一、 熱釋電人體紅外線傳感器的基本結(jié)構(gòu)和原理

目前，市場上出現(xiàn)的熱釋電人體紅外線傳感器主要有上海產(chǎn)的SD02、PH5324，德國產(chǎn)的LH1954、LH1958，美國HAMAMATSU公司產(chǎn)P2288，日本NIPPON CERAMIC公司的SCA02-1、RS02D等。雖然它們的型號(hào)不一樣，但其結(jié)構(gòu)、外型和電參數(shù)大致相同，大部分可以彼此互換使用。
熱釋電人體紅外線傳感器（以下簡稱：傳感器）由敏感單元、阻抗變換器和濾光窗等三大部分組成。圖1為P2288、SD02、SCA02-1的外形圖。圖1a為它們的頂視圖，其中較大的矩形部分為濾光窗，兩個(gè)虛線框矩形為敏感單元，面積約2x1mm2 ，間距1mm。圖1b為側(cè)視圖；圖1c為底視圖；它們的監(jiān)視、探測角度如圖1a、d，其中參數(shù)為SCA02-1的數(shù)據(jù)，其它兩種的參數(shù)大致相同。
1.敏感單元
其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1a及圖2。對(duì)不同的傳感器來說，敏感單元的制造材料有所不同。如，SD02的敏感單元由鋯鈦酸鉛制成；P2288由LiTaO3 制成。這些材料再做成很薄的薄片，每一片薄片相對(duì)的兩面各引出一根電極，在電極兩端則形成一個(gè)等效的小電容 ，如圖2中的P1、P2。因?yàn)檫@兩個(gè)小電容是做在同一硅晶片上的，而它們形成的等效小電容能自身產(chǎn)生極化，極化的結(jié)果是，在電容的兩端產(chǎn)生極性相反的正、負(fù)電荷。但這兩個(gè)電容的極性是相反串聯(lián)的。這正是傳感器的獨(dú)特設(shè)計(jì)之處，因而使得它具有獨(dú)特的抗干擾性。

