主动式红外探测器中红外接收器的工作原理.docx

1、主动式红外探测器中红外接收器的工作原理外接收器的工作原理集团标准化工作小组 #Q8QGGQT-GX8G08Q8-GNQGJ8-MHHGN#主动式红外探测器中红外接收器的工作原理 主动红外探测器能主动发射红外光，即当被探测目标侵入所防范的警戒线时就会遮挡掉 红外发射机与接收机之间的红外光束，我们把这种能响应被遮挡红外光束，并进入报警 状态的电子装置称为主动红外探测器。下面介绍一下能接收红外光束的光电探测器。 由于同质半导体硅不同的掺杂形成的PN结、不同质的半导体组成的异质结，或金属与 半导体接触形成的肖特基势垒都存在内建电场。当光照这种半导体时，半导体对光的吸 收就产生了光生电子和空穴，它们在内

2、建电场的作用下就会向相反的方向移动和积聚而 产生电位差。这就相当于向PN结加上一个正电压，就是光生电动势。如果将这样的PN 结与外电路相连，就有电流流过外电路，从而在负载电阻上得到一个随入射光变化的电 压信号。这就是不加电源，能将光信号转变为电信号的光电池的工作原理。与上述光电池不同，光敏二极管一般在负偏压情况下使用，由于施加了大反偏压，增加 了耗尽层的宽度和结电场。这样，在结区强电场的作用下，在耗尽层中产生的电子一空 穴对不必经过引起复合的扩散过程，就可对电流作出贡献，显然，提高了光敏二极管的 灵敏度。但值得注意的是，为了提高灵敏度及响应时间，却不能无限地加大反向偏压， 因为它会受到PN结表

3、面漏电及反向击穿电压等因素的限制。光敏三极管是一种相当于在基极和集电极之间接有光电二极管的普通三极管在正常工 作情况下，此光电二极管应反向偏置。因此，不管是PNP还是NPN光敏三极 管，一般用基极一集电极结作为受光结。当集电极加上相对于发射极为正电压且基极开 路时，基极一集电极结处于反向偏压下。它的工作机理完全与反偏下的光敏二极管相 同。这里，入射光子在基区及收集区被吸收而产生电子一空穴对，形成光生电压，由此 产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了的信号电流。因此，从这点可以更明确地说，光敏三极管是一种相当于将基极集电极光敏二极管的电 流加以放大的普通晶体管放大器。主

4、动式红外接收探测器就是用半导体硅作成的硅光电池、硅光电二极管或硅光电三极 管，它们同硅CCD样，能接收400nm1 lOOnm的可见光与近红外光。主动式红外探测器的工作原理主动红外探测器的发射机发出一束经调制的红外光束，被红外接收机接收，从而形成一 条红外光束组成的警戒线。当被探测目标侵入该警戒线时，红外光束被部分或全部遮 挡，此时接收机接收的信号就会发生变化，它经放大与信号处理后，即控制发出报警信 号。主动红外的发射光源，通常用红外发光二极管，其特点是体积小、重量轻、寿命长、功 耗小，交直流供电都能工作，晶体管、集成电路都能直接驱动。还有一些半导体激光 器，如碑稼铝双异质结半导体激光器等，也

5、工作在红外波段，因而也是一种主动红外探 测器。主动红外探测器的光源通常采用脉冲调制的脉冲波形，其发射机采用自激多谐振 荡器作为调制电源，使它产生很高占空比的脉冲波形，去调制红外二极管发光，以发射 出红外脉冲调制光谱。这样，就降低了电源的功耗，提高了灵敏度，和系统抗杂散光的 干扰能力。对光束遮挡型的探测器，要适当选取有效的报警最短遮光时间。因为遮光时间选得太 短，会引起不必要的噪声干扰，如小鸟飞过、小动物穿过都会引起报警；而遮光时间选 得太长，又可能导致漏报。因此，通常以10m/s的速度通过镜头的遮光时间，来定最短 遮光时间。如人的最小宽度为20cm,贝IJ最短遮断时间为20cm/( 10ni/

