河南城建学院安全工程安全监测课程设计.docx
《河南城建学院安全工程安全监测课程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《河南城建学院安全工程安全监测课程设计.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
河南城建学院安全工程安全监测课程设计
河南城建学院
《安全检测技术》课程设计
热释电红外传感器的报警系统
姓名
学号023211125
专业安全工程
课程名称安全检测技术
指导教师黄战峰、马斌
环境与市政工程系
2012年6月
目录
摘要3
一、设计内容要求及总体方案4
二、热释电红外传感器的原理特性4
三、根据红外线原理制成的各种类型的探测器6
1、被动式红外线入侵报警探测器（PIR）基本工作原理6
2、对射式主动红外入侵报警探测器6
3、被动红外/微波入侵报警探测器7
4、被动红外/微波三技术入侵报警探测器7
四、红外感应式传感器原理8
五、被动式红外报警器的结构原理9
1、结构9
2、工作原理10
3、被动红外深测器优缺点:
11
六、热释电红外传感器报警电路11
七、系统方案总结13
八、心得体会13
参考文献14
摘要
摘要：
主要介绍了热释红外传感器的工作原理，另外还介绍一些热释红外线的各个组成部分及他们的功能。
介绍了根据红外线原理制成的各种类型的探测器，主要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，达到了安全防护的目的。
关键词：
被动式红外报警器；红外感应式探测器，对射式主动红外入侵报警探测器，被动红外/微波入侵报警探测器，被动红外/微波三技术入侵报警探测器，热释电红外传感器。
一、设计内容要求及总体方案
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、主动式红外发射器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：
1.不需要用红外线或电磁波等发射源。
2.灵敏度高、控制范围大。
3.隐蔽性好，可流动安装。
二、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【1】。
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。
三、根据红外线原理制成的各种类型的探测器
1、被动式红外线入侵报警探测器（PIR）基本工作原理
被动式红外线入侵报警探测器的基本工作原理是：
人体的表面温度与周围环境温度存在着一定的差别。
在人体移动时，人体的表面温度会引起周围的环境温度产生变化。
这种温度差别产生的环境温度变化，可以通过红外敏感元件检测出来，从而触发报警信号的发生。
由于被动式红外线入侵报警探测器安装环境中的所有物体都会产生红外线和热辐射，但在正常情况下，它们产生的辐射一般比较稳定。
空气的流动和温度的变化等也能产生红外线辐射的微小信号变化，一般情况下，较人体移动产生的红外线辐射变化要小。
为了防止这些变化影响到被动式红外线入侵报警探测器的可靠性，现在的被动式红外线报警探测器采用了多种抗干扰技术，从而提高了它们工作的可靠性。
2、对射式主动红外入侵报警探测器
对射式主动红外入侵报警探测器具有一收一发2个装置。
它适用于周界防护和狭长过道的防护。
对射式主动红外入侵报警探测器的发射装置发射出一束不可见的红外线，这束红外线被安装在防护区另一端的接收器所接收，形成一道红外线防护线。
当移动的物体滚，收发装置之间阻断红外线时，即触发红外探测器产生报警输出。
为了提高发送的红外线束的抗干扰能力，一般采用信号调制的方式，如脉冲调制和双射束发射，这样可以避免太阳光、飞鸟、落叶和小动物等产生的干扰。
双射束采用不同的调制频率，可以进一步提高可靠性。
室内型主动对射式红外报警探测器的探测距离可达到数百米。
室外型主动对射式红外探测器具有防护恶劣环境条件的设计，探测距离也达百米以上。
3、被动红外/微波入侵报警探测器
被动红外微波入侵报警探测器又称为“双鉴”入侵报警探测器。
它是被动红外线探测再加上微波同时探测，以提高抗干扰的能力，进一步减少误报现象的发生，即具有“双重鉴别”能力。
微波检测的原理是利用微波多普勒效应，微波探头采用介质谐振振荡器，它具有优异的高频稳定度和均衡的输出功率，配合平面微带阵列天线。
微波探头工作于脉冲状态，受集成电路内部产生的辅助基频信号调制。
用辅助基频信号与移动目标的回波信号进行比较，在相邻的两个脉冲的重复周期内，它的相位信号由相位检测器变换成幅度信号，受多普勒频率调制。
经处理后，移动目标信号被分选出来，作为微波检测的有效触发信号，与红外线信号一起送到处理电路，产生报警信号输出。
被动红外/微波入侵报警探测器主动向外发射微波【2】。
微波在遇到的物体上反射回来，如果物体是静止不动的，则反射的微波频率不产生变化。
如果物体是运动的，则反射的微波频率将产生变化。
被动红外/微波入侵报警探测器只有当检测到红外与微波都产生触发信号时才产生报警信号输出。
在使用环境较恶劣的场所，如过道、仓库等，流动空气容易触发红线报警，但流动的空气不反射微波，因此，被动红外/微波入侵报警探测器使用在这种环境中，不会产生误报。
需注意的是：
微波具有一定的穿透能力，它能穿透一定厚度的墙壁，探测到墙外的行人。
水管内流动的液体也能使微波频率发生变化。
在这种环境中使用应予以考虑。
4、被动红外/微波三技术入侵报警探测器
被动红外/微波三技术入侵报警探测器是一种非常可靠的报警探测器。
它是在被动红外/微波探测器的基础上，采用了微处理器动态分析器处理技术，自动对接收的信号进行分析，并自动调整目标速度和信号强度，对红外线与微波的触发时间间隔进行分析判断。
被动红外!
