基于熱釋電紅外傳感器的報(bào)警系統(tǒng)

摘要：介紹了熱釋紅外傳感器的工作原理，給出了一種被動(dòng)型熱釋電紅外報(bào)警器的結(jié)構(gòu)原理及其應(yīng)用電路。這種電路把紅外線的隱蔽性很好地應(yīng)用于報(bào)警系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)了防盜報(bào)警功能，達(dá)到了安全防護(hù)之目的。

關(guān)鍵詞：被動(dòng)式紅外報(bào)警器；熱釋電紅外（ＰＩＲ）傳感器；雙精度單穩(wěn)多頻振蕩器

１ 概述

隨著時(shí)代的不斷進(jìn)步，人們對(duì)自己所處環(huán)境的安全性提出了更高的要求，尤其是在家居安全方面，不得不時(shí)刻留意那些不速之客?，F(xiàn)在很多小區(qū)都安裝了智能報(bào)警系統(tǒng)，因而大大提高了小區(qū)的安全程度，有效保證了居民的人身財(cái)產(chǎn)安全。由于紅外線是不可見光，有很強(qiáng)的隱蔽性和保密性，因此在防盜、警戒等安保裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。此外，在電子防盜、人體探測(cè)等領(lǐng)域中，被動(dòng)式熱釋電紅外探測(cè)器也以其價(jià)格低廉、技術(shù)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)而受到廣大用戶和專業(yè)人士的歡迎。

目前國(guó)內(nèi)使用的各類防盜、保安報(bào)警器基本都是以超聲波、主動(dòng)式紅外發(fā)射／接收以及微波等技術(shù)為基礎(chǔ)。而這里所設(shè)計(jì)的被動(dòng)式紅外報(bào)警器則采用了美國(guó)的傳感元件――熱釋電紅外傳感器。這種熱釋電紅外傳感器能以非接觸形式檢測(cè)出人體輻射的紅外線，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，同時(shí)，它還能鑒別出運(yùn)動(dòng)的生物與其它非生物。熱釋電紅外傳感器既可用于防盜報(bào)警裝置，也可以用于自動(dòng)控制、接近開關(guān)、遙測(cè)等領(lǐng)域。用它制作的防盜報(bào)警器與目前市場(chǎng)上銷售的許多防盜報(bào)警器材相比，具有如下特點(diǎn)：

●不需要用紅外線或電磁波等發(fā)射源。

●靈敏度高、控制范圍大。

●隱蔽性好，可流動(dòng)安裝。

２ 熱釋電紅外傳感器的原理特性

熱釋電紅外傳感器和熱電偶都是基于熱電效應(yīng)原理的熱電型紅外傳感器。不同的是熱釋電紅外傳感器的熱電系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于熱電偶，其內(nèi)部的熱電元由高熱電系數(shù)的鐵鈦酸鉛汞陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘鐵等配合濾光鏡片窗口組成，其極化隨溫度的變化而變化。為了抑制因自身溫度變化而產(chǎn)生的干擾?該傳感器在工藝上將兩個(gè)特征一致的熱電元反向串聯(lián)或接成差動(dòng)平衡電路方式，因而能以非接觸式檢測(cè)出物體放出的紅外線能量變化?并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。熱釋電紅外傳感器在結(jié)構(gòu)上引入場(chǎng)效應(yīng)管的目的在于完成阻抗變換。由于熱電元輸出的是電荷信號(hào)，并不能直接使用?因而需要用電阻將其轉(zhuǎn)換為電壓形式?該電阻阻抗高達(dá)１０４ＭΩ，故引入的Ｎ溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管應(yīng)接成共漏形式?即源極跟隨器?來(lái)完成阻抗變換。熱釋電紅外傳感器由傳感探測(cè)元、干涉濾光片和場(chǎng)效應(yīng)管匹配器三部分組成。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將高熱電材料制成一定厚度的薄片，并在它的兩面鍍上金屬電極，然后加電對(duì)其進(jìn)行極化，這樣便制成了熱釋電探測(cè)元。由于加電極化的電壓是有極性的，因此極化后的探測(cè)元也是有正、負(fù)極性的。

圖１是一個(gè)雙探測(cè)元熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。使用時(shí)Ｄ端接電源正極，Ｇ端接電源負(fù)極，Ｓ端為信號(hào)輸出。該傳感器將兩個(gè)極性相反、特性一致的探測(cè)元串接在一起，目的是消除因環(huán)境和自身變化引起的干擾。它利用兩個(gè)極性相反、大小相等的干擾信號(hào)在內(nèi)部相互抵消的原理來(lái)使傳感器得到補(bǔ)償。對(duì)于輻射至傳感器的紅外輻射，熱釋電傳感器通過安裝在傳感器前面的菲涅爾透鏡將其聚焦后加至兩個(gè)探測(cè)元上，從而使傳感器輸出電壓信號(hào)。

制造熱釋電紅外探測(cè)元的高熱電材料是一種廣譜材料，它的探測(cè)波長(zhǎng)范圍為０．２～２０μｍ。為了對(duì)某一波長(zhǎng)范圍的紅外輻射有較高的敏感度，該傳感器在窗口上加裝了一塊干涉濾波片。這種濾波片除了允許某些波長(zhǎng)范圍的紅外輻射通過外，還能將燈光、陽(yáng)光和其它紅外輻射拒之門外。

