红外线防盗系统分析研究吴路文Word格式.docx

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2.1.3红外辐射原理7

2.2红外技术7

2.2.1红外技术的基本应用7

2.2.2红外技术的发展史以及发展趋势7

2.3红外技术的研究现状10

第三章红外探测器10

3.1红外探测器10

3.2红外探测器的分类11

3.3被动红外探测器12

3.4主动红外探测器13

3.4热释电红外传感器的原理特性13

第四章电路组成及框图15

4.1电路的组成15

4.2电源电路16

4.3整流滤波电路16

4.4稳压电路19

4.5放大电路的设计20

4.5.1反相交流放大器20

4.5.2同相交流放大器20

4.5.3比较器电路设计21

第五章整机工作电路及工作原理23

第六章电路的仿真及元器件介绍24

6.1电路仿真24

6.1.1电源电路仿真图24

6.1.2红外线热释电传感器报警指示仿真图<

热释电传感器用开关代替）25

6.2元件的介绍25

6.2.1KP506B红外传感器25

6.2.2LM324集成运放26

参考文献：

28

致谢29

附录1电路原理图30

摘要

通过介绍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。

该报警器能探测人体发出的红外线，由红外线传感器、信号放大电路、电压比较器、延时电路和报警指示电路等组成。

当人进入报警器的监视区域内，即可发出报警信号，适用于家庭、办公室、仓库、实验室等比较重要场合防盗报警。

概述了红外辐射的知识、热释电红外传感器的结构和工作原理。

本文研究热释电红外传感器设计的一种被动式红外报警电路,分析了该电路的功能和工作原理。

热释电红外传感器具有很多的优点,在防盗、警戒等装置中应用较广。

关键词：

热释电红外<

PIR）；

传感器；

热释电效应

Infraredanti-theftalarmsystemresearch

Abstract:

Throughtheintroductionofpyroelectricinfraredsensorworkingprinciple,giveapassivepyroelectricinfraredalarmstructuretheoryandapplicationcircuit.Thecircuitofthehiddennatureoftheinfraredalarmsystemappliesverywell,soastoachievetheanti-theftalarmfunction,achievedthepurposeofsecurity.

Thealarmcandetectinfraredradiationgeneratedbyahumanbody,comprisinganinfraredsensor,asignalamplificationcircuit,voltagecomparator,adelaycircuitandanalarmindicationcircuit.Whenpeopleenterthealarmmonitoringregion,whichcansendoutalarmsignals,issuitableforfamily,office,warehouse,laboratoryandotherimportantoccasionsanti-theftalarm.Overviewoftheinfraredradiationoftheknowledge,thepyroelectricinfraredsensorstructureandworkingprinciple.Thispaperstudiesthepyroelectricinfraredsensordesignofapassiveinfraredalarmcircuit,analyzesthefunctionofthecircuitandworkingprinciple.Pyroelectricinfraredsensorhasmanyadvantages,intheanti-theftwarningdevice,widelyusedin.

Keywords:

pyroelectricinfrared（PIR>

。

sensor。

pyroelectriceffect

引言

科技发展到今天，人们的生活中涌现出各种各样的科技产品，各种各样的电子产品更是花样百出、遍及人们生活中的每一部分。

现在人们更是感觉到了科技给人们带来的巨大发展，科学技术作为第一生产力，在人类社会的发展中起了很大的推动作用，安全防范技术是以电子技术为主体的一门综合性技术。

它的特点是灵敏度高、反映迅速、具有极高的准确性、可靠性、客观性及时间上的连续性。

随着国民经济的发展,社会安全保障的需要,电子报警这门综合技术也在不断地发展。

有一个安定、和谐的家庭氛围和社会气息是人们的基本要求，在无人看守的家庭、银行、仓库、商店、重要财经部门等一些重要的部门实施自动监测报警的要求就变得更必要、更重要了，它会使家庭、银行等重要部门的财产免受损失。

针对这一要求人们研制了一系列自动报警系统。

如有门磁式、触摸式、红外线监测等自动报警系统,报警器为人们解决了不少问题.但是市场上的报警器大部分都是用于一些大公司财政机构。

价格高昂,一般人们难以接受。

如果再设计和生产一种价廉、性能灵敏可靠的防盗报警器，必将在防盗和保证财产安全方面发挥更加有效的作用。

由于红外线是不见光，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。

红外技术已经成为先进科学技术的重要组成部分，它在各领域都得到广泛的应用。

由于它是不可见光，因此用它作防盗监控报警器，具有良好的隐蔽性，白天和黑夜均能使用，而且抗干扰能力强防盗报警系统是用物理方法或电子技术，自动探测发生在布防监测区域内的侵入行为，产生报警信号，并提示值班人员发生报警的区域部位，显示可能采取对策的系统。

