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人体热释电红外传感器型号、引脚及工作参数

信息来源: http://ggbsw.com  时间:2016/5/16 8:52:38 

热释电红外传感器型号、引脚及工作参数

      
 

        模块图:
 
 用HN911L热释电传感器模块
及NE555制作的人体感应继电器开关电路

      热释电红外传感器型号主要有

 P228、LHl958、LHI954、RE200B、KDS209、PIS209、LHI878、PD632等。
热释电红外传感器通常采用3引脚金属封装,各引脚分别为
电源供电端(内部开关管D极,DRAIN)、
信号输出端(内部开关管S极,SOURCE)、
接地端(GROUND)。       
       
     热释电红外传感器的主要工作参数有工作电压

 (常用的热释电红外传感器工作电压范围为3~15V)、
工作波长(通常为7.5~14 μ m)、
源极电压(通常为0.4~1.1V,R=47kΩ)、
输出信号电压(通常大于2.0V)等

 应用电路图1
 
    

三、《热释电传感器检测电路》电路工作正常

 

     在你已经装好的《热释电传感器检测电路》,应能实现电路工作正常。

     1.接上12V电源后,电容器C8两端电压为6V,LED2电源指示灯亮,电源电路工作正常。

     2.手靠近远红外传感器PIR时,经一段时间后,报警发光二极管LED1由微亮转光亮,LS1慢慢变大声。延时及检测电路工作正常。

     3.手离开远红外传感器PIR时,发光二极管LED1延时亮1分钟,LS1也延时响1分钟。延时电路工作正常。

     4.手离开远红外传感器PIR时再开机或结束停电后来电时不应出现LED1亮和LS1响。



 

应用电路图2


热释电人体感应开关电路 


(热释电红外探头选用LN074B型)

 应用电路图3

  人体感应电子自动门及报警两用电路
 

本装置可自动控制单位大门的开与关,有人进出时门自动打开,进出过后门自动关闭。夜晚大门停用后,本装置可转作报警器,一旦有人走近大门即产生报警,以告知门卫开小门放人进出。

图1是人体感应信号产生及放大电路。其中RS是热释电远红外被动式传感器,A1、A2是两级放大器。传感器检测到人体红外线后产生的感应信号很微弱,电路中设置了诸多旁路电容都是为了抑制干扰,避免误动作。A3、A4是上、下限电压比较器,平时A2的输出电平比A3⑥脚电平低,而比A4③脚电平高,A3、A4输出皆为低电平。只有传感器感应产生的交变信号经放大达到足够电平才能使A3或A4输出为高电平,以控制后续电路工作。

图2、图3是自动门电机控制电路及报警变换电路。由图1的CZ插座②脚来的高电平使BG1导通、J1动作,触点J1-1闭合使C1短路,IC3的③脚输出高电平使J2得电,J2-1闭合接通市电,J2-2动触头转换到“a”位置,电机M正转开门。同时BG2饱和导通,IC4的③脚为低电平。经过一定时间,门位移到终点碰触轨道上的限位开关K1,J2释放,电机停转。当人们进出门结束后,BG1基极无信号而截止,J1释放,再经过一定时间(此时间由R3、C1的值决定),IC3的③脚输出低电平,BG2截止,IC4的③脚受由低到高的脉冲触发,其①脚输出高电平,一方面使BG3导通,J3得电,J3-1使电机接通市电,此时因J2不工作,J2-2动触头已回到“b”位,故电机反转,门开始关。门到达“关”的终点即碰触轨道上的限位开关K2,电机停转。另一方面IC4的①脚上电压通过R8对C3充电,当④脚为高电平时①脚翻转为低电平,BG3截止,J3释放。若在关门过程中又有人要进出门,则BG1又接到信号,J2又工作,J2-2又转换到“a”位置,门便立即由“关”转为“开”。因此,只要有人进出门,无论原来门处于何种状态,总会作开门运行。

