要有两个方面光电池的应用主要有两个方面，，用作检测光强的检测型光电池和用作电源的功率型光电用作检测光强的检测型光电池和用作电源的功率型光电
池池。。用于光电检测器件的光电池用于光电检测器件的光电池，，具有光敏面大具有光敏面大，，反应速度快反应速度快，，光电流随照度线性变化光电流随照度线性变化，，工工
作时根据需要外加偏压等特点作时根据需要外加偏压等特点，，常用于近红外探测器常用于近红外探测器、、光电耦合器光电耦合器、、光电开关光电开关、、光栅测量技光栅测量技
术术、、激光准直等场合激光准直等场合。。用于电源使用的光电池用于电源使用的光电池，，主要是直接把太阳的辐射能转换为电能主要是直接把太阳的辐射能转换为电能，，也也
称作太阳能电池称作太阳能电池。。太阳能电池不需要燃料太阳能电池不需要燃料，，没有运动部件没有运动部件，，也不排放气体也不排放气体，，具有重量轻具有重量轻、、工工
作性能稳定作性能稳定，，光电转换效率高光电转换效率高，，使用寿命长使用寿命长，，不产生污染等优点不产生污染等优点，，在航天技术在航天技术、、气象观测工气象观测工
农业生产乃至人们的日常生活方面都得到了广泛的应用农业生产乃至人们的日常生活方面都得到了广泛的应用。。实际应用时实际应用时，，把硅光电池单体串联把硅光电池单体串联、、
并联组成电池组并联组成电池组，，与镍镉电池组配合与镍镉电池组配合，，作为卫星作为卫星、、微波站微波站、、野外灯塔野外灯塔、、航标灯和无人气象站航标灯和无人气象站
等无线电线路地区的电源使用。等无线电线路地区的电源使用。
基于光电池的照度计电路分析基于光电池的照度计电路分析
在同一片光电池上在同一片光电池上，，当光照强度一定时当光照强度一定时，，短路电流与受光面积成正比短路电流与受光面积成正比，，开路电压与受光开路电压与受光
面积的对数成正比面积的对数成正比。。当光电池做检测器时当光电池做检测器时，，通常以电流源形式使用通常以电流源形式使用。。开路电流是指将光电池开路电流是指将光电池
输出端短路输出端短路，，输出电压为零时输出电压为零时，，流过光电池两端的电流流过光电池两端的电流，，实际使用上都是外接有负载电阻的实际使用上都是外接有负载电阻的，，
当外接电阻相当于光电池内阻为很小时，可以认为接近于短路，此时，可选用适当的负载当外接电阻相当于光电池内阻为很小时，可以认为接近于短路，此时，可选用适当的负载，，
以以保保证证用用作作检检测测器器时时，，光光电电流流与与光光强强度度保保持持线线性性关关系系。。实实验验表表明明，，在在较较低低的的照照度度范范围围
（（<10lx<10lx））内内，，光光电电池池的的开开路路电电压压与与光光照照度度为为对对数数关关系系，，而而短短路路电电流流与与照照度度有有良良好好的的线线性性关关
系系，，所以大多数情况下都以测量光电流为主所以大多数情况下都以测量光电流为主，，并且为保证良好的线性关系并且为保证良好的线性关系，，应尽量用较小的应尽量用较小的
外部电阻和低照外部电阻和低照度度（（<10lx<10lx）），，在照度大的场合在照度大的场合，，应当采用已知倍率的中性衰减片来扩大量程应当采用已知倍率的中性衰减片来扩大量程。。
图图 2-62-6 基于硅光电池的可见光照度计电路原理图基于硅光电池的可见光照度计电路原理图
可可见见光光照照度度计计电电路路系系统统（（见见图图 2-62-6））中中，，光光电电池池 D1D1 与与 R1R1、、R2R2 以以及及 VR1VR1 构构成成串串联联回回路路
（（后后续续放放大大电电路路的的输输入入电电阻阻较较大大）），，负负载载电电阻阻的的取取值值较较小小，，光光电电池池的的输输出出特特性性中中，，回回路路电电流流
与与光光照照度度近近似似于于线线性性关关系系。。由由 LM358LM358 构构成成差差动动放放大大电电路路，，抑抑制制噪噪声声的的干干扰扰，，对对光光照照信信号号进进
行低噪声放大，将信号电流转换为信号电压，通过数字表头将光照度予以显示。行低噪声放大，将信号电流转换为信号电压，通过数字表头将光照度予以显示。
基于光电池的太阳能草坪灯电路设计基于光电池的太阳能草坪灯电路设计
利用光电池将太阳能变成电能利用光电池将太阳能变成电能，，目前主要用硅光电池目前主要用硅光电池，，在实际应用中在实际应用中，，将硅光电池单体将硅光电池单体
经串联、并联组成电池组，与镍镉蓄电池配合，作为野外灯塔、航标灯等系统的电源系统经串联、并联组成电池组，与镍镉蓄电池配合，作为野外灯塔、航标灯等系统的电源系统。。
基于硅光电池的太阳能草坪灯的设计就是一种典型光电池做能量转换器的应用基于硅光电池的太阳能草坪灯的设计就是一种典型光电池做能量转换器的应用。。根据硅光电根据硅光电
池的类型池的类型，，选择一种最佳负载选择一种最佳负载，，在太阳光的照射下在太阳光的照射下，，利用蓄电池的蓄电效应形成最大效能的利用蓄电池的蓄电效应形成最大效能的
蓄电蓄电。。在光线暗到一定程度在光线暗到一定程度，，光电池回路开路光电池回路开路，，利用蓄电池对草坪灯进行能量的供给利用蓄电池对草坪灯进行能量的供给。。鉴于鉴于
此此，，电路系统中应设置开关电路电路系统中应设置开关电路，，在太阳光充足的情况下在太阳光充足的情况下，，光电池对蓄电池进行充电光电池对蓄电池进行充电，，后续后续
电路处于断开状电路处于断开状态态；；当光线不足时，开关电路闭合，由蓄电池与照明灯构成回路，光电池利当光线不足时，开关电路闭合，由蓄电池与照明灯构成回路，光电池利
用与之串联的二极管构成单向开关电路而开路用与之串联的二极管构成单向开关电路而开路，，蓄电池为照明灯提供电源蓄电池为照明灯提供电源。。图图 2-72-7 就是基于就是基于
硅光电池的太阳能草坪灯电路原理图。硅光电池的太阳能草坪灯电路原理图。
图图 2-72-7 基于硅光电池的太阳能草坪灯电路原理图基于硅光电池的太阳能草坪灯电路原理图
参考文献：参考文献：
[1][1] 王士峰，赵馨，崔宇王士峰，赵馨，崔宇.. 国国产产 22CRCR 型光电池工作特性及应用型光电池工作特性及应用..长春理工大学学报长春理工大学学报.. 20062006 年年 66
月月..第第 2929 卷卷第第 22 期：期：P14~~17.