防盗报警系统是预防抢劫、盗窃等意外事件的重要设施。

一旦发生突发事件，就能通过声光报警信号在安保控制中心。

第一章国内外研究动态动

防盗报警系统通常由:

探测器<

又称报警器）、传输通道和报警控制器三部分构成。

报警探测器是由传感器和信号处理组成的，用来探测入侵者入侵行为的，是由电子和机械部件组成的装置。

1.报警探测器按工作原理主要可分为红外报警探测器、微波报警探测器、被动式红外/微波报警探测器、玻璃破碎报警探测器、振动报警探测器、超声波报警探测器、激光报警探测器、磁控开关报警探测器、开关报警探测器、视频运动检测报警器、声音探测器等许多种类。

2.报警探测器按工作方式可分为主动式报警探测器和被动式报警探测器。

3.报警探测器按探测范围的不同又可分为点控报警探测器、线控报警探测器、面控报警探测器和空间防范报警探测器。

除了以上区分以外，还有其他方式的划分。

在实际应用中，根据使用情况不同，合理选择不同防范类型的报警探测器，才能满足不同的安全防范要求。

本设计的名称为“红外防盗报警器”。

这是一种新型多功能防盗报警器，该设计的实物将有功能扩展性好，硬件配置先进等优点。

此套报警系统对防范盗窃和追捕盗窃犯，有着重要的实用意义。

该设计的完成主要由两个因素驱动，其一，满足消费需求的程度和领先性；

其二，科学技术的发展。

该设计主要有以下几个特点：

1.由于防盗报警系统用途的特殊性，这就需要防盗报警系统不断改进其功能以应对盗贼层出不穷的盗窃手段。

在设计时，充分考虑这一问题，使得系统的功能有着很好的扩展性，可以针对不同的场合，进行系统的改进。

2.在设计时，考虑到实际现场环境和用户的安全防范要求。

3.具有防拆动、防破坏功能。

当报警探测器受到破坏、人为将其传输线短路或断路时，均能产生报警信号输出。

4.具有一定的抗干扰能力，可以防止各种误报现象的发生，例如：

防宠物和小动物骚扰、抗因环境条件变化而产生的误报干扰等。

5.系统的灵敏度和可靠性很高。

第二章红外线

2.1红外线简介[1]

2.1.1红外线

红外线是由德国科学家霍胥尔于1800年发现，又称为红外热辐射,他将太阳光用三棱镜分解开，在各种不同颜色的色带位置上放置了温度计，试图测量各种颜色的光的加热效应。

结果发现，位于红光外侧的那支温度计升温最快。

红外线具有：

1.有热效应2.穿透云雾的能力强因此得到结论：

太阳光谱中，红光的外侧必定存在看不见的光线，这就是红外线。

也可以当作传输之媒界。

太阳光谱上红外线的波长大于可见光线，波长为0.75～1000μm。

红外线可分为三部分，即近红外线，波长为0.75～1.50μm之间；

中红外线，波长为1.50～6.0μm之间；

远红外线，波长为6.0～l000μm之间。

[15]

2.1.2红外辐射

红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波（电磁辐射>

1666年，英国物理学家I.牛顿发现，太阳光经过三棱镜后分裂成彩色光带──红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。

1800年，英国天文学家F.W.赫歇耳在用水银温度计研究太阳光谱的热效应时，发现热效应最显著的部位不在彩色光带内，而在红光之外。

因此，他认为在红光之外存在一种不可见光。

后来的实验证明，这种不可见光与可见光具有相同的物理性质,遵守相同的规律,所不同的只是一个物理参数──波长。

这种不可见光称为红外辐射，又称红外光、红外线。

17～18世纪，许多物理学家认为，光<

包括红外光和紫外光）具有波动的性质,有一定的传播速度,波长是它的特征参数并可以测量。

可见光的彩色不同，反映了它们的波长不同。

紫光的波长最短,红光的波长最长,红外辐射的波长则更长，紫外光的波长比紫光更短。

1864年，英国物理学家J.C.麦克斯韦从理论上总结了当时已有的电磁学规律,提出了存在电磁波的可能性,它的传播速度可用纯电学量计算出来。

后来的实际测量证明，其传播速度就是光速。

因而猜想，光波就是电磁波。

1887年，德国科学家H.R.赫兹用实验证实了这一猜想。

已知带电体受到扰动就发射出电磁波。

扰动越强烈，发射出电磁波的能量就越大，波长就越短。

2.1.3红外辐射原理

红外线辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它是基于任何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动，并不停地辐射出热红外能量，分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量愈小。

