基于熱釋電紅外傳感器的報警系統(tǒng)

    摘要：介紹了熱釋紅外傳感器的工作原理，給出了一種被動型熱釋電紅外報警器的結(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)用于報警系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)了防盜報警功能，達到了安全防護之目的。

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

１ 概述

隨著時代的不斷進步，人們對自己所處環(huán)境的安全性提出了更高的要求，尤其是在家居安全方面，不得不時刻留意那些不速之客?，F(xiàn)在很多小區(qū)都安裝了智能報警系統(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產(chǎn)安全。由于紅外線是不可見光，有很強的隱蔽性和保密性，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、人體探測等領(lǐng)域中，被動式熱釋電紅外探測器也以其價格低廉、技術(shù)性能穩(wěn)定等特點而受到廣大用戶和專業(yè)人士的歡迎。

目前國內(nèi)使用的各類防盜、保安報警器基本都是以超聲波、主動式紅外發(fā)射／接收以及微波等技術(shù)為基礎(chǔ)。而這里所設(shè)計的被動式紅外報警器則采用了美國的傳感元件——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出人體輻射的紅外線，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺瑫r，它還能鑒別出運動的生物與其它非生物。熱釋電紅外傳感器既可用于防盜報警裝置，也可以用于自動控制、接近開關(guān)、遙測等領(lǐng)域。用它制作的防盜報警器與目前市場上銷售的許多防盜報警器材相比，具有如下特點：

●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特征一致的熱電元反向串聯(lián)或接成差動平衡電路方式，因而能以非接觸式檢測出物體放出的紅外線能量變化?并將其轉(zhuǎn)換為電信號輸出。熱釋電紅外傳感器在結(jié)構(gòu)上引入場效應(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，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１０４ＭΩ，故引入的Ｎ溝道結(jié)型場效應(yīng)管應(yīng)接成共漏形式?即源極跟隨器?來完成阻抗變換。熱釋電紅外傳感器由傳感探測元、干涉濾光片和場效應(yīng)管匹配器三部分組成。設(shè)計時應(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，然后加電對其進行極化，這樣便制成了熱釋電探測元。由于加電極化的電壓是有極性的，因此極化后的探測元也是有正、負(fù)極性的。

圖１是一個雙探測元熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。使用時Ｄ端接電源正極，Ｇ端接電源負(fù)極，Ｓ端為信號輸出。該傳感器將兩個極性相反、特性一致的探測元串接在一起，目的是消除因環(huán)境和自身變化引起的干擾。它利用兩個極性相反、大小相等的干擾信號在內(nèi)部相互抵消的原理來使傳感器得到補償。對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探測元上，從而使傳感器輸出電壓信號。

制造熱釋電紅外探測元的高熱電材料是一種廣譜材料，它的探測波長范圍為０．２～２０μｍ。為了對某一波長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范圍的紅外輻射通過外，還能將燈光、陽光和其它紅外輻射拒之門外。

３ 被動式紅外報警器的結(jié)構(gòu)原理

３．１ 結(jié)構(gòu)

被動式紅外報警器主要由光學(xué)系統(tǒng)、熱釋電紅外傳感器、信號濾波和放大、信號處理和報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元上，同時也產(chǎn)生交替變化的紅外輻射高靈敏區(qū)和盲區(qū)，以適應(yīng)熱釋電探測元要求信號不斷變化的特性；熱釋電紅外傳感器是報警器設(shè)計中的核心器件，它可以把人體的紅外信號轉(zhuǎn)換為電信號以供信號處理部分使用；信號處理主要是把傳感器輸出的微弱電信號進行放大、濾波、延遲、比較，為報警功能的實現(xiàn)打下基礎(chǔ)。圖３所示的是將待測目標(biāo)、菲涅爾透鏡、熱釋電紅外傳感器相結(jié)合使用時的工作原理示意圖。

    ３．２ 工作原理

在該探測技術(shù)中，所謂“被動”是指探測器本身不發(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完成探測目的。被動紅外報警器的特點是能夠響應(yīng)入侵者在所防范區(qū)域內(nèi)移動時所引起的紅外輻射變化，并能使監(jiān)控報警器產(chǎn)生報警信號，從而完成報警功能。圖４所示是該報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元上時，電路中的傳感器將輸出電壓信號，然后使該信號先通過一個由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信號電壓十分微弱（通常僅有１ｍＶ左右），而且是一個變化的信號，同時菲涅爾透鏡的作用又使輸出信號電壓呈脈沖形式（脈沖電壓的頻率由被測物體的移動速度決定，通常為０．１～１０Ｈｚ左右），所以應(yīng)對熱釋紅外傳感器輸出的電壓信號進行放大。本設(shè)計運用集成運算放大器ＬＭ３２４來進行兩級放大，以使其獲得足夠的增益。

當(dāng)傳感器探測到人體輻射的紅外線信號并經(jīng)放大后送給窗口比較器時，若信號幅度超過窗口比較器的上下限，系統(tǒng)將輸出高電平信號；無異常情況時則輸出低電平信號。在該比較器中，Ｒ９、Ｒ１０、Ｒ１１用做參考電壓，兩個運算放大器用做比較，兩個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。將這個高低電平變化的信號?上升沿信號?作為單穩(wěn)電路ＨＥＦ４５３８Ｂ的觸發(fā)信號，并讓其輸出一個脈寬大約為１０ｓ的高電平信號。再用這一脈寬信號作為報警電路ＫＤ９５６１的輸入控制信號，來使電路產(chǎn)生１０ｓ的報警信號，最后用三極管ＶＴ１和ＶＴ２再一次對電信號進行放大，以便有足夠大的電流來驅(qū)動喇叭使其連續(xù)發(fā)出１０ｓ的報警聲。

４ 結(jié)束語

用熱釋電紅外傳感器設(shè)計的監(jiān)控報警系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點。經(jīng)過多次測試，該系統(tǒng)工作情況穩(wěn)定。

圖4

    熱釋電紅外報警器只能安裝在室內(nèi)，其誤報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）報警器應(yīng)離地面２.０～２.２米。

（２）報警器應(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）報警器探測范圍內(nèi)不得有隔屏、家具、大型盆景或其他隔離物。

（４）報警器不要直對窗口，否則窗外的熱氣流擾動和人員走動會引起誤報，有條件的話最好把窗簾拉上。另外，報警器也不要安裝在有強氣流活動的地方。