當(dāng)傳感器沒有檢測到人體輻射出的紅外線信號(hào)時(shí)， 由于P1、P2自身產(chǎn)生極化，在電容的兩端產(chǎn)生極性相反、電量相等的正、負(fù)電荷，而這兩個(gè)電容的極性是相反串聯(lián)的，所以，正、負(fù)電荷相互抵消，回路中無電流，傳感器無輸出。
當(dāng)人體靜止在傳感器的檢測區(qū)域內(nèi)時(shí)，照射到P1、P2上的紅外線光能能量相等，且達(dá)到平衡，極性相反、能量相等的光電流在回路中相互抵消。傳感器仍然沒有信號(hào)輸出。同理，在燈光或陽光下，因陽光移動(dòng)的速度非常緩慢，P1、P2上的紅外線光能能量仍然可以看作是相等的，且在回路中相互抵消；再加上傳感器的響應(yīng)頻率很低（一般為0.1~10Hz），即傳感器對(duì)紅外光的波長的敏感范圍很窄（一般為5~15um），因此，傳感器對(duì)它們不敏感。
當(dāng)環(huán)境溫度變化而引起傳感器本身的溫度發(fā)生變化時(shí)，因P1、P2做在同一硅晶片上的，它所產(chǎn)生的極性相反、能量相等的光電流在回路中仍然相互抵消，傳感器無輸出。
從原理上講，任何發(fā)熱體都會(huì)產(chǎn)生紅外線，熱釋電人體紅外線傳感器對(duì)紅外線的敏感程度主要表現(xiàn)在傳感器敏感單元的溫度所發(fā)生的變化，而溫度的變化導(dǎo)致電信號(hào)的產(chǎn)生。環(huán)境與自身的溫度變化由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了它不向外輸出信號(hào)；而傳感器的低頻響應(yīng)（一般為0.1~10Hz）和對(duì)特定波長紅外線（一般為5~15um）的響應(yīng)決定了傳感器只對(duì)外界的紅外線的輻射而引起傳感器的溫度的變化而敏感，而這種變化對(duì)人體而言就是移動(dòng)。所以，傳感器對(duì)人體的移動(dòng)或運(yùn)動(dòng)敏感，對(duì)靜止或移動(dòng)很緩慢的人體不敏感；它可以抗可見光和大部分紅外線的干擾。
2.濾光窗
它是由一塊薄玻璃片鍍上多層濾光層薄膜而成的，如圖2中的M，濾光窗能有效地濾除7.0~14um波長以外的紅外線。例如，SCA02-1對(duì)7.5~14um波長的紅外線的穿透量為70%，在6.5um處時(shí)下降為65%，而在5.0um處時(shí)陡降為0.1%；P2288的響應(yīng)波長為6~14um，中心波長為10um。
物體發(fā)射出的紅外線輻射能，最強(qiáng)波長和溫度的關(guān)系滿足λm*T=2989（um.k）（其中λm為最大波長，T為絕對(duì)溫度）。人體的正常體溫為36~37.5。C ，即309~310.5K，其輻射的最強(qiáng)的紅外線的波長為λm=2989/（309~310.5）=9.67~9.64um，中心波長為9.65um。因此，人體輻射的最強(qiáng)的紅外線的波長正好落在濾光窗的響應(yīng)波長（7~14um）的中心。所以，濾光窗能有效地讓人體輻射的紅外線通過，而最大限度地阻止陽光、燈光等可見光中的紅外線的通過，以免引起干擾。
綜上所述，傳感器只對(duì)移動(dòng)或運(yùn)動(dòng)的人體和體溫近似人體的物體起作用。
菲涅爾透鏡 不使用菲涅爾透鏡時(shí)傳感器的探測半徑不足2米，只有配合菲涅爾透鏡使用才能發(fā)揮最大作用。配上菲涅爾透鏡時(shí)傳感器的探測半徑可達(dá)到10米。例如，一些傳感器對(duì)遠(yuǎn)在20米處快速行駛的汽車?yán)锏娜梭w也能可靠地檢測到。菲涅爾透鏡采用塑料片制作而成。圖3為它的平面圖。從圖中可以看出，透鏡在水平方向上分寸成3個(gè)部分，每一部分在豎直方向上又等分成若干不同的區(qū)域。最上面部分的每一等份為一個(gè)透鏡單元，它們由一個(gè)個(gè)同心圓構(gòu)成，同心圓圓心在透鏡單元內(nèi)。中間和下半部分的每一等份也為分別一個(gè)透鏡單元，同樣由同心圓構(gòu)成，但同心圓圓心不在透鏡單元內(nèi)。當(dāng)光線通過這些透鏡單元后，就會(huì)形成明暗相間的可見區(qū)和盲區(qū)。由于每一個(gè)透鏡單元只有一個(gè)很小的視角，視角內(nèi)為可見區(qū)，視角外為盲區(qū)。任何兩個(gè)相鄰?fù)哥R單元之間均以一個(gè)盲區(qū)和可見區(qū)相間隔，它們斷續(xù)而不重疊和交叉，如圖3b。這樣，當(dāng)把透鏡放在傳感器正前方的適當(dāng)位置時(shí)，運(yùn)動(dòng)的人體一旦出現(xiàn)在透鏡的前方，人體輻射出的紅外線通過透鏡后在傳感器上形成不斷交替變化的陰影區(qū)（盲區(qū)）和明亮區(qū)（可見區(qū)），使傳感器表面的溫度不斷發(fā)生變化，從而輸出電信號(hào)。也可以這樣理解，人體在檢測區(qū)內(nèi)活動(dòng)時(shí)，一離開一個(gè)透鏡單元的視場，又會(huì)立即進(jìn)入另一個(gè)透鏡單元的視場，（因?yàn)橄噜復(fù)哥R單元之間相隔很近），傳感器上就出現(xiàn)隨人體移動(dòng)的盲區(qū)和可見區(qū)，導(dǎo)致傳感器的溫度變化，而輸出電信號(hào)。
菲涅爾透鏡不僅可以形成可見區(qū)和盲區(qū)，還有聚焦作用，其焦點(diǎn)一般為5厘米左右，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況或資料提供的說明調(diào)整菲涅爾透鏡與傳感器之間的距離，一般把透鏡固定在傳感器正前方1~5厘米的地方。
菲涅爾透鏡一般采用聚乙烯塑料片制成，顏色為乳白色或黑色，呈半透明狀，但對(duì)波長為10um左右的紅外線來說卻是透明的。
表1為熱釋電人體紅外線傳感器SCA02-1的主要電參數(shù)。
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二、 熱釋電人體紅外線傳感器的基本應(yīng)用
圖4是由P2288或SCA02-1構(gòu)成的熱釋電人體紅外線傳感器檢測與放大電路。
表1
項(xiàng) 目 參 數(shù) 條 件
電源電壓 2.2~10.0V
源極電壓 0.3~2.0V 25．C
源極阻抗 47KΩ Id=6~43uA
電 平 衡 10%Max）
頻率響應(yīng) 0.3~30Hz 12db（Max）
響應(yīng)波長 7.5~14um 平均大于70%
工作溫度 -10~+50。C

圖4

基于熱釋電紅外傳感器的報(bào)警系統(tǒng)

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、人體探測等領(lǐng)域中，被動(dòng)式熱釋電紅外探測器也以其價(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?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)、遙測等領(lǐng)域。用它制作的防盜報(bào)警器與目前市場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(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(gè)雙探測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)探測元上，從而使傳感器輸出電壓信號(hào)。