自然界中的一切物体，只要它的温度高于绝对温度（-273℃>

就存在分子和原子无规则的运动，其表面就不断地辐射红外线，物体的红外辐射能量的大小与其波长的分布以及其表面温度有着十分密切的关系。

在某些应用现场，检测器要接触被测物是不实际或者是不可能的。

而红外检测器可以在短时间内远距离测量温度，因此在某些情况下它是非常实用的。

2.2红外技术

2.2.1红外技术的基本应用

红外技术是研究红外辐射的产生、传播、转化、测量及其应用的技术科学。

红外技术的内容包含四个主要部分：

1.红外辐射的性质，其中有受热物体所发射的辐射在光谱、强度和方向的分布；

辐射在媒质中的传播特性--反射、折射、衍射和散射；

热电效应和光电效应等。

2.红外元件、部件的研制，包括辐射源、微型制冷器、红外窗口材料和滤光电等。

3.把各种红外元、部件构成系统的光学、电子学和精密机械。

4.红外技术在军事上和国民经济中的应用。

由此可见，红外技术的研究涉及的范围相当广泛，既有目标的红外辐射特性，背景特性，又有红外元、部件及系统；

既有材料问题，又有应用问题。

与红外线相关的技术还有：

探测技术。

精确制导技术。

光电子技术。

先进材料技术

2.2.2红外技术的发展史以及发展趋势[1]

自从1800年英国天文学家F·

W·

赫歇尔发现红外辐射至今，红外技术的发展经历了将近两个世纪。

从那时开始，红外辐射和红外元件、部件的科学研究逐步发展，但发展比较缓慢，直到1940年前后才真正出现现代的红外技术。

当时，德国研制成硫化铅和几种红外透射材料，利用这些元、部件制成一些军用红外系统，如高射炮用导向仪、海岸用船舶侦察仪、船舶探测和跟踪系统，机载轰炸机探测仪和火控系统等等。