[2][2] 陈中儒陈中儒.. 光电传感器——光电池. 科技资讯科技资讯.. 2008 年.06 期：P6~7.
[3][3] 肖韶荣，朱平，赵艳清肖韶荣，朱平，赵艳清.. 基于硅光电池的色度测量系统设计基于硅光电池的色度测量系统设计.. 中国测试技术中国测试技术.. 20082008 年年 55 月月..
第第 3434 卷卷第第 33 期期:P20~23.:P20~23.
第 3 章 热释电传感器及其应用
热释电传感器的工作原理热释电传感器的工作原理
热释热释电红外传感器的原理基于：任何高于绝对温度的物体都会发出红外线，电红外传感器的原理基于：任何高于绝对温度的物体都会发出红外线，
例如人体例如人体、、火焰火焰、、冰等都会辐射出红外线冰等都会辐射出红外线，，但不同的物体所辐射的红外线及能量但不同的物体所辐射的红外线及能量
随波长的分布是不同的随波长的分布是不同的。。物体的表面温度越高物体的表面温度越高，，它辐射的能量就越强它辐射的能量就越强。。根据不同根据不同
物体及不同温度体发出的红外光谱不同物体及不同温度体发出的红外光谱不同，，可对不同目标进行红外检测和判别可对不同目标进行红外检测和判别。。人人
体的正常温度体的正常温度为为 36~3736~37℃℃，所辐射的红外线波长，所辐射的红外线波长为为 9~109~10μμｍ（ｍ（属于远红外线区属于远红外线区））。。
加热加热到到 400~700400~700℃℃的物体的物体，，其辐射出的红外线波长其辐射出的红外线波长为为 3~53~5μμｍ（ｍ（属于中红外线区属于中红外线区））。。
这里说明的是这里说明的是，，光电二极管和光电三极管可检测可见光及红外线光电二极管和光电三极管可检测可见光及红外线，，但其红外但其红外
线线光光谱谱范范围围为为 ~~μμｍｍ，，主主要要用用于于近近红红外外区区。。热热释释电电红红外外传传感感器器是是中中、、远远红红
外外线线检检测测器器。。中中、、远远红红外外线线（（3~203~20μμmm））不不受受周周围围可可见见光光的的影影响响，，故故可可在在各各种种环环
境光的条件下进行测境光的条件下进行测量量；；大气对某些特定波长范围的红外线吸收甚少，其波长范大气对某些特定波长范围的红外线吸收甚少，其波长范
围围为为 2~~μμｍｍ、、3~53~5μμｍｍ、、8~148~14μμｍｍ，，这三个波段称这三个波段称为为““大气窗口大气窗口””，，如如图图 3-13-1 所示所示。。
它适合于航空、航天的遥感及遥测场合应用。它适合于航空、航天的遥感及遥测场合应用。
图图 3-13-1 大气透光窗口大气透光窗口
热释电红外传热释电红外传感器由高热释电系数的锆钛酸铅陶瓷以及钽酸锂感器由高热释电系数的锆钛酸铅陶瓷以及钽酸锂、、硫酸三甘钛硫酸三甘钛
等铁电体配合滤等铁电体配合滤光片构成。滤光片（其特性见光片构成。滤光片（其特性见图图 3-23-2 所示所示））用于采集所需波段的用于采集所需波段的
红外线，滤掉其他波段的红外线自和自然界中的白光信红外线，滤掉其他波段的红外线自和自然界中的白光信号号；；高热释电系数的传感高热释电系数的传感
元件用于压变信号的产生元件用于压变信号的产生。。另外另外，，其内部还匹配了低噪声结型场效应晶体管其内部还匹配了低噪声结型场效应晶体管，，用用
于实现阻抗变换于实现阻抗变换、、信号放大信号放大。。热释电传感器结构图如热释电传感器结构图如图图 3-33-3 所示所示。。光线从窗进入光线从窗进入，，
经过滤光片到达热释电元件，从而产生电信号，电信号经过引线输出。经过滤光片到达热释电元件，从而产生电信号，电信号经过引线输出。
图图 3-23-2 某种滤光片的透过谱某种滤光片的透过谱
图图 3-33-3 热释电传感器的结构热释电传感器的结构
热释电红外传感器采用被动式红外传感技术热释电红外传感器采用被动式红外传感技术，，即用非接触方式来检测人体或即用非接触方式来检测人体或
其他物体的红外线其他物体的红外线，，克服了主动式红外传感技术不能分辨运动着的生物体与非生克服了主动式红外传感技术不能分辨运动着的生物体与非生
物体的缺点物体的缺点，，避免了主动式技术由于不明物体遮挡红外发射机的光路而导致的误避免了主动式技术由于不明物体遮挡红外发射机的光路而导致的误
报，而且具有检测温度范围大，在整个光波范围内频率响应均匀，主要探测中报，而且具有检测温度范围大，在整个光波范围内频率响应均匀，主要探测中、、
远红外线，不受可见光的影响，不必设光源等优点。近年来广泛用于温度测定远红外线，不受可见光的影响，不必设光源等优点。近年来广泛用于温度测定、、
火灾预警、不同物体的识别、人的保安和防范、自动门、自动灯等领域。火灾预警、不同物体的识别、人的保安和防范、自动门、自动灯等领域。
热释电传感器的性能指标热释电传感器的性能指标
热释电传感器可探测移动人体热释电传感器可探测移动人体，，同时也可探测其他物体的变化同时也可探测其他物体的变化，，如火焰如火焰、、地地
窖温度变化等窖温度变化等，，在不同的应用场合下在不同的应用场合下，，对热释电传感器的性能指标有不同的要求对热释电传感器的性能指标有不同的要求。。
热释电传感器的性能指标有电压响应率、噪声等效功率、比探测热释电传感器的性能指标有电压响应率、噪声等效功率、比探测度度；；还有应用参还有应用参
数数：：窗口滤光波长、探测区面积、检测波长、检测灵敏度和工作电压，以及工作窗口滤光波长、探测区面积、检测波长、检测灵敏度和工作电压，以及工作
温度。温度。
窗口滤光波长为窗口滤光片透光区窗口滤光波长为窗口滤光片透光区，，对其他波段的光对其他波段的光波波（特别是可见光和其（特别是可见光和其
他波段的光波他波段的光波））则吸收则吸收，，透光窗口一般选用黑色环氧树脂透光窗口一般选用黑色环氧树脂，，对红外光透过率很高对红外光透过率很高，，