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(duì)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(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

在該探測技術(shù)中，所謂“被動(dòng)”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(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

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)簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。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(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)警器探測范圍內(nèi)不得有隔屏、家具、大型盆景或其他隔離物。

菲涅爾透鏡又稱階梯鏡，即有"階梯"形不連續(xù)表面組成的透鏡。"階梯"由一系列同心圓環(huán)狀帶區(qū)構(gòu)成，又稱環(huán)帶透鏡。通過菲涅爾透鏡觀察遠(yuǎn)處的物體，則物體的像是倒立的，而觀察近處的物體時(shí)會(huì)產(chǎn)生放大效果。

菲涅爾透鏡作用有兩個(gè)：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號(hào)折射（反射）在PIR上，第二個(gè)作用是將探測區(qū)域內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入探測區(qū)域的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號(hào)。
菲涅爾透鏡,簡單的說就是在透鏡的一側(cè)有等距的齒紋.通過這些齒紋,可以達(dá)到對(duì)指定光譜范圍的光帶通(反射或者折射)的作用.傳統(tǒng)的打磨光學(xué)器材的帶通光學(xué)濾鏡造價(jià)昂貴。菲涅爾透鏡可以極大的降低成本。典型的例子就是PIR（被動(dòng)紅外線探測器）。PIR廣泛的用在警報(bào)器上。如果你拿一個(gè)看看，你會(huì)發(fā)現(xiàn)在每個(gè)PIR上都有個(gè)塑料的小帽子。這就是菲涅爾透鏡。小帽子的內(nèi)部都刻上了齒紋。這種菲涅爾透鏡可以將入射光的頻率峰值限制到10微米左右（人體紅外線輻射的峰值）。成本相當(dāng)?shù)牡汀?/SPAN>
菲涅爾透鏡的種類很多，其幾何形狀、探測角、焦距及用
途也不盡相同。常用的菲涅爾透鏡可大致歸納為以下幾類。
1．長方形透鏡。是常用普通型透鏡。如0—6型尺寸為68X
38mm，焦距為29mm，水平角12Oo，垂直角8O。，探測距離
大于1Om；0—1A型尺寸為58．8X 45mm，水平角85。，垂直角450。探測距離大于1Om。
2．半球狀透鏡。適合吊頂安裝，若設(shè)計(jì)成小型探測器，
4—56可作吊頂武自動(dòng)燈、自動(dòng)門等。如：Q-8型半球形透鏡，直徑為24mm，水平探測角1 00。，垂直探測角60。，探測距離3— 5m；另外，還有RS-8型半球狀透鏡等。
3．水平薄片形。這類透鏡設(shè)計(jì)獨(dú)特，如：SC一62型透鏡，
探測區(qū)域是兩個(gè)水平1o0o、垂直1．91。的窄平面，對(duì)應(yīng)兩
個(gè)高精度傳感器，特別適合對(duì)某一水平高度進(jìn)行監(jiān)測；SC一82型透鏡，水平角140o，垂直角12。，用它組成的探測器可避免地面小動(dòng)物活動(dòng)產(chǎn)生的干擾。由于這類透鏡水平角特別大，垂直角特別小。故適合于特殊場合的探測。
4．光束式透鏡。如：BS-05型透鏡的水平角僅5。，可形
成一束細(xì)長的探測區(qū)．其探測距離遠(yuǎn)，有效距離可達(dá)30m以
上，適用于走廊、長通道等長距離、小角度的應(yīng)用場合。
5．抗燈光干擾型。通用型透鏡普遍采用聚乙烯材料制
作，由于其透明度較高，易受強(qiáng)光源干擾產(chǎn)生誤動(dòng)作。為了提高透鏡的抗干擾能力，在制作材料中加入某些添加劑，制成乳白色或黑色透鏡，其中以黑色最為理想。經(jīng)實(shí)際測試，如果配以雙脈沖標(biāo)準(zhǔn)線路，其抗燈光干擾指標(biāo)可達(dá)到10000Lx(勒克斯)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國家標(biāo)準(zhǔn)。黑色透鏡如8S一94V3，乳白色透鏡有0X一1、QX-1A等。

熱釋電紅外傳感器的報(bào)警系統(tǒng)方案

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、人體探測等領(lǐng)域中，被動(dòng)式熱釋電紅外探測器也以其價(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?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)、遙測等領(lǐng)域。用它制作的防盜報(bào)警器與目前市場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(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。
該傳感器將兩個(gè)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(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)探測元上，從而使傳感器輸出電壓信號(hào)。

         

 

           

 

圖１是一個(gè)雙探測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。

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(duì)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(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
在該探測技術(shù)中，所謂“被動(dòng)”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(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
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)簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過多次測試，該系統(tǒng)工作情況穩(wěn)定。

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。