当夜晚不需要自动门工作时,可将K3由“1”扳至“2”,这时本系统即构成报警器。一旦有人走到门附近,J2-1与J3-1便相继接通市电,使声、光报警器发出警报。

在RS传感器上加装菲涅尔透镜可增大作用距离。另外,为了使人进门与出门都能自动开门,须在门的两侧都装有图1所示的人体感应信号产生及放大电路,分别安装于门内门外的上方,将其输出端并联后接在图2电路的输入端即可。

实验点评:

笔者对图1的人体感应信号产生及放大电路部分作了实验,当人进入红外探头的探测区域时,插座CZ的②脚有预期的高电平输出,说明红外探头信号能对后续控制电路进行控制,进而控制自动门和报警器。



应用电路图4

 

     

热释电人体红外线传感器的原理和应用热释电人体红外线传感器是上世纪80年代末期出现的一种新型传感器件。现在,已得到越来越广泛的应用。目前,一些书刊只简要介绍了被动式热释电人体红外线传感器的基本应用。本文就主动式和被动式两方面的基本应用原理作一大致介绍。


一、 热释电人体红外线传感器的基本结构和原理

目前,市场上出现的热释电人体红外线传感器主要有上海产的SD02、PH5324,德国产的LH1954、LH1958,美国HAMAMATSU公司产P2288,日本NIPPON CERAMIC公司的SCA02-1、RS02D等。虽然它们的型号不一样,但其结构、外型和电参数大致相同,大部分可以彼此互换使用。
热释电人体红外线传感器(以下简称:传感器)由敏感单元、阻抗变换器和滤光窗等三大部分组成。图1为P2288、SD02、SCA02-1的外形图。图1a为它们的顶视图,其中较大的矩形部分为滤光窗,两个虚线框矩形为敏感单元,面积约2x1mm2 ,间距1mm。图1b为侧视图;图1c为底视图;它们的监视、探测角度如图1a、d,其中参数为SCA02-1的数据,其它两种的参数大致相同。
1.敏感单元
其内部结构见图1a及图2。对不同的传感器来说,敏感单元的制造材料有所不同。如,SD02的敏感单元由锆钛酸铅制成;P2288由LiTaO3 制成。这些材料再做成很薄的薄片,每一片薄片相对的两面各引出一根电极,在电极两端则形成一个等效的小电容 ,如图2中的P1、P2。因为这两个小电容是做在同一硅晶片上的,而它们形成的等效小电容能自身产生极化,极化的结果是,在电容的两端产生极性相反的正、负电荷。但这两个电容的极性是相反串联的。这正是传感器的独特设计之处,因而使得它具有独特的抗干扰性。