而对可见光吸收很强而对可见光吸收很强。。探测区面积为铁电元的面积探测区面积为铁电元的面积，，应尽量减小其体积应尽量减小其体积，，以便减以便减
小热容小热容，，提高热探测率提高热探测率。。检测波长为铁电体能转换的光波波长区检测波长为铁电体能转换的光波波长区。。工作温度范围工作温度范围
能呈现热释电效应，对热释电材料也有要求。能呈现热释电效应，对热释电材料也有要求。
不同于主动式红外传感器不同于主动式红外传感器，，被动红外传感器在室温下使用被动红外传感器在室温下使用，，探测率高探测率高，，频率频率
响应宽响应宽，，红外广范围内响应几乎与波长无光红外广范围内响应几乎与波长无光，，本身不发任何类型的辐射本身不发任何类型的辐射，，隐蔽性隐蔽性
好，器件功耗很小，价格低廉。但是，被动式热释电传感器也有缺点，如：好，器件功耗很小，价格低廉。但是，被动式热释电传感器也有缺点，如：
℃℃ 信号幅度小，容易受各种热源、光源干扰；信号幅度小，容易受各种热源、光源干扰；
℃℃ 被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收；被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收；
℃℃ 易受射频辐射的干扰；易受射频辐射的干扰；
℃℃ 环境温度和人体温度接近时，探测灵敏度明显下降，有时造成短时失灵环境温度和人体温度接近时，探测灵敏度明显下降，有时造成短时失灵；；
℃℃ 被被动动红红外外探探测测器器的的主主要要检检测测的的运运动动方方向向为为横横向向运运动动方方向向，，对对径径向向方方向向运运
动的物体检测能力比较差。动的物体检测能力比较差。
表表 3-13-1 常见热释电探测器的性能参数常见热释电探测器的性能参数
热释电红外探测电路热释电红外探测电路
虽然被动式热释电红外探头有些缺点虽然被动式热释电红外探头有些缺点，，但利用特殊信号处理方法后但利用特殊信号处理方法后，，仍然使仍然使
它在某些领域具有广阔的应用前景。较完整的热释电红外探测电路应包它在某些领域具有广阔的应用前景。较完整的热释电红外探测电路应包括括：：热释热释
电探测器电探测器、、低频带通放大器低频带通放大器、、电压比较器及控制电路等单元电压比较器及控制电路等单元，，如如图图 5-45-4 所示所示。。红红
外探测电路中通常有两种不同的设计方式，一种采用分离单元电路来实外探测电路中通常有两种不同的设计方式，一种采用分离单元电路来实现现；；一种一种
是采用热释电红外传感器专用控制芯片来实现。是采用热释电红外传感器专用控制芯片来实现。
图图 3-43-4 热释电红外探测电路的组成框图热释电红外探测电路的组成框图
热释电红外传感器和菲涅尔透镜热释电红外传感器和菲涅尔透镜
在热释电红外探测器工作时在热释电红外探测器工作时，，一定调制频率的红外辐射入射使得热释电晶体一定调制频率的红外辐射入射使得热释电晶体
温度产生同频率变化温度产生同频率变化，，进而极化强度以及面束缚电荷产生同周期变化进而极化强度以及面束缚电荷产生同周期变化，，产生交变产生交变
电场电场，，当连接负载并形成回路时当连接负载并形成回路时，，负载两端就产生交变电压信号负载两端就产生交变电压信号，，便可通过读出便可通过读出
电路读出电路读出。。由于热释电探测元呈现纯容性特性由于热释电探测元呈现纯容性特性，，电容量很小电容量很小，，阻抗很高阻抗很高，，高高达达 101044MM
ΩΩ，，易受外来噪声的影响易受外来噪声的影响，，故引入故引入的的 NN 沟道结型场效应管应接成共漏形沟道结型场效应管应接成共漏形式式（即源（即源
极极跟跟随随器器））来来完完成成阻阻抗抗变变换换，，热热释释电电传传感感器器的的输输出出电电路路降降到到很很低低（（10~50k10~50kΩΩ））。。
特别指出的是特别指出的是，，所有热释电器件都是压电晶体所有热释电器件都是压电晶体，，对声频振动很敏感对声频振动很敏感，，入射辐射脉入射辐射脉
冲的热冲击会激发热释电晶体的机械振动冲的热冲击会激发热释电晶体的机械振动，，产生压电振荡产生压电振荡，，使用时防止压电振动使用时防止压电振动。。
使用时，注意减震防震和高频辐射。使用时，注意减震防震和高频辐射。
热释电红外传感器由传感探测元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干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。。
热释电探测元由于加电极化的电压是有极性的热释电探测元由于加电极化的电压是有极性的，，因此极化后的探测元也是有正负因此极化后的探测元也是有正负
极性的极性的，，如如图图 3-53-5 所示所示。。使用使用时时 DD 端接电源正极端接电源正极，，GG 端接电源负极端接电源负极，，SS 端为信号端为信号
输出。输出。
图图 3-53-5 双探测元热释电红外传感器双探测元热释电红外传感器
热释电红外传感器主要有双元型热释电红外传感器主要有双元型、、四元型和温补单元型三种四元型和温补单元型三种，，见见表表 5-25-2 所示所示。。
双元型和四元型广泛用于防盗装置中检测人的出双元型和四元型广泛用于防盗装置中检测人的出现现；；温补单元型用于辐射高温计温补单元型用于辐射高温计、、
气体分析设备气体分析设备、、火焰检测器等火焰检测器等。。这三种热释电红外传感器中这三种热释电红外传感器中，，应用最广泛的是双应用最广泛的是双
元型元型。。因为它能检测目标的出现和目标的运动方向因为它能检测目标的出现和目标的运动方向。。图图 5-45-4 所示的是双元探测器所示的是双元探测器，，
它将两个极性相反它将两个极性相反、、特性一致的探测元串接在一起特性一致的探测元串接在一起，，目的是消除因环境和自身变目的是消除因环境和自身变