３ 被動(dòng)式紅外報(bào)警器的結(jié)構(gòu)原理

３．１ 結(jié)構(gòu)

被動(dòng)式紅外報(bào)警器主要由光學(xué)系統(tǒng)、熱釋電紅外傳感器、信號(hào)濾波和放大、信號(hào)處理和報(bào)警電路等幾部分組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖２所示。圖中，菲涅爾透鏡可以將人體輻射的紅外線聚焦到熱釋電紅外探測(cè)元上，同時(shí)也產(chǎn)生交替變化的紅外輻射高靈敏區(qū)和盲區(qū)，以適應(yīng)熱釋電探測(cè)元要求信號(hào)不斷變化的特性；熱釋電紅外傳感器是報(bào)警器設(shè)計(jì)中的核心器件，它可以把人體的紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)以供信號(hào)處理部分使用；信號(hào)處理主要是把傳感器輸出的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、延遲、比較，為報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。圖３所示的是將待測(cè)目標(biāo)、菲涅爾透鏡、熱釋電紅外傳感器相結(jié)合使用時(shí)的工作原理示意圖。

３．２ 工作原理

在該探測(cè)技術(shù)中，所謂“被動(dòng)”是指探測(cè)器本身不發(fā)出任何形式的能量，只是靠接收自然界能量或能量變化來(lái)完成探測(cè)目的。被動(dòng)紅外報(bào)警器的特點(diǎn)是能夠響應(yīng)入侵者在所防范區(qū)域內(nèi)移動(dòng)時(shí)所引起的紅外輻射變化，并能使監(jiān)控報(bào)警器產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，從而完成報(bào)警功能。圖４所示是該報(bào)警器的工作電路原理圖。

當(dāng)人體輻射的紅外線通過菲涅爾透鏡被聚焦在熱釋電紅外傳感器的探測(cè)元上時(shí)，電路中的傳感器將輸出電壓信號(hào)，然后使該信號(hào)先通過一個(gè)由Ｃ１、Ｃ２、Ｒ１、Ｒ２組成的帶通濾波器，該濾波器的上限截止頻率為１６Ｈｚ，下限截止頻率為０．１６Ｈｚ。由于熱釋電紅外傳感器輸出的探測(cè)信號(hào)電壓十分微弱（通常僅有１ｍＶ左右），而且是一個(gè)變化的信號(hào)，同時(shí)菲涅爾透鏡的作用又使輸出信號(hào)電壓呈脈沖形式（脈沖電壓的頻率由被測(cè)物體的移動(dòng)速度決定，通常為０．１～１０Ｈｚ左右），所以應(yīng)對(duì)熱釋紅外傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行放大。本設(shè)計(jì)運(yùn)用集成運(yùn)算放大器ＬＭ３２４來(lái)進(jìn)行兩級(jí)放大，以使其獲得足夠的增益。

當(dāng)傳感器探測(cè)到人體輻射的紅外線信號(hào)并經(jīng)放大后送給窗口比較器時(shí)，若信號(hào)幅度超過窗口比較器的上下限，系統(tǒng)將輸出高電平信號(hào)；無(wú)異常情況時(shí)則輸出低電平信號(hào)。在該比較器中，Ｒ９、Ｒ１０、Ｒ１１用做參考電壓，兩個(gè)運(yùn)算放大器用做比較，兩個(gè)二極管的主要作用是使輸出更穩(wěn)定。窗口比較器的上下限電壓?即參考電壓?分別為３．８Ｖ和１．２Ｖ。將這個(gè)高低電平變化的信號(hào)?上升沿信號(hào)?作為單穩(wěn)電路ＨＥＦ４５３８Ｂ的觸發(fā)信號(hào)，并讓其輸出一個(gè)脈寬大約為１０ｓ的高電平信號(hào)。再用這一脈寬信號(hào)作為報(bào)警電路ＫＤ９５６１的輸入控制信號(hào)，來(lái)使電路產(chǎn)生１０ｓ的報(bào)警信號(hào)，最后用三極管ＶＴ１和ＶＴ２再一次對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大，以便有足夠大的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)喇叭使其連續(xù)發(fā)出１０ｓ的報(bào)警聲。

４ 結(jié)束語(yǔ)

用熱釋電紅外傳感器設(shè)計(jì)的監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過多次測(cè)試，該系統(tǒng)工作情況穩(wěn)定。

圖4

熱釋電紅外報(bào)警器只能安裝在室內(nèi)，其誤報(bào)率與安裝的位置和方式有極大的關(guān)系。正確的安裝應(yīng)滿足下列條件：

（１）報(bào)警器應(yīng)離地面２.０～２.２米。

（２）報(bào)警器應(yīng)遠(yuǎn)離空調(diào)、冰箱、火爐等空氣、溫度變化比較敏感的地方。

（３）報(bào)警器探測(cè)范圍內(nèi)不得有隔屏、家具、大型盆景或其他隔離物。

（４）報(bào)警器不要直對(duì)窗口，否則窗外的熱氣流擾動(dòng)和人員走動(dòng)會(huì)引起誤報(bào)，有條件的話最好把窗簾拉上。另外，報(bào)警器也不要安裝在有強(qiáng)氣流活動(dòng)的地方。