当传感器没有检测到人体辐射出的红外线信号时, 由于P1、P2自身产生极化,在电容的两端产生极性相反、电量相等的正、负电荷,而这两个电容的极性是相反串联的,所以,正、负电荷相互抵消,回路中无电流,传感器无输出。
当人体静止在传感器的检测区域内时,照射到P1、P2上的红外线光能能量相等,且达到平衡,极性相反、能量相等的光电流在回路中相互抵消。传感器仍然没有信号输出。同理,在灯光或阳光下,因阳光移动的速度非常缓慢,P1、P2上的红外线光能能量仍然可以看作是相等的,且在回路中相互抵消;再加上传感器的响应频率很低(一般为0.1~10Hz),即传感器对红外光的波长的敏感范围很窄(一般为5~15um),因此,传感器对它们不敏感。
当环境温度变化而引起传感器本身的温度发生变化时,因P1、P2做在同一硅晶片上的,它所产生的极性相反、能量相等的光电流在回路中仍然相互抵消,传感器无输出。
从原理上讲,任何发热体都会产生红外线,热释电人体红外线传感器对红外线的敏感程度主要表现在传感器敏感单元的温度所发生的变化,而温度的变化导致电信号的产生。环境与自身的温度变化由其内部结构决定了它不向外输出信号;而传感器的低频响应(一般为0.1~10Hz)和对特定波长红外线(一般为5~15um)的响应决定了传感器只对外界的红外线的辐射而引起传感器的温度的变化而敏感,而这种变化对人体而言就是移动。所以,传感器对人体的移动或运动敏感,对静止或移动很缓慢的人体不敏感;它可以抗可见光和大部分红外线的干扰。
2.滤光窗 
它是由一块薄玻璃片镀上多层滤光层薄膜而成的,如图2中的M,滤光窗能有效地滤除7.0~14um波长以外的红外线。例如,SCA02-1对7.5~14um波长的红外线的穿透量为70%,在6.5um处时下降为65%,而在5.0um处时陡降为0.1%;P2288的响应波长为6~14um,中心波长为10um。
物体发射出的红外线辐射能,最强波长和温度的关系满足λm*T=2989(um.k)(其中λm为最大波长,T为绝对温度)。人体的正常体温为36~37.5。C ,即309~310.5K,其辐射的最强的红外线的波长为λm=2989/(309~310.5)=9.67~9.64um,中心波长为9.65um。因此,人体辐射的最强的红外线的波长正好落在滤光窗的响应波长(7~14um)的中心。所以,滤光窗能有效地让人体辐射的红外线通过,而最大限度地阻止阳光、灯光等可见光中的红外线的通过,以免引起干扰。
综上所述,传感器只对移动或运动的人体和体温近似人体的物体起作用。
菲涅尔透镜 不使用菲涅尔透镜时传感器的探测半径不足2米,只有配合菲涅尔透镜使用才能发挥最大作用。配上菲涅尔透镜时传感器的探测半径可达到10米。例如,一些传感器对远在20米处快速行驶的汽车里的人体也能可靠地检测到。菲涅尔透镜采用塑料片制作而成。图3为它的平面图。从图中可以看出,透镜在水平方向上分寸成3个部分,每一部分在竖直方向上又等分成若干不同的区域。最上面部分的每一等份为一个透镜单元,它们由一个个同心圆构成,同心圆圆心在透镜单元内。中间和下半部分的每一等份也为分别一个透镜单元,同样由同心圆构成,但同心圆圆心不在透镜单元内。当光线通过这些透镜单元后,就会形成明暗相间的可见区和盲区。由于每一个透镜单元只有一个很小的视角,视角内为可见区,视角外为盲区。任何两个相邻透镜单元之间均以一个盲区和可见区相间隔,它们断续而不重叠和交叉,如图3b。这样,当把透镜放在传感器正前方的适当位置时,运动的人体一旦出现在透镜的前方,人体辐射出的红外线通过透镜后在传感器上形成不断交替变化的阴影区(盲区)和明亮区(可见区),使传感器表面的温度不断发生变化,从而输出电信号。也可以这样理解,人体在检测区内活动时,一离开一个透镜单元的视场,又会立即进入另一个透镜单元的视场,(因为相邻透镜单元之间相隔很近),传感器上就出现随人体移动的盲区和可见区,导致传感器的温度变化,而输出电信号。
菲涅尔透镜不仅可以形成可见区和盲区,还有聚焦作用,其焦点一般为5厘米左右,实际应用时,应根据实际情况或资料提供的说明调整菲涅尔透镜与传感器之间的距离,一般把透镜固定在传感器正前方1~5厘米的地方。
菲涅尔透镜一般采用聚乙烯塑料片制成,颜色为乳白色或黑色,呈半透明状,但对波长为10um左右的红外线来说却是透明的。
表1为热释电人体红外线传感器SCA02-1的主要电参数。
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二、 热释电人体红外线传感器的基本应用
图4是由P2288或SCA02-1构成的热释电人体红外线传感器检测与放大电路。
表1
项 目 参 数 条 件
电源电压 2.2~10.0V 
源极电压 0.3~2.0V 25.C
源极阻抗 47KΩ Id=6~43uA
电 平 衡 10%Max) 
频率响应 0.3~30Hz 12db(Max)
响应波长 7.5~14um 平均大于70%
工作温度 -10~+50。C