化引起的干扰化引起的干扰。。它利用两个极性相反它利用两个极性相反、、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原
理来使传感器得到补偿。市场上还存在有四元探测器，抗干扰能力进一步加强理来使传感器得到补偿。市场上还存在有四元探测器，抗干扰能力进一步加强。。
对于辐射至传感器的红外辐射对于辐射至传感器的红外辐射，，热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透
镜将其聚焦后加至两个探测元上，从而使传感器输出电压信号。镜将其聚焦后加至两个探测元上，从而使传感器输出电压信号。
表表 3-23-2 三种典型传感器的指标三种典型传感器的指标
选用传感器时主要根据应用对象来确定。多功能传感器内部有定时选用传感器时主要根据应用对象来确定。多功能传感器内部有定时器器；；通用通用
型的体积小，价格型的体积小，价格低低；；检测人的传感器内部设有滤波电路，可避免误报警。这些检测人的传感器内部设有滤波电路，可避免误报警。这些
装置用户可通过电阻电容的调节任意设定灵敏度和定时时间。装置用户可通过电阻电容的调节任意设定灵敏度和定时时间。
菲涅尔透镜（如菲涅尔透镜（如图图 3-63-6 所示所示））根据菲涅尔原理制成，把红外光线分成可见区根据菲涅尔原理制成，把红外光线分成可见区
和和盲盲区区，，同同时时又又有有聚聚焦焦的的作作用用，，使使热热释释电电红红外外传传感感器器（（PIRPIR））灵灵敏敏度度大大大大增增加加。。
菲涅耳透镜折射式和反射式两种形式菲涅耳透镜折射式和反射式两种形式，，其作用一是聚焦作用其作用一是聚焦作用，，将热释的红外信号将热释的红外信号
折折射射（（反反射射））在在 PIRPIR 上上；；二二是是将将检检测测区区内内分分为为若若干干个个明明区区和和暗暗区区，，使使进进入入检检测测
区区的的移移动动物物体体能能以以温温度度变变化化的的形形式式在在 PIRPIR 上上产产生生变变化化热热释释红红外外信信号号，，这这样样 PIRPIR
就能产生变化电信号。实验证就能产生变化电信号。实验证明明：：热释电传感器加上菲涅尔透镜后，其检测距离热释电传感器加上菲涅尔透镜后，其检测距离
可由原来可由原来的的 22 米增加米增加到到 1010 米，提高传感器的灵敏度，扩大监视范围。米，提高传感器的灵敏度，扩大监视范围。
图图 3-63-6 菲涅尔透镜的结构及原理菲涅尔透镜的结构及原理
透镜的工作原理是当移动物体或人体发射的红外线进入透镜的监视范围透镜的工作原理是当移动物体或人体发射的红外线进入透镜的监视范围，，就就
会产生一个交替会产生一个交替的的““盲区盲区””和和““高敏感区高敏感区””，，使两个反向串联的热电元是轮流感受到使两个反向串联的热电元是轮流感受到
运动物体运动物体，，所以人体的红外辐射以光脉冲的形式不断改变热释电元件的温度所以人体的红外辐射以光脉冲的形式不断改变热释电元件的温度，，使使
它输出一串脉冲信号它输出一串脉冲信号，，若人体静止不动地站在热释电元件前若人体静止不动地站在热释电元件前，，它会无输出可提高它会无输出可提高
热释电红外传感器的抗干扰性能。热释电红外传感器的抗干扰性能。
带通滤波放大电路带通滤波放大电路
两级带通滤波放大电路的设计目标两级带通滤波放大电路的设计目标是是 7070dBdB 以上的二级闭环放大增益以上的二级闭环放大增益，，带通带通
频率频率为为 ~~10Hz。这是因为红外信号幅度很小（。这是因为红外信号幅度很小（11mVmV 左右左右）），只有经，只有经过过 7070dBdB
以上的放大才能接收以上的放大才能接收到到 的信号（峰峰值的信号（峰峰值））；用于探测运动的人体的设计时；用于探测运动的人体的设计时，，
根据人行走的频率计算根据人行走的频率计算，，电压的频率响应最好电压的频率响应最好在在 ~10HzHz~10Hz 之间之间，，这样既可截这样既可截
止过低频率的信号止过低频率的信号，，又可截止较高频率的信号又可截止较高频率的信号。。因为小因为小于于 的信号易受外界的信号易受外界
环境温度变化和元件参数改变的影环境温度变化和元件参数改变的影响响；；又因为噪声电压随着频率的增大而迅速增又因为噪声电压随着频率的增大而迅速增
大大，，加加之之当当信信号号频频率率接接近近 5050HzHz 电电源源频频率率时时，，易易受受 5050HzHz 电电磁磁干干扰扰，，因因此此，，大大于于
1010HzHz 的的信信号号将将受受到到严严重重的的噪噪声声和和干干扰扰的的影影响响。。所所以以，，在在电电路路设设计计中中应应根根据据输输出出
噪声电压变化及信号频带要求噪声电压变化及信号频带要求，，采用带通滤波器消除干扰采用带通滤波器消除干扰，，提高系统可靠性提高系统可靠性。。第第
一级滤波器是同相滤波器一级滤波器是同相滤波器，，输入端直流电平即为传感器输出直流电平输入端直流电平即为传感器输出直流电平，，用于实现用于实现
对对传传感感器器小小信信号号滤滤波波放放大大；；第第二二级级滤滤波波器器是是反反相相滤滤波波器器，，其其输输入入直直流流电电平平为为
1/2VREF1/2VREF（窗口电压比较器的中值电平（窗口电压比较器的中值电平）），，实现第二级滤波放大和直流电平转移实现第二级滤波放大和直流电平转移。。
电压比较器电压比较器
信号经过有源带通滤波放大以后接一个窗口电压比较器信号经过有源带通滤波放大以后接一个窗口电压比较器，，其上其上、、下限电平由下限电平由
基准电压源产生基准电压源产生。。由于上由于上、、下限电平由基准源产生下限电平由基准源产生，，所以其随电压所以其随电压、、温度的波动温度的波动
影响很小，稳定性高。影响很小，稳定性高。
当信号强度在基准电压范围之内当信号强度在基准电压范围之内，，探测器输出高电平探测器输出高电平，，否则输出低电平否则输出低电平，，提提
高了电路检测的稳定性。高了电路检测的稳定性。
