基于热释电红外传感器的报警系统

! "# ! 《国外电子元器件》$%%&年第 ’期 $%%&年 ’月 基于热释电红外传感器的报警系统 刘舒祺， 施国梁 （苏州大学 电子信息学院，江苏 苏州 $"&%%(） 摘要：介绍了热释红外传感器的工作原理 )给出了一种被动型热释电红外报警器的结构原理及其应 用电路。这种电路把红外线的隐蔽性很好地应用于报警系统中，从而实现了防盗报警功能，达到了 安全防护之目的。 关键词：被动式红外报警器； 热释电红外 *+,-.传感器； 双精度单稳多频振荡器 分类号：/+$"$ 文献标识码：0 文章编号："%%( ! (122（$%%&）%’ ! %%"# ! %’ !"#$% &’()*% +,)- .’$/*"*0)$,0 123$#$*4 &*2(/$( 3,4 56789:， 5;, <7=8>:?@A ! "#$%%& %’ (&)#*+%,-#./ 0,’%+12*-%, (,3-,))+-,3 4 "%%#$%5 6,-7)+.-*8 4 "9:$%9 ;<=>>?，@$-,2A !5()$#0)6 /6B CD:@E:C>B =F +GD=B>BEHD:E ,@FD?DBI JB@J=DJ :J I:JE7JJBI :@ H6:J C?CBD K /6B ?CC>:E?H:=@ E:DE7:H ?@I L=DM:@A H6B=DG =F C?JJ:NB ,@FD?DBI 0>?DO P7QQBD ?DB CD=N:IBI K/6B ?>?DO JGJHBO ?R=7H H6B CGD=B>BEHD:E :@FD?DBI JB@J=D O?MB F7>> 7JB =F H6B E=@EB?>OB@H =F :@FD?DBI H= :OC>BOB@H H6B ?>?DO F7@EH:=@ ) L6:E6 E?@ DB?>:QB 6=OB S J J?FBHG K 7*’+/$4(6+?JJ:NB ,@FD?DBI 0>?DO P7QQBD；+GD=B>BEHD:E ,@FD?DBI 5B@J=DJ；T7?> CDBE:J:=@ O=@=JH?R>B O7>H:N:RD?H=D !应用与 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 " 概述 随着时代的不断进步，人们对自己所处环境的 安全性提出了更高的要求，尤其是在家居安全方面， 不得不时刻留意那些不速之客。现在很多小区都安 装了智能报警系统，因而大大提高了小区的安全程 度，有效保证了居民的人身财产安全。由于红外线 是不可见光，有很强的隐蔽性和保密性，因此在防 盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用。此外，在 电子防盗、人体探测等领域中，被动式热释电红外探 测器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点而受到 广大用户和专业人士的欢迎。 目前国内使用的各类防盗、保安报警器基本都 是以超声波、主动式红外发射 U接收以及微波等技术 为基础。而这里所设计的被动式红外报警器则采用 了美国的传感元件———热释电红外传感器。这种热 释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的 红外线，并将其转变为电压信号，同时，它还能鉴别 出运动的生物与其它非生物。热释电红外传感器既 可用于防盗报警装置，也可以用于自动控制、接近开 关、遥测等领域。用它制作的防盗报警器与目前市 场上销售的许多防盗报警器材相比，具有如下特点： !不需要用红外线或电磁波等发射源。 !灵敏度高、控制范围大。 !隐蔽性好，可流动安装。 $ 热释电红外传感器的原理特性 热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应 原理的热电型红外传感器。不同的是热释电红外传 感器的热电系数远远高于热电偶 ) 其内部的热电元 由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸 三甘铁等配合滤光镜片窗口组成 ) 其极化随温度的 变化而变化。为了抑制因自身温度变化而产生的干 扰 ) 该传感器在 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 上将两个特征一致的热电元反 向串联或接成差动平衡电路方式，因而能以非接触 式检测出物体放出的红外线能量变化 ) 并将其转换 为电信号输出。热释电红外传感器在结构上引入场 效应管的目的在于完成阻抗变换。由于热电元输出 的是电荷信号，并不能直接使用 )因而需要用电阻将 其转换为电压形式 ) 该电阻阻抗高达 "%VW!) 故引 ! "# ! 图 " 双探测元热释电红外传感器 图 $ 报警器结构框图 基于热释电红外传感器的报警系统 图 % 人体通过传感器时产生的信号 入的 &沟道结型场效应管应接成共漏形式 ’即源极 跟随器 ( 来完成阻抗变换。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。设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片， 并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极 化，这样便制成了热释电探测元。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 极性的。 