6、s)=20mso所以，最短遮光时间大于20ms,系统报警；遮光时间小于20ms,则不报警。主动红外探测器多采用双光路，可提高其抗干扰、防误报的能力。这种主动红外探测器 寿命长、价格低、易调整，因此被广泛使用在电视监控报警系统工程中。当主动红外探测器用在室外自然环境时，比如无星光和月亮的夜晚，以及夏曰中午阳光 的背景辐射的强度比可超过lOOdB时，这就使接收机的光电传感器工作环境相差太大。 通常采用截止滤光片，滤去背景光中的极大部分能量（主要滤去可见光的能量），使接 收机的光电传感器在各种户外光照条件下的使用条件基本相似。此外，大雾还会引起传输中红外光的散射，缩短主动红外探测器的有效探测距离，在

7、安 防工程中必须考虑。如实测某红外探测器：在无雾时有效探测距离7km ；浅雾时有效探 测距离；轻雾时有效探测距离lkm ；中雾时有效探测距离；重雾时有效探测距离。激光与一般光源相比，有方向性好、亮度高、单色性好、相干性好等特点，所以当要求 距离远时，可采用红外半导体激光器来代替红外发光二极管作红外光源。由于能量集 中，可以在光路上加反射镜，反射激光，围成光墙。从而用一套激光探测器可以封锁一 个场地的四周，或封锁几个主要的通道路口。主动式红外探测器的选择安装调试主动红外探测器的选购要点1、对白光的过滤能力所谓过滤白光，主要是过滤太阳光等自然光和车头灯等人工光，因为硅光电接收探测器 对这些光都可以

8、接收，所以必须滤除。目前一般都采用二种方法：一是使用阻止白光通 过的特殊材质的外壳，看起来是黑色的，能阻断全部可见光；二是使用特殊设计的菲涅 耳镜片，其投光器可将特定波长的信号红外光按一定角度发出去，而受光器只接收以特 定角度入射的这一特定波长的红外光，它经折射后形成园锥形聚焦到硅光电传感器的感 光面上，这样就将其他非信号光过滤掉了。2、探测距离及其余量要了解主动红外探测器的探测距离，并且其探测距离余量不得少于6倍。否则，不能保 障探测器能够在最恶劣的气候条件下正常工作。3、 光束数量与频率目前，主动红外探测器的光束数量有一、二、三、四光束四种，频率有单一固定频率、 可选频率和可调频率三种，可

9、根据实际需要选取。一般，光束数量越多，越难被树叶与 小动物等同时遮断，因而可有效排除单光束因遮挡而产生的误报。此外，利用不同频率 的主动红外对射，还可有效解决因系统中的对射红外光散射而造成对其他对射的干扰， 以避免漏报。4、 使用温度与响应时间由于主动红外探测器多在室外使用，因而必须要适应环境温度的变化。一般要求在- 35C-55C为好,太低或太高的温度都会影响电子电路及元器件的正常工作。般，红外线的切断时间在50ms-500ms,因此产品的响应时间应该可以根据需要进行 调整。5、 外观工艺及有否密封因主动红外探测器应用于室外，所以在设计上与制作工艺上要更加严格。不但需要外形 美观牢固，还要采

10、用橡胶密封圈等来对外壳进行密封。6、 有否防雷电措施雷电冲击有直接和感应两种：直接雷电冲击的电能扩散量很大，大到迄今没有任何措施 可防止电子设备不受破坏，但发生的概率相对很小。感应冲击常是带电的云层运动或附 近的雷电冲击引起的，它们都会在电气回路中感应出电涌电压，从而引起电子设备损坏。一般，在产品中都安装有电涌吸收管，以保障产品在雷电多发地区能正常工作。其 防雷指标，以千伏(kV)表示。7、 调试是否方便，有否光束对准指示般，主动红外探测器均可进行水平和垂直范围的调节，其方法是，通过一端的检像器 观察另一端是否处于检像器的中间位置。并且，应当有光束对准指示，一般为LED指 示灯。指示灯亮为光束

11、未对准，旋转对准后即熄灭。有的好的主动红外探测器还有微调 进行精细对准，其方法是在接收端用万用表从检测口检测光电接收器输出的电压，当微 调处于最大电压值时，即为找到的最佳最稳定的最大信号接收位置。8、 电磁兼容性EMC及认证合格证看产品是否作到电磁兼容性EMC,有否电磁屏蔽与滤波电路等措施，如有则可防止对 外电磁辐射，消除外界射频等电磁干扰信号以及内部电路与元器件噪声等干扰。这样， 有认证合格证即可。9、 供给电源、功耗与寿命主动红外探测器的电源的连接要方便，其电压与电流的大小决定其功耗的大小，一般希 望功耗越小越好。电路设计的合理性与所选用的元器件的质量，决定产品的使用寿命。 主动红外探测器