其中有些达到实验室实验阶段，有些已小批量生产，但都未来得及实际使用。

此后，美国、英国、前苏联等国竞相发展。

特别是美国，大力研究红外技术在军事方面的应用。

目前，美国将红外技术应用于单兵装备、装甲车辆、航空和航天的侦察监视、预警、跟踪以及武器制导等各个领域。

红外技术发展的先导是红外探测器的发展。

1800年，F·

赫歇尔发现红外辐射时使用的是水银温度计，这是最原始的热敏型红外探测器。

1830年以后，相继研制出温差电偶的热敏探测器、测辐射热计等。

在1940年以前，研制成的红外探测器主要是热敏型探测器。

19世纪，科学家们使用热敏型红外探测器，认识了红外辐射的特性及其规律，证明了红外线与可见光具有相同的物理性质，遵守相同的规律。

它们都是电磁波之一，具有波动性，其传播速度都是光速、波长是它们的特征参数并可以测量。

20世纪初开始，测量了大量的有机物质和无机物质的吸收、发射和反射光谱，证明了红外技术在物质分析中的价值。

30年代，首次出现红外光谱代，以后，它发展成在物质分析中不可缺少的仪器。

40年代初，光电型红外探测器问世，以硫化铅红外探测器为代表的这类探测器，其性能优良、结构牢靠。

50年代，半导体物理学的迅速发展，使光电型红外探测器得到新的推动。

到60年初期，对于1～3、3～5和8～13微M三个重要的大气窗口都有了性能优良的红外探测器。

在同一时期内，固体物理、光学、电子学、精密机械和微型致冷器等方面的发展，使红外技术在军、民两用方面都得到了广泛的应用。

从60年代中叶起，红外探测器和系统的发展体现了红外技术的现状及发展方向。

1.红外探测器最早是用单元探测器，为了提高灵敏度和分辨率，后来发展为多元线列探测器。

多元线列探测器先后扫过（串扫>

同一目标时，它输出的信噪比可比单元探测器高n<

开平方）倍，n为元数。

如果多元线列探测器平行扫过（平扫>

目标时，则可获得目标辐射的一维分布。

以线列探测器为基础的红外探测系统，大都安装在飞机或卫星遥感平台上，平台的前进运动垂直于线列作为第二维时，就可得到目标辐射的分布图像。

现在，红外探测器已从多元发展到焦平面阵列，相应的系统已实现了从点探测到目标热成像的飞跃。

目前，长波碲镉汞（HgCdTe>

探测器面阵已达640×

480元，焦平面阵列探测器的实验室水平已达256×

256元，预计到2000年可达到百万元。

2.红外探测器的工作波段从近红外扩展到远红外。

早期的红外探测器通常工作在近红外。

随着红外技术的发展，红外探测器的工作波段已扩展到中红外和远红外。

3.轻小型化。

非致冷、集成式、大面阵是红外探测器方向的发展。

采用低温制冷技术，是为了提高红外探测器件的灵敏度和输出信号的信噪比，使其具有良好的性能，但它也使红外探测器体积大、成本高。

为了实现小型化，必须减少制冷设备和相关电源，因此，高效小型制冷器和无需制冷的红外探测器将是今后的发展方向。

利用材料电子计算机和微电子方面的最新技术，也可使红外探测器与具有一定数据处理能力的数据处理设备相结合，使其向轻集成化、大面阵、焦平面化方向发展，以提高其性能。

4.红外探测系统从单波段向多波段发展。

正如前面所述：

在大气环境中，目标的红外辐射只能在1～3、3～5和8～13微M三个大气窗口内才能有效地传输。

如果一个红外探测系统能在两个或多个波段上获取目标信息，那么这个系统就可更精确、更可靠地获取更多的目标信息，提高对目标的探测效果，降低预警系统的虚警概率，提高系统的搜索和跟踪性能，适用更多的应用需求，更好地满足各军兵种的需要。

在红外技术的发展中，需要特别指出的是：

60年代激光的出现极大地影响了红外技术的发展，很多重要的激光器件都在红外波段，其相干性便于移用电子技术中的外差接收技术，使雷达和通信都可以在红外波段实现，并可获得更高的分辨率和更大的信息容量。

在此之前，红外技术仅仅能探测非相干红外辐射，外差接收技术用于红外探测，使探测性能比功率探测高好几个数量级。

另外，由于这类应用的需要，促使出现新的探测器件和新的辐射传输方式，推动红外技术向更先进的方向发展。

红外技术的发展关键在于红外材料的研制、红外设备的制冷、红外设备向更长波段发展、红外焦平面阵列器件的研制和红外设备与数据处理设备的结合等。

红外技术的发展以红外探测器的发展为标志，可以从红外探测器的发展来推断其发展趋势。

（1>

红外焦平面器件发展到高密度、快响应、元数达到106—108元以上的大规模集成器件，由二维向三维多层次结构发展，在应用上就可以实现高清晰度热像仪，极大地缩小整机体积，增强功能。

（2>

双色、多色红外器件的发展使整机可同时实现不同波长的多光谱成像探测，成倍扩大系统信息量，成为目标识别和光电对抗的有效手段。

（3>

探测器在焦平面上实现神经网络功能，按程序进行逻辑处理，使红外整机实现智能化。

（4>

提高探测器工作温度，高性能室温红外探测器和焦平面器件是发展重点之一，不需要制冷器，将会使整机更精巧、更可靠，从而实现全固体化。

（5>

提高成品率，降低价格。

2.3红外技术的研究现状

物理学的研究告诉我们，在自然界中，任何温度高于绝对零度（0°

K或-273℃>

的物体都在向外辐射各种波长的红外线，物体的温度越高，其辐射红外线的强度也越大。

我们根据各类目标和背景辐射特性的差异，就可以利用红外技术在白天和黑夜对目标进行探测、跟踪和识别，以获取目标信息。

在现代战争中，获取战场信息的优势已经成为掌握战争主动权的关键，红外技术是从空中和空间获取战场信息的关键技术之一，因此，许多国家均投入很大的人力和物力去研究红外技术，并将其广泛地应用于军事领域，并产生巨大影响。

红外技术已成为军事目标的侦察、监视、预警与跟踪的重要手段。

一切军事目标，如海洋中的舰船、地面部队行动及各种装备、空中的飞机、导弹，都散发热量，发出大量的红外辐射。

利用红外技术装备，就可以从空中和空间对这些目标进行侦察、监视与跟踪。

如侦察卫星依靠红外成像设备和多光谱仪可以白天黑夜地获取大量的军事情报。

装有红外探测器的导弹预警卫星从70年代以来，一直监视着世界各国的弹道导弹发射，为国家及军事指挥部门提供警报，如目前美国国防支援计划中的预警卫星在几十秒钟内，就可以鉴别来袭导弹的发射和方向，据说将来美国的天基红外系统可在20秒内，提供有关导弹发射和方向方面的精确信息，为拦截来袭导弹提供宝贵的预警时间。