图4

PY1为传感器P2288或SCA02-1,IC1为低噪声高速运算放大器LM358等。PY1检测到人体红外线信号后,从2脚输出极微弱的电信号直接输入同相放大器IC1a放大约2500倍,再从1脚输出一定幅度的信号,再经电容C8耦合到反相放大器IC1b进一步放大。IC2构成窗口式电压比较器,当IC1b的7脚电压幅度在Ua和Ub的幅值之间时,IC2的1、7脚无输出;当IC1b的7脚电压幅度大于Ub的幅值时,IC2的7脚输出高电平;当IC1b的7脚电压幅度低于Ua的幅值时,IC2的1脚输出高电平;经D1、D2相互隔离和“或”的作用,从P点输出高电平控制信号。R11用于设置窗口的阀值电平,调节R11可以调整检测器的灵敏度。P点输出高电平控制信号可以用于以下各种实用电路中。
1.“有电,危险”安全警示电路 用于有电的场合,当有人进入这些场合时,通过发出语音和声光提醒人们注意安全。
2.自动门 主要用于银行、宾馆。当有人来到时,大门自动打开,;人离开后又自动关闭。
3.红外线防盗报警器 用于银行、办公楼、家庭等场合的防盗报警。
4.高速公路车辆车流计数器 
5.自动开、关的照明灯,人体接近自动开关等。

基于热释电红外传感器的报警系统

 

1 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/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。

2 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104MΩ,故引入的N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1是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图。使用时D端接电源正极,G端接电源负极,S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0.2~20μm。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。

3 被动式红外报警器的结构原理

3.1 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2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3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。

    3.2 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4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C1、C2、R1、R2组成的带通滤波器,该滤波器的上限截止频率为16Hz,下限截止频率为0.16Hz。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1mV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0.1~10Hz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LM324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,R9、R10、R11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3.8V和1.2V。将这个高低电平变化的信号上升沿信号 作为单稳电路HEF4538B的触发信号,并让其输出一个脉宽大约为10s的高电平信号。再用这一脉宽信号作为报警电路KD9561的输入控制信号,来使电路产生10s的报警信号,最后用三极管VT1和VT2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10s的报警声。

4 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。

图4

    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:

(1)报警器应离地面2.0~2.2米。

(2)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。

(3)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。

(4)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。

菲涅尔透镜又称阶梯镜,即有"阶梯"形不连续表面组成的透镜。"阶梯"由一系列同心圆环状带区构成,又称环带透镜。通过菲涅尔透镜观察远处的物体,则物体的像是倒立的,而观察近处的物体时会产生放大效果。 

