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热释电传感器原理与应用

2009-4-28 15:24 2730 0 分类: 测试测量

基于热释电红外传感器的报警系统


    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。


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。


 


 


 


 


 


热释电红外控制开关


  本例介绍一款采用热释电红外传感器 (一种由高热电系数材料、阻抗匹配用场效应晶体管的滤光镜片等组成的新型敏感元件)和专用集成电路制作的热释电红外线控制开关,它在检测到人体发射的红外传感器信号后接通,使负载 (报警器或照明灯、排风扇等)通电工作。


  电路工作原理


  该热释电红外控制开关电路由热释红外传感器 (PIR)、热释电红外控制电路、光控电路和控制执行电路组成,如图3-66所示。


  热释电红外控制电路由集成电路lC(SS0001)和电阻器RZ-R9、电容器Cl-C8组成。SS0001是热释电红外控制专用集成电路,其内部由输入放大器、双向限幅器、状态控制器、延时定时器、锁存定时器和基准电源等电路组成,如图3-67所示。


  光控电路由光敏电阻器RG、电阻器Rl和IC第9脚内电路组成。


  控制执行电路由电阻器RlO、晶体管V、二极管VD和继电器K组成。


  热释电红外传感器应与非涅尔透镜配合使用,才能提高其灵敏度。在热释电红外传感器未检测到人体红外线信号时,IC的2脚输出低电平,V处于截止状态,K不吸合,负载电路不工作。


  当有人在热释电红外传感器的有效检测区域内活动时,热释电红外传感器将接收到人体发出的红外信号,并将其转变成微弱的脉冲电压信号,此电压信号经lC内电路放大、鉴幅处理及定时控制后,从2脚输出控制高电平,使V导通,K吸合,负载电路通电工作。


  在白天,光敏电阻器RG受光照射而呈低阻状态,IC的9脚 (触发禁止端)被锁定为低电平,使IC的2脚恒定输出低电平。夜晚,RG因无光照射而呈高阻状态,IC的g脚恢复为高电平,热释电红外控制开关又迸人警戒状态。若想该热释电红外控制开关白天、晚上均工作,可将RG去掉或在Rl两端并接一只小开关。


  元器件选择


  Rl-RlO选用1/4W碳膜电阻器或金属膜电阻器。


  RG选用亮阻小于2OkΩ、暗阻大于2MΩ的光敏电阻器。


  Cl、C2和C6均选用耐压值为16V的铝电解电容器;C3-C5、C7和C8均选用独石电容器或涤纶电容器。


  VD选用IN4007型硅整流二极管。


  V选用S9013C8050、58050、3DG8050型硅NPN晶体管。


  IC选用SS0001或BISS0001型热释电红外传感控制集成电路。


  热释电红外传感器可选用AMNl或陀28、SDO2等型号,配用Q-lA或CE-024型菲涅尔透镜。


  K选用4098型直流继电器

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