热释电红外传感器专用控制芯片热释电红外传感器专用控制芯片
热释电红外传感器专用控制芯片是一种用于接收热释电红外传感器专用控制芯片是一种用于接收、、放大放大、、处理处理、、控制热释电控制热释电
红外传感器信号的数模混合芯片红外传感器信号的数模混合芯片。。目前目前，，常用的热释电红外传感器专用控制芯片常用的热释电红外传感器专用控制芯片
类类型型很很多多，，常常见见的的有有 BISS0001BISS0001、、CS9803GPCS9803GP、、BM8072BM8072。。下下面面介介绍绍一一种种热热释释电电红红
外传感器专用控制芯的设计原理。外传感器专用控制芯的设计原理。
模拟电路部分如模拟电路部分如图图 3-73-7 所示，由自举偏置电流源、两级二阶带通滤波放大所示，由自举偏置电流源、两级二阶带通滤波放大、、
带隙基准电压源带隙基准电压源、、窗口电压比较器组成窗口电压比较器组成，，实现红外信号的接收实现红外信号的接收、、放大放大、、抗干扰处抗干扰处
理、模数转换，最后产生数字电路的有效控制信号。理、模数转换，最后产生数字电路的有效控制信号。
图图 3-73-7 芯片模拟部分的整体结构芯片模拟部分的整体结构
数字电路部分如数字电路部分如图图 3-83-8 所示，由振荡电路、上电复位电路、系统时钟电路所示，由振荡电路、上电复位电路、系统时钟电路、、
延迟时钟电路延迟时钟电路、、CDSCDS 传感器信号处理电路传感器信号处理电路、、过零检测电路和控制输出电路组成过零检测电路和控制输出电路组成。。
振振荡荡电电路路有有两两块块，，一一块块为为系系统统时时钟钟产产生生一一个个 1616kHzkHz 的的脉脉冲冲信信号号，，一一块块为为延延迟迟时时
钟电路产生一个随应用场合调节的脉冲信号钟电路产生一个随应用场合调节的脉冲信号。。上电复位电路是为上电时出现异常上电复位电路是为上电时出现异常
中断时产生复位信号，使数字电路回到初始状中断时产生复位信号，使数字电路回到初始状态态；；系统时钟电路是产生整个数字系统时钟电路是产生整个数字
电电路路各各部部分分的的同同步步控控制制信信号号。。在在 CDSCDS（（硫硫化化镉镉））传传感感器器信信号号处处理理电电路路中中，，CDSCDS
传感器等效于光敏电阻传感器等效于光敏电阻，，屏蔽所有白天接收的有效红外信号屏蔽所有白天接收的有效红外信号，，使芯片白天不工作使芯片白天不工作。。
延迟时钟电路则是实现当红外传感信号消失后延迟时钟电路则是实现当红外传感信号消失后，，仍然持续支持输出一段时间的有仍然持续支持输出一段时间的有
效数字电平驱动负载。效数字电平驱动负载。
图图 3-83-8 芯片数字的电路的整体结构芯片数字的电路的整体结构
热释电传感器的应用电路分析热释电传感器的应用电路分析
与常规红外检测器相比与常规红外检测器相比，，热释电红外监测器具有工作频率范围宽热释电红外监测器具有工作频率范围宽、、灵敏度高灵敏度高、、
适用范围广等优点适用范围广等优点，，可广泛应用于军事可广泛应用于军事、、卫星测控卫星测控、、银行银行、、电力等部门电力等部门。。如探测如探测
交直流发动机、变压器及类似系统中的过交直流发动机、变压器及类似系统中的过载载；；利用热释电图像技术进行自然资源利用热释电图像技术进行自然资源
监监控控；；代替生物医学领域的主动超声波、电磁波技代替生物医学领域的主动超声波、电磁波技术术；；探测易燃气体、大气中不探测易燃气体、大气中不
同的有害粒子等。同的有害粒子等。
热释电红外传感器从常见的防火、防盗装置到复杂的红外测温仪、光谱仪热释电红外传感器从常见的防火、防盗装置到复杂的红外测温仪、光谱仪、、
热像仪和红外遥感等方面均有实际应热像仪和红外遥感等方面均有实际应用用：：集成多个热释电红外检测器构成的监测集成多个热释电红外检测器构成的监测
阵列能检测速阵列能检测速率率；；利用热释电红外检测器能无接触测量液面高利用热释电红外检测器能无接触测量液面高度度；；在电力传输和在电力传输和
配电装置系统中应配电装置系统中应用用；；基于热释电红外检测器的体温计能快速准确地测量温度并基于热释电红外检测器的体温计能快速准确地测量温度并
实时显实时显示示；；用热释电红外检测器阵列构成高精度检测的地球传感用热释电红外检测器阵列构成高精度检测的地球传感器器；；检票通通因检票通通因
公热释电红外检测器对人体无接触检公热释电红外检测器对人体无接触检测测；；热释电红外测温系统能对移动物体进行热释电红外测温系统能对移动物体进行
非接触式温度测量或异常体温报非接触式温度测量或异常体温报警警；；用红外发射器和热释电红外检测器构成具有用红外发射器和热释电红外检测器构成具有
不同功能的检测气体化合物存在和测量气体浓度。不同功能的检测气体化合物存在和测量气体浓度。
基于热释电红外传感器的人体防盗报警电路的分析基于热释电红外传感器的人体防盗报警电路的分析
目前应用最多的是检测人的传感器目前应用最多的是检测人的传感器，，广泛用于防盗报警系统广泛用于防盗报警系统、、房间自助开灯房间自助开灯
控制控制、、自动门和其它安全及自动化装置中自动门和其它安全及自动化装置中。。国外有把热释电传感器安装在售货机国外有把热释电传感器安装在售货机
上上，，当有人接近时机器可以说话当有人接近时机器可以说话。。类似的重要应用是安装在工厂危险性机械系统类似的重要应用是安装在工厂危险性机械系统
上，防止人太靠近造成危险。上，防止人太靠近造成危险。
图图 3-93-9 基于热释电红外传感器的人体防盗报警电路原理图基于热释电红外传感器的人体防盗报警电路原理图
图图 3-93-9 所示为基于热释电红外传感器的人体防盗报警电路原理图所示为基于热释电红外传感器的人体防盗报警电路原理图。。电路由两电路由两
部分组部分组成成：：热释电红外传感器的前置放大与窗口比较器和用热释电红外传感器控热释电红外传感器的前置放大与窗口比较器和用热释电红外传感器控