菲涅尔透镜作用有两个:一是聚焦作用,即将热释红外信号折射(反射)在PIR上,第二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区,使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号。 
菲涅尔透镜,简单的说就是在透镜的一侧有等距的齿纹.通过这些齿纹,可以达到对指定光谱范围的光带通(反射或者折射)的作用.传统的打磨光学器材的带通光学滤镜造价昂贵。菲涅尔透镜可以极大的降低成本。典型的例子就是PIR(被动红外线探测器)。PIR广泛的用在警报器上。如果你拿一个看看,你会发现在每个PIR上都有个塑料的小帽子。这就是菲涅尔透镜。小帽子的内部都刻上了齿纹。这种菲涅尔透镜可以将入射光的频率峰值限制到10微米左右(人体红外线辐射的峰值)。成本相当的低。 
菲涅尔透镜的种类很多,其几何形状、探测角、焦距及用 
途也不尽相同。常用的菲涅尔透镜可大致归纳为以下几类。 
1.长方形透镜。是常用普通型透镜。如0—6型尺寸为68X 
38mm,焦距为29mm,水平角12Oo,垂直角8O。,探测距离 
大于1Om;0—1A型尺寸为58.8X 45mm,水平角85。,垂直角450。探测距离大于1Om。 
2.半球状透镜。适合吊顶安装,若设计成小型探测器, 
4—56可作吊顶武自动灯、自动门等。如:Q-8型半球形透镜,直径为24mm,水平探测角1 00。,垂直探测角60。,探测距离3— 5m;另外,还有RS-8型半球状透镜等。 
3.水平薄片形。这类透镜设计独特,如:SC一62型透镜, 
探测区域是两个水平1o0o、垂直1.91。的窄平面,对应两 
个高精度传感器,特别适合对某一水平高度进行监测;SC一82型透镜,水平角140o,垂直角12。,用它组成的探测器可避免地面小动物活动产生的干扰。由于这类透镜水平角特别大,垂直角特别小。故适合于特殊场合的探测。 
4.光束式透镜。如:BS-05型透镜的水平角仅5。,可形 
成一束细长的探测区.其探测距离远,有效距离可达30m以 
上,适用于走廊、长通道等长距离、小角度的应用场合。 
5.抗灯光干扰型。通用型透镜普遍采用聚乙烯材料制 
作,由于其透明度较高,易受强光源干扰产生误动作。为了提高透镜的抗干扰能力,在制作材料中加入某些添加剂,制成乳白色或黑色透镜,其中以黑色最为理想。经实际测试,如果配以双脉冲标准线路,其抗灯光干扰指标可达到10000Lx(勒克斯),远远超过国家标准。黑色透镜如8S一94V3,乳白色透镜有0X一1、QX-1A等。

菲涅尔十九世纪最伟大的光学家 
菲涅尔透镜又称阶梯镜,即有"阶梯"形不连续表面组成的透镜。"阶梯"由一系列同心圆环状带区构成,又称环带透镜。通过菲涅尔透镜观察远处的物体,则物体的像是倒立的,而观察近处的物体时会产生放大效果。 

菲涅尔透镜作用有两个:一是聚焦作用,即将热释红外信号折射(反射)在PIR上,第二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区,使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号。 
菲涅尔透镜,简单的说就是在透镜的一侧有等距的齿纹.通过这些齿纹,可以达到对指定光谱范围的光带通(反射或者折射)的作用.传统的打磨光学器材的带通光学滤镜造价昂贵。菲涅尔透镜可以极大的降低成本。典型的例子就是PIR(被动红外线探测器)。PIR广泛的用在警报器上。如果你拿一个看看,你会发现在每个PIR上都有个塑料的小帽子。这就是菲涅尔透镜。小帽子的内部都刻上了齿纹。这种菲涅尔透镜可以将入射光的频率峰值限制到10微米左右(人体红外线辐射的峰值)。成本相当的低。 

菲涅耳透镜可以把透过窄带干涉滤光镜的光聚焦在硅光电二级探测器的光敏面上。 

菲涅尔透镜由有机玻璃制成,不能用任何有机溶液(如酒精等)擦拭。除尘时可先用蒸馏水或普通净水冲洗,再用脱脂棉擦拭。

热释电红外传感器的报警系统方案

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(PIR)传感器;双精度单稳多频振荡器
1 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/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。
2 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104MΩ,故引入的N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。
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。

 

          

              


图1是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图。

使用时D端接电源正极,G端接电源负极,S端为信号输出。


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0.2~20μm。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。
3 被动式红外报警器的结构原理
3.1 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2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3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。

 



3.2 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4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C1、C2、R1、R2组成的带通滤波器,该滤波器的上限截止频率为16Hz,下限截止频率为0.16Hz。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1mV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0.1~10Hz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LM324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,R9、R10、R11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3.8V和1.2V。将这个高低电平变化的信号上升沿信号 作为单稳电路HEF4538B的触发信号,并让其输出一个脉宽大约为10s的高电平信号。再用这一脉宽信号作为报警电路KD9561的输入控制信号,来使电路产生10s的报警信号,最后用三极管VT1和VT2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10s的报警声。
4 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:
(1)报警器应离地面2.0~2.2米。
(2)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。
(3)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。
(4)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。


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