图 "是一个双探测元热释电红外传感器的结构 示意图。使用时 )端接电源正极，*端接电源负极， +端为信号输出。该传感器将两个极性相反、特性一 致的探测元串接在一起，目的是消除因环境和自身 变化引起的干扰。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理来使传感器得到 补偿。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。 制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广 谱材料，它的探测波长范围为 ,- $ . $,!/。为了对某 一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，该传感器 在窗口上加装了一块干涉滤波片。这种滤波片除了 允许某些波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、 阳光和其它红外辐射拒之门外。 % 被动式红外报警器的结构原理 %- " 结构 被动式红外报警器主要由光学系统、热释电红 外传感器、信号滤波和放大、信号处理和报警电路等 几部分组成。其结构框图如图 $所示。图中，菲涅尔 透镜可以将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外探 测元上，同时也产生交替变化的红外辐射高灵敏区 和盲区，以适应热释电探测元要求信号不断变化的 特性；热释电红外传感器是报警器设计中的核心器 件，它可以把人体的红外信号转换为电信号以供信 号处理部分使用；信号处理主要是把传感器输出的 微弱电信号进行放大、滤波、延迟、比较，为报警功能 的实现打下基础。图 %所示的是将待测目标、菲涅尔 透镜、热释电红外传感器相结合使用时的工作原理 示意图。 %- $ 工作原理 在该探测技术中，所谓“被动”是指探测器本身 不发出任何形式的能量，只是靠接收自然界能量或 能量变化来完成探测目的。被动红外报警器的特点 是能够响应入侵者在所防范区域内移动时所引起的 红外辐射变化，并能使监控报警器产生报警信号，从 而完成报警功能。图 0所示是该报警器的工作电路 原理图。 当人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜被聚焦在 热释电红外传感器的探测元上时，电路中的传感器 将输出电压信号，然后使该信号先通过一个由 1"、 1$、2"、2$组成的带通滤波器，该滤波器的上限截止 频率为 "345，下限截止频率为 ,- "345。由于热释电 红外传感器输出的探测信号电压十分微弱（通常仅 有 "/6左右），而且是一个变化的信号，同时菲涅尔 透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式（脉冲电 压的频率由被测物体的移动速度决定，通常为 ,- " . ",45左右），所以应对热释红外传感器输出的 电压信号进行放大。本设计运用集成运算放大器 78%$0来进行两级放大，以使其获得足够的增益。 当传感器探测到人体辐射的红外线信号并经放 大后送给窗口比较器时，若信号幅度超过窗口比较 ! "# ! 《国外电子元器件》"##$年第 %期 "##$年 %月 图 & 报警器的工作电路图 器的上下限，系统将输出高电平信号；无异常情况时 则输出低电平信号。在该比较器中，’(、’)#、’))用 做参考电压，两个运算放大器用做比较，两个二极管 的主要作用是使输出更稳定。窗口比较器的上下限 电压 *即参考电压 +分别为 %, -.和 ), ".。将这个高 低电平变化的信号 *上升沿信号 + 作为单稳电路 /01&$%-2的触发信号，并让其输出一个脉宽大约为 )#3的高电平信号。再用这一脉宽信号作为报警电路 45($6)的输入控制信号，来使电路产生 )#3的报警 信号，最后用三极管 .7)和 .7"再一次对电信号进 行放大，以便有足够大的电流来驱动喇叭使其连续 发出 )#3的报警声。 & 结束语 用热释电红外传感器设计的监控报警系统具有 结构简单、成本低等优点。经过多次测试，该系统工 作情况稳定。 热释电红外报警器只能安装在室内，其误报率 与安装的位置和方式有极大的关系。正确的安装应 满足下列条件： （)）报警器应离地面 ", # 8 ", "米。 （"）报警器应远离空调、冰箱、火炉等空气、温度 变化比较敏感的地方。 （%）报警器探测范围内不得有隔屏、家具、大型 盆景或其他隔离物。 （&）报警器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰 动和人员走动会引起误报，有条件的话最好把窗帘 拉上。另外，报警器也不要安装在有强气流活动的 地方。 参考文献 9 ):袁希光 , 传感技术手册 9;: , 北京：国防工业出 版社 , )(-6, 9 ":童诗白 <华成英 , 模拟电子技术基础 *第三版 + 9;: , 高等教育出版社，"##), 9 %:何希才 , 传感器及其应用电路 9;: , 北京：电子 工业出版社，"##), 9 &:阎石 , 数字电子技术基础 *第四版 + 9;: , 北京： 高等教育出版社，)((-, 9 $:徐泽善 , 传感器与压电器件 9;: , 北京：国防工 业出版社，)(((, 9 6:李万臣 , 模拟电子技术基础实验与课程设计 9;: , 哈尔滨 =哈尔滨工业大学出版社，"##), 收稿日期："##& ! #- ! #6 咨询编号：!"!#!"