制的报警器电原理图制的报警器电原理图。。热释电红外传感器选用的是对人体辐射红外光有较高响应热释电红外传感器选用的是对人体辐射红外光有较高响应
度度的的 P2288P2288。。运放和比较电路选用四运算放大运放和比较电路选用四运算放大器器 LM324LM324 构成构成，，其其中中 U1AU1A 和和 U1BU1B
组组成成两两级级低低频频带带通通放放大大器器，，前前级级为为高高通通滤滤波波器器，，后后级级为为低低通通滤滤波波器器。。第第一一级级增增
益益 G1G1＝（＝（R3R3＋＋R11R11））// R11R11，，第二级增第二级增益益 G2G2＝（＝（R5R5＋＋R4R4））// R4R4，，总增总增益益 GG＝＝G1*G2G1*G2；；
U1CU1C 和和 U1DU1D 组组成成双双窗窗口口比比较较器器，，由由 R6R6、、R7R7、、R8R8、、R12R12 四四个个分分压压电电阻阻（（R6R6＝＝
R12R12、、R7R7＝＝R8R8））分别设分别设定定 U1CU1C 的反相输入端的反相输入端和和 U1DU1D 的同相输入端的电平（即电的同相输入端的电平（即电
平窗口平窗口））。当探测器接收到活动人体的信号时，。当探测器接收到活动人体的信号时，从从 U1BU1B 输出经低通放大的信号输出经低通放大的信号，，
当当该该模模拟拟信信号号电电平平高高于于 U1CU1C 的的反反相相输输入入端端电电平平或或低低于于 U1DU1D 的的同同相相输输入入端端电电平平
时，时，U1CU1C 或或 U1DU1D 即输出高电平，即输出高电平，经经 D1D1、、D2D2 ““或或””处理后输出，产生报警控制信处理后输出，产生报警控制信
号号。。该该电电路路不不具具有有保保持持功功能能，，只只要要探探测测信信号号消消失失（（如如人人员员停停止止活活动动）），，则则模模块块输输
出的高电平也立即变成低电平，所以它只能触发后续控制单元工作。出的高电平也立即变成低电平，所以它只能触发后续控制单元工作。
当探测到警戒区有人侵入时当探测到警戒区有人侵入时，，Q1Q1 的基极有高电平输入的基极有高电平输入，，使使 Q1Q1 导通导通，，Q3Q3 得得
到到基基极极驱驱动动而而导导通通，，使使电电源源端端连连接接于于 Q3Q3 集集电电极极的的 U4U4 得得到到供供电电而而工工作作，，U4AU4A、、
U4BU4B 组成的振荡器输出的方波驱动扬声器发出警声组成的振荡器输出的方波驱动扬声器发出警声。。由于此由于此时时 Q4Q4 得到基极驱动得到基极驱动
而而导导通通，，因因此此不不论论探探测测信信号号是是否否消消失失（（Q1Q1 是是否否导导通通）），，Q3Q3 都都得得到到基基极极驱驱动动而而导导
通通，，只有操作人员按只有操作人员按下下 SW1SW1 使使 Q4Q4 得不到基极电流而截止得不到基极电流而截止，，Q3Q3 才能截止使系统才能截止使系统
停止报警停止报警。。同时同时，，由由 Q2Q2、、R14R14、、R18R18、、C13C13 组成开机延时电路组成开机延时电路，，开启电源时开启电源时，，C13C13
的的充充电电电电流流使使 Q2Q2 导导通通，，在在这这段段时时间间内内（（由由 R14R14、、R18R18、、C13C13 决决定定）），，Q1Q1 的的基基极极
被被对对地地短短路路，，Q1Q1 即即使使输输出出高高电电平平不不能能使使 Q1Q1 导导通通而而报报警警，，操操作作人人员员可可将将报报警警器器
开机后利用这段时间离开警戒区。开机后利用这段时间离开警戒区。
热释电传感器的应用电路设计热释电传感器的应用电路设计
热释电红外传感器在节能灯控制系统中的应用设计
红外人体热释电传感器能在白天和黑夜都能探测到移动的人体信号，在节能红外人体热释电传感器能在白天和黑夜都能探测到移动的人体信号，在节能
灯控制系统中灯控制系统中，，当光线暗到一定程度当光线暗到一定程度，，并且有人路过时并且有人路过时，，灯开关才闭合灯开关才闭合，，照明一照明一
段时间后自动关掉段时间后自动关掉。。此电路设计中要有移动人体探测部分和照明灯控制系统两部此电路设计中要有移动人体探测部分和照明灯控制系统两部
分组成分组成。。第一部分可参照上述基于热释电红外传感器的人体防盗报警系统中探测第一部分可参照上述基于热释电红外传感器的人体防盗报警系统中探测
信号获取电路信号获取电路。。第二部分第二部分，，必须有单稳态触发电路构成脉冲输出电路和光控电路必须有单稳态触发电路构成脉冲输出电路和光控电路。。
电路设计中常电路设计中常用用 NE555NE555 时基电路构成单稳态触发电路时基电路构成单稳态触发电路。。利利用用 NE555NE555 的复位信号的复位信号，，
当光线暗到一定程度当光线暗到一定程度，，复位信号才有效复位信号才有效，，当光线较亮时当光线较亮时，，复位信号无效复位信号无效，，NE555NE555
电路不工作电路不工作，，NE555NE555 的输出始终为低电平的输出始终为低电平，，照明灯断开照明灯断开。。设计出的热释电红外传设计出的热释电红外传
感器节能灯控制系统的电路原理图见感器节能灯控制系统的电路原理图见图图 3-103-10 所示。所示。
图 3-10 基于热释电红外传感器的节能灯控制系统的应用电路原理图基于热释电红外传感器的节能灯控制系统的应用电路原理图
参考文献参考文献::
[1][1] 陈永甫陈永甫..红外探测与控制电路红外探测与控制电路..北京：人民邮电出版社，北京：人民邮电出版社，.
[2][2] 肖景和，赵健肖景和，赵健..红外热释电与超声遥控电路红外热释电与超声遥控电路..北京北京::人民邮电出版社人民邮电出版社,.,.
[3][3] 李建李建..热释电传感器原理与应用热释电传感器原理与应用..传感器世界传感器世界.：：P35~~37.