第三章红外探测器

3.1红外探测器

红外探测器是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件.要察觉这种辐射的存在并测量其强弱，必须把它转变成可以察觉和测量的其他物理量。

一般说来，红外辐射照射物体所引起的任何效应，只要效果可以测量而且足够灵敏，均可用来度量红外辐射的强弱。

现代红外探测器所利用的主要是红外热效应和光电效应。

这些效应的输出大都是电量，或者可用适当的方法转变成电量。

据能量转换方式,红外探测器可分为热探测器和光子探测器两大类.热探测器的工作机理是基于入射辐射的热效应引起探测器某一电特性的变化,而光子探测器是基于入射光子流与探测材料相互作用产生的光电效应,具体表现为探测器响应元自由载流子（即电子和/或空穴>

数目的变化.由于这种变化是由入射光子数的变化引起的,光子探测器的响应正比于吸收的光子数.而热探测器的响应正比与所吸收的能量.热探测器的换能过程包括:

热阻效应,热伏效应,热气动效应和热释电效应.光子探测器的换能过程包括:

光生伏特效应,光电导效应,光电磁效应和光发射效应.探测器已经有了20多年的发展历史，但是基于探测器本身的原理，目前还存在很多不尽人意的地方。

例如，被动红外探测器受外界环境的影响就比较大，当外界温度较高，接近人体温度时，就容易发生误报现象；

而当温度较低时，探测器则可能因为感应不到人体的存在又发生漏报的情况；

另外被动红外入侵探测器还无法分清人的移动、微风、空调的运转以及小动物的活动，容易发生误报现象。

一个红外探测器至少有一个对红外辐射产生敏感效应的物体，称为响应元。

此外，还包括响应元的支架、密封外壳和透红外辐射的窗口。

有时还包括致冷部件、光学部件和电子部件等。

从目前应用的情况来看，红外探测有如下几个优点：

环境适应性优于可见光，尤其是在夜间和恶劣天候下的工作能力；

隐蔽性好，一般都是被动接收目标的信号，比雷达和激光探测安全且保密性强，不易被干扰；

由于是目标和背景之间的温差和发射率差形成的红外辐射特性进行探测，因而识别伪装目标的能力优于可见光；

与雷达系统相比，红外系统的体积小，重量轻，功耗低；

由于红外探测技术有其独特的优点从而使其在军事国防和民用领域得到了广泛的研究和应用，尤其是在军事需求的牵引和相关技术发展的推动下，作为高新技术的红外探测技术在未来的应用将更加广泛，地位更加重要。

红外探测器是将不可见的红外辐射能转变成其它易于测量的能量形式的能量转化器，作为红外整机系统的核心关键部件，红外探测器的研究始终是红外物理与技术发展的中心。

3.2红外探测器的分类

红外探测器制备涉及物理、材料、化学、机械、微电子、计算机等多学科，是一门综合科学。

热探测器热探测器吸收红外辐射后，温度升高，可以使探测材料产生温差电动势、电阻率变化，自发极化强度变化，或者气体体积与压强变化等，测量这些物理性能的变化就可以测定被吸收的红外辐射能量或功率。

分别利用上述不同性能可制成多种热探测器：

　　（1>

液态的水银温度计及气动的高莱池<

Golaycell）：

利用了材料的热胀冷缩效应。

　　（2>

热电偶和热电堆：

利用了温度梯度可使不同材料间产生温差电动势的温差电效应。

　　（3>

石英共振器非制冷红外成像列阵：

利用共振频率对温度敏感的原理来实现红外探测。

　　（4>

测辐射热计：

利用材料的电阻或介电常数的热敏效应—辐射引起温升改变材料电阻—用以探测热辐射。

因半导体电阻有高的温度系数而应用最多，测温辐射热计常称“热敏电阻”。

另外，由于高温超导材料出现，利用转变温度附近电阻陡变的超导探测器引起重视。

如果室温超导成为现实，将是21世纪最引人注目的一类探测器；

　　（5>

热释电探测器：

有些晶体，如硫酸三甘酞、铌酸锶钡等，当受到红外辐射照射温度升高时，引起自发极化强度变化，结果在垂直于自发极化方向的晶体两个外表面之间产生微小电压，由此能测量红外辐射的功率。

　　光子探测器光子探测器吸收光子后，本身发生电子状态的改变，从而引起内光电效应和外光电效应等光子效应，从光子效应的大小可以测定被吸收的光子数。

光电导探测器：

又称光敏电阻。

半导体吸收能量足够大的光子后，体内一些载流子从束缚态转变为自由态，从而使半导体电导率增大，这种现象称为光电导效应。

利用光电导效应制成