12、的安装使用要点1、 按方向安装在稳固的物体上，并使发射与接收器在同一高度上。首先，将主动红外 探测器对，根据所需布防的距离与方向，一定要安装在稳固的物体上。因为发射器与接 收器距离较远时，轻微的晃动就会引起i吴报警。并且，还要使发射器与接收器尽可能地 安装在同一高度上，以方便光束对准调试。2、 要避开树叶摇晃及晾晒衣物等的影响。主动红外探测器是防备人的非法通行，中间 要严格防止树叶摇晃及晾晒衣物等，对红外光束的遮挡引起的误报。3、避免红外光束的交叉误射。当使用多对主动红外探测器，用来组成警戒封锁区或警戒封锁网，乃至组成立体警戒封锁区时，千方要各对主动红外探测器使用不同的频率， 要尽量避免红外光

13、束的交叉误射。否则，容易引起失误。4、 线路不能明敷，要穿管暗设。为防止主动红外探测器的供电线路被人破坏，不能明 敷，必须穿管暗设。5、 安装位置要能防宠物与小动物等引起的误报。一般，设置在通道上的主动红外探测 器，探头的位置一般应距离地面50cm以上；栅栏与围墙顶上安装的红外探测器，其探 头位置应高出栅栏与围墙顶25cm,以防小猫小鸟等引起误报。如果是在栅栏与围墙靠 近顶部的侧面作墙壁式安装，可避开小猫小鸟等的活动干扰。被动式红外探测器中热释电探测器的工作原理被动式红外探测器中的核心器件一一热释电探测器是基于热释电效应的原理工作的，它 是一种对波长无选择性的将热能转换为电能的热电探测器，并且

14、是一种交流器件。因 此，它对恒定不变的温度无响应，只能探测响应有变化的温度。般，电介质的内部没有载流子，所以没有导电能力。但它也是由带电的粒子一一电 子、原子核等组成的。在外加电场的情况下（如加上电压），带电的粒子也要受到电场力 的作用，其正电荷总是趋向阴极，而负电荷趋向阳极，虽然其移动距离很小，但其结果 使电介质的一个表面带正电，相反的表面带负电。如图2所示，通常我们称这种现象为 “电极化对大多数电介质来说，在电压除去后，极化状态随即消失，带电粒子的运动又回复到原 来状态。但是，有一类被称为“铁电体”的电介质，如图3 （b）所示，在外加电压除去后 仍保持着极化状态。这就是所谓“自发极化”。一

15、般铁电体的极化强度Ps （单位面积上的 电荷）与温度有关，温度升高，极化强度减低。升高到一定温度，自发极化就突然消 失，这个温度称为“居里温度”或“居里点”。在居里点以下，极化强度Ps是温度的函数, 利用这一关系制造的热电探测器，称为热释电探测器。当红外辐射照射到已经极化了的铁电薄片上时，引起薄片的温度升高。因而表面电荷减 少，这就相当于“释放”了一部分电荷。释放的电荷可用放大器转变成输出电压。如果红 外辐射继续照射，使铁电薄片的温度升高到新的平衡值表面电荷也就达到新的平衡浓 度，不再释放电荷，也就不再有输出信号。热释电型探测器在稳定状态下，输出信号下 降到零，只有在薄片温度的升降过程中才有输

16、岀信号，因此在设计制造和应用热释电探 测器时，都要设法使铁电薄片具有最有利的温度变化。由于热释电晶体具有自发极化Ps,晶体的表面应该出现面束缚电荷。在与极轴（即Ps 方向）垂直的表面内，面束缚电荷密度等于Ps。但通常这些面束缚电荷被晶体内部的外 来的自由电荷所中和，因此觉察不出来。晶体内部自由电荷起中和作用的平均时间为7= S/O.其中为晶体的介电常数；。为晶体的电导率。多数的热释电晶体的T值在1S到 1000S之间。热释电探测器的工作原理如图4所示，用调制频率为f的红外辐射照射热 释电晶体，就会使得晶体的温度、晶体的自发极化以及由此而引起的面束缚电荷均随频 率f发生变化。如果频率较低，fvl/T,面束缚电荷将始终被体内自由电荷所中和，因此 显不出变化来。但若fl/体内自由电荷就来不及中和面束缚电荷的变化，结果就使 晶体在垂直于Ps的两端面间出现开路交流