[4][4] 闫闫军军，，庄庄乾乾章章.. 热热释释电电红红外外传传感感器器的的类类别别特特性性及及应应用用..长长春春大大学学学学报报..20042004 年年 1212 月月..第第 1414
卷卷第第 66 期：期：P22~~24.
[5][5] 胡胡锦锦，，曾曾宏宏博博，，凡凡金金湘湘.. 一一种种热热释释电电红红外外传传感感器器控控制制芯芯片片的的设设计计..宇宇航航计计测测技技 术术.. 20062006
年年 88 月月.. 第第 2626 卷卷第第 44 期：期：P47~~51.
[6][6] 韩芝侠韩芝侠,, 淡涛淡涛,, 黄庆华黄庆华.. 热释电红外传感器的应用热释电红外传感器的应用..陕西工学院学报陕西工学院学报..20032003 年年 99 月月.. 第第 1919 卷卷
第第 33 期：期：P39~~41.
[7][7] 刘刘舒舒祺祺,,施施国国梁梁.. 基基于于热热释释电电红红外外传传感感器器的的报报警警系系统统.. 国国外外电电子子元元器器件件.. 20052005 年年第第 33 期期：：
P18~~20.
[8][8] 吕宇强，胡明，吴淼，等吕宇强，胡明，吴淼，等.. 热红外探测器的最新进展热红外探测器的最新进展.. 压电与声光压电与声光.. 20062006 年年 88 月月..第第 2828 卷卷
第第 44 期：期：P407~~410.
[9][9] 杨波，陈忧先杨波，陈忧先.. 热释电红外传感器的原理和应用热释电红外传感器的原理和应用.. 仪表技术仪表技术.. 20082008 年年第第 66 期：期：P66~~68.
[10][10] 闫军闫军..国外热释电红外传感器的开发应用国外热释电红外传感器的开发应用..世界产品与技术世界产品与技术,1993,71(6):15.,1993,71(6):15.
[11][11] 刘刘茜茜，，曾曾立立波波，，雷雷俊俊峰峰等等..热热释释电电红红外外检检测测器器研研究究探探讨讨..红红外外（（月月刊刊））..20052005 年年第第一一期期：：
P1~~8.
[12][12] 孔孔凡凡国国,,伍伍康康敏敏.. 基基于于热热释释电电探探测测器器的的多多点点监监测测防防盗盗系系统统设设计计..测测控控技技术术..20062006 年年第第 2525 卷卷
第第 77 期：期：P73~~76.
[13][13] 刘刘松松龄龄，，谢谢勤勤岚岚..高高速速公公路路多多车车道道车车辆辆智智能能计计数数系系统统的的设设计计.. 电电子子工工程程师师.. 20062006 年年 99 月月..
第第 3232 卷卷第第 99 期：期：P15~~17.
[14][14] 艾红，王捷，孙硕艾红，王捷，孙硕.. 基于热释电红外传感器的车流量监测系统基于热释电红外传感器的车流量监测系统.. 仪表技术与传感器仪表技术与传感器.. 20072007
年年第第 66 期：期：P46~~48.
[15][15] 张秀珍张秀珍，，戴伏生戴伏生，，毛兴鹏毛兴鹏.. 热释电红外传感器在车辆计数系统中的应用热释电红外传感器在车辆计数系统中的应用.. 传感器技术传感器技术..20002000
年年第第 1919 卷卷第第 22 期：期：P47~~49.
[16][16] 曾谢华，杨普国，马志诚，王扬曾谢华，杨普国，马志诚，王扬.. 基于红外热释电传感器的计数装置的设计基于红外热释电传感器的计数装置的设计.. 昆明冶金昆明冶金
高等专科学校学报高等专科学校学报.. 20082008 年年 99 月月..第第 2424 卷卷第第 55 期：期：P48~~52.
第4章 光电耦合器及其应用电路
光电耦合器工作原理及其结构
光电耦合器是一种把红外光发射器件和红外光接收器件以及信号处理电路等封装在同一黑
色树脂外壳内而构成的器件，如图6-1所示。当输入电信号加到输入端发光器件LED上，LED发
光，光接收器件接收光信号并转换成电信号，然后将电信号直接输出，或者将电信号放大处理
成标准数字电平输出，这样就实现了“电－光－电”的转换及传输，光是传输的媒介，因而输入
端与输出端在电气上是绝缘的，也称为电隔离。
图4-1 光电耦合器的封装结构图
光电耦合器能够强有力地抑制尖峰脉冲及各种噪音等的干扰，从而在传输信息中大大提高
了信噪比。具有如此高的抗干扰能力，这是因为 ：
(1) 光电耦合器的输入阻抗很低(一般为100Ω～1KΩ)，而干扰源的内阻一般都很大(一般为
lO5～106Ω)，按照一般的分压比的原理来计算，能够馈送到光电耦合器输入端的干扰噪声就变
得很小了。
(2) 由于一般干扰噪声源的内阻都很大，虽然也能供给较大的干扰电压，但可提供的能量
却很小，只能形成很微弱的电流。而光电耦合器的发光只有在通过一定的电流时才能发光，因
此即使是电压幅值很高的干扰，由于没有足够的能量不能使二极管发光，从而被抑制掉了。
(3) 光电耦合器的输入——输出是用光耦合的，这种耦合又是在一个密封管壳内进行的，
不会受到外界光的干扰。
(4) 输入——输出间的寄生电容很小(一般为0．5～2pf)，绝缘电阻又非常大(一般为1011～
1012Ω)，因而输出系统内的各种干扰噪音很难通过光电耦合器反馈到输入系统中去。
光电耦合器的种类及参数比较
由于光电耦合器的品种和类型非常多，在光电子DATA手册中，其型号超过上千种，通常
可以按以下方法进行分类：
(1) 按光路径分，可分为外光路光电耦合器（又称光电断续检测器）和内光路光电耦合器。
外光路光电耦合器又分为透过型和反射型光电耦合器。
(2) 按输出形式分，可分为：
a、光敏器件输出型，其中包括光敏二极管输出型，光敏三极管输出型，光电池输出型，光
可控硅输出型等。
b、NPN三极管输出型，其中包括交流输入型，直流输入型，互补输出型等。
c、达林顿三极管输出型，其中包括交流输入型，直流输入型。
d、逻辑门电路输出型，其中包括门电路输出型，施密特触发输出型，三态门电路输出型等。