微波三技术入侵报警探测器只有先触发红外报警，再触发微波信号才能产生报警输出。
四、红外感应式传感器原理
红外传感器工作原理
被动式热释电红外探头的工作原理及特性【3】：
人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。
红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。
1）这种探头是以探测人体辐射为目标的。
所以热释电元件对波长为10UM左右的红外辐射必须非常敏感。
2）为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲泥尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。
3）被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。
而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出【4】。
4）一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而报警。
5）菲泥尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。
优点：
本身不发出任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好。
五、被动式红外报警器的结构原理
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、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。
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【5】。
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LM334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。
3、被动红外深测器优缺点:
1）优点:
本身不发任何类型辐射，器件功耗很小，隐蔽性较好。
价格低廉
2）缺点:
容易受各种热源、阳光源干扰。
被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探测器接收。
易受射频辐射的干扰。
环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵。
六、热释电红外传感器报警电路
该报警器能探测人体发出的红外线，当人进入报警器的监视区域内，即可发出报警声，适用于家庭、办公室、仓库、实验室等比较重要场合防盗报警。
该装置电路原理见图。
由红外线传感器、信号放大电路、电压比较器、延时电路和音响报警电路等组成。
红外线探测传感器IC1探测到前方人体辐射出的红外线信号时，由IC1的②脚输出微弱的电信号，经三极管VT1等组成第一级放大电路放大，再通过C2输入到运算放大器IC2中进行高增益、低噪声放大，此时由IC2①脚输出的信号已足够强。
IC3作电压比较器，它的第⑤脚由R10、VD1提供基准电压，当IC2①脚输出的信号电压到达IC3的⑥脚时，两个输入端的电压进行比较，此时IC3的⑦脚由原来的高电平变为低电平。
IC4为报警延时电路，R14和C6组成延时电路，其时间约为1分钟。
当IC3的⑦脚变为低电平时，C6通过VD2放电，此时IC4的②脚变为低电平，它与IC4的③脚基准电压进行比较，当它低于其基准电压时，IC4的①脚变为高电平，VT2导通，讯响器BL通电发出报警声。
人体的红外线信号消失后，IC3的⑦脚又恢复高电平输出，此时VD2截止。
由于C6两端的电压不能突变，故通过R14向C6缓慢充电，当C6两端的电压高于其基准电压时，IC4的①脚才变为低电平，时间约为1分钟，即持续1分钟报警。
由VT3、R20、C8组成开机延时电路，时间也约为1分钟，它的设置主要是防止使用者开机后立即报警，好让使用者有足够的时间离开监视现场，同时可防止停电后又来电时产生误报。
该装置采用9－12V直流电源供电，由T降压，全桥U整流，C10滤波，检测电路采用IC578L06供电。
本装置交直流两用，自动无间断转换
元器件清单见下表。
编 号
名 称
型 号
数 量
编 号
名 称
型 号
数 量
R1
电阻
47K
1
C10
电解电容
470u/25V
1
R2
电阻
1M
1
C11
涤纶电容
0.1u
1
R3
电阻
1K
1
VD1－VD5
整流二极管
IN4001
5
R4
电阻
4.7K
1
U
全桥
2A/50V
1
R5、R6、R9、R12、R13、R15、
电阻
100K（R12为线性微调电阻）
6
VT1
晶体三极管
9014
1
R7、R10、R11、R17
电阻
10K
4
VT2
晶体三极管
MPSA130.5A30V
1
R8、R16
电阻
300K
2
VT3
晶体三极管
8050
1
R14
电阻
470K
1
IC1
红外线传感器
Q74
1
R18
电阻
2.4K
1
IC2
运算放大器
LM358
1
R19
电阻
220Ω
1
IC3
比较器
LM393
1
R20
电阻
560K
1
IC4
三端稳压器
78L06
1
C1、C2、C6、C8、C9
电解电容
47u/16V（C2、C5用钽电解）
5
BL
电磁讯响器
U=12V
1
C3、C5
电解电容
22u/16V
2
T
电源变压器
12V 5W
1
C4
涤纶电容
0.01u
1
S
钮子开关
1
七、系统方案总结
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。
八、心得体会
通过这次课程设计，我了解了很多的关于红外和传感器的知识，不仅培养了自己的动手能力，另外还更深入的理解课本的知识，总之，这次课程设计使我收获不少，各个方面的和能力都有了进一步的提高。
参考文献
[1].张秀珍,戴伏生,毛兴鹏.热释电红外传感器在车辆计数系统中的应用
[2].陈黎敏.智能传感器的数据处理方法传感器技术,2004
[3].华中理工电子学教研室编，康华光主编：
《电子技术基础》（模拟部分）（第四版），北京：
高等教育出版社，1999年
[4].华中理工电子学教研室编，康华光主编：
《电子技术基础》（数字部分）（第四版），北京：
高等教育出版社，2000年
[5].陈永甫主编：
《红外探测与控制电路》，北京：
人民邮电出版社，2004年。
升级会员 