热释电红外传感器报警系统.doc

基于热释电红外传感器报警系统设计
1.设计思路
当人通过时，利用菲涅尔透镜可将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外探测元上，热释电红外传感器是报警器的核心器件，他可以把人体的红外信号转化成电信号，然后进行信号处理，当有人入侵时，经过信号处理后，便可完成报警功能。
报警器结构框图如下：待测
目标
光学系统
（菲涅尔透镜）
热释电红
外传感器
信号
处理
报警
电路

图1 报警器结构框图

2. 方案设计
2.1 热释电红外传感器的选择
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 "%VW ) 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2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，S端接电源负极，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0.2-20um。为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏度，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。

图2 双探测元红外传感器
2.2 被动式红外报警器的结构原理
2.21 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1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。

图3 人体通过传感器时产生的信号
2.22 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。
3.单元电路设计
3.1 带通滤波电路设计

图4 带通滤波电路图
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、R1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
3.2 二级放大电路设计

图5 二级放大电路图
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0.1Hz-10Hz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。
3.3 检测电路设计

图6 检测电路图
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。
3.4 报警电路设计

图7 报警电路图
将上述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. 小结
目前国内使用的各类防盗、保安报警器都是以超声波、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，并将其转变为电信号，同时，它还能鉴别出运动的生物与其他非生物。热释电红外传感器既可用于防盗报警装置，也可用于自动控制、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，具体有如下特点：
（1）不需要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。