e、低导通输出型（输出低电平毫伏数量级）。
f、光开关输出型（导通电阻小余10Ω）。
g、功率输出型（IGBT/MOSFET等输出）。
(3) 按封装形式分，可分为同轴型，双列直插型，TO封装型，扁平封装型，贴片封装型，
以及光纤传输型等。
(4) 按传输信号分，可分为数字型光电耦合器（OC门输出型，图腾柱输出型及三态门电路
输出型等）和线性光电耦合器（可分为低漂移型，高线性型，宽带型，单电源型，双电源型
等）。
(5) 按速度分，可分为低速光电耦合器（光敏三极管、光电池等输出型）和高速光电耦合
器（光敏二极管带信号处理电路或者光敏集成电路输出型）。
(6) 按通道分，可分为单通道，双通道和多通道光电耦合器。
(7) 按隔离特性分，可分为普通隔离光电耦合器（一般光学灌胶封装低于5000V，空封装低
于2000V）和高压隔离光电耦合器（可分为10kV,20kV,30kV等）。
(8) 按工作电压分，可分为低电源电压型光电耦合器（一般5～15V）和高电源电压型光电
耦合器（一般大于30V）。
按照输入、输出的形式(即据发光器件和光敏器件的类型)来分，常见的光电耦合器主要有
四种，如图4-2所示。其中a图为普通型，通常用于频率在100kHz以下的装置；b图为高速型，其
响应速度较快；c图为达林顿输出型，具有达林顿输出特性，可直接驱动负载；d图为可控硅输
出型，常用于大功率的控制场合。各种类型光电耦合器的特点及参数比较如表4-1所示。
图4-2 光电耦合器常见的结构图
表4-1 各种类型光电耦合器的特点及参数比较
光电耦合器的应用电路分析
光电耦合器具有体积小、寿命长、抗干扰能力强、工作温度宽及无触点输入与输出在电气
上完全隔离等特点，被广泛地应用在电子技术领域及工业自动控制领域中，它可以代替继电器、
变压器、斩波器等，而用于隔离电路、开关电路、数模转换、逻辑电路、过流保护、长线传输、
高压控制及电平匹配等。但归纳起来主要在以下几个方面：（1）能将输入与输出端电路间的公
共点分开，从而各自使用独立的电源供电。（2）电平转换。通过光电耦合器可以方便地实现电
平转换。（3）提高驱动能力。达林顿输出型和可控硅输出型耦合器不但具有隔离功能，而且还
具有较强的带负载能力。
基于光电耦合器的停电报警电路
图6-3 基于光电耦合器的停电报警电路原理图
基于光电耦合器的停电报警电路原理如图6-3所示。该电路主要由两部分组成，即交流电压
检测部分和报警部分。220V供电正常时，经D整流、C1滤波得到直流电压，此电压一路经R1使
指示灯LED发光；另一路经R2接光电耦合器的输入端，使发光管发光，光敏管导通，光电耦合
器输出内阻降低，从而使三极管Tl截止，音频振荡器停振。当电网停电时，C1两端的电压消失，
指示灯LED熄灭，光电耦合器的发光管也熄灭，使其光敏管截止，三极管T1导通，音频振荡器
起振，扬声器发出报警声，直到开关K断开或电网恢复供电为止。
基于光电耦合器的数据传输隔离器电路
基于光电耦合器的数据传输隔离器电路原理如图6-4所示。该电路可在两个相互独立的数字
电路之间实现完全的电气隔离，且即使输入电压低至4v也能控制其输出状态，该电路还能承受
较高的输入尖峰脉冲。在电路中，三极管Tl、T2以及稳压二极管D2组成稳压电路，将流过光电
耦合器输入端的电流限制在7mA以下。当输入为“1”或高电平时，光电耦合器的发光管点亮。光
敏管导通，使T3也导通，从而改变该电路的输出电平，实现了数据的传输。
图6-4 基于光电耦合器的数据传输隔离器电路原理图
光电耦合器的应用电路设计
光电耦合器件在诸多领域都有广泛的应用，本课题要求设计一种利用光电耦合器件模拟人
员进出自动计数控制灯开关电路系统。当有人进入房间时，灯控制开关点亮，并且当房间一直
有人时，开关一直处于开状态，一旦房间内没有人时，灯开关自动关断。为了判断房间是否有
人，电路系统中肯定要设计加减计数系统，当有人进入时，加计数系统执行加一操作；当有人
离开时，减计数系统执行减一操作。由于是共同控制一个系统，加减计数系统必须是由同一个
芯片执行，为了提供加减计数，必须产生不同的精确地加减控制脉冲。由于光电耦合器可判断
通断，但无法判断方向，在系统设计时，需用两个光电耦合器来实现进出两个不同方向，并且
进和出时要产生不同时序的上升沿，触发加减计数器工作。当计数器计数的结果是非零时，灯
开关处于开启状态，当计数器的计数结果是零时，灯开关处于关断状态。利用数字电路设计中
或门的设计方式，利用二极管的并联关系，实现灯控制输出，当计数器的输出状态有一个是高
电平时，二极管导通，输出高电平；当计数器的输出状态为全零时，二极管都关断，输出低电
平。设计出的电路参考原理图如图6-5所示。
图4-5 基于光电耦合器件的智能灯控系统电路
参考文献：
[1] 宋吉江，牛轶霞，于春战.光电耦合器的工作原理及应用.家庭电子.2001年，11期.
[2] 程开富.光电耦合器的发展及应用.国外电子元器件.2001年第1期：P64~66.
1. 超市内人员出入计数监控仪
设计一超市入口人员出入监控仪，该仪器能够记录并显示进入超市
购物的顾客人数，具体要求如下：
a. 用 51 系列单片机为核心
b. 能自动识别顾客的行进方向，一旦有人从入口出来，马上报警。
c. 可实时显示已进入超市的人数，四位 LED 数码显示
d. 有蜂鸣器提示功能
e. 采用直流电供电
2、基于单片机的数字光照度计
设计一基于单片机的数字显示光度计，测量光谱为室内可见光。
a． 采用 51 系列单片机
b． 用 LED 数码管显示照度值
c． 具有相关的控制键
d． 具有声音提示功能
e． 外接直流供电
3、医用输液控制器
设计一基于单片机的光电医用输液控制装置，主要指标如下：
1、 采用 51 系列单片机
2、 要求制作光电液位及点滴速度数检测装置
3、 输液接近完毕时可声光报警
4、 病人不适时亦可通过控制器发出报警
5、 外接直流供电，+5V 单电源工作
