红外探测设计报告

PAGEPAGE1一、综述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。由于红外线是不见光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。1、基于红外技术报警器的种类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／接收以及微波等技术为基础。与被动式红外入侵报警器比较，主动式具有灵敏度高，探测距离远，对气候与气象变化有良好的适应能力等优点，比较适合室外或某些特殊警戒使用。但其不足之处是视场角小，警戒区狭窄，安装比较复杂，价格稍贵。主动式红外入侵报警器也由探测器和监控器两部分组成。将一台红外发射机和接收机组合在一起就可以构成一种简单的非可见光束入侵物探测器或报警系统DJ。上述的主动和被动入侵报警器是利用一种传感或探测方式，即单探测技术进行报警的。虽然其结构简单，价格低廉，但由于易受各种因素的影响，如环境温度、震动、光强变化、电磁干扰、小动物活动等的影响，在某些情况下的误报，漏报率会相当高，所以只有采用多种探测技术，才能较好的解决误报率高这一难题。多技术复合入侵报警器是将两种或两种以上的探测技术结合在一起，以“相与”的关系来触发报警装置，即只有当两种或两种以上探测器同时或相继在短暂时间内都探测到入侵日标时，才发出报警信号。在双探测技术的报警器中，以热释电红外一微波双探测技术组合的误报率最低。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：

●不需要用红外线或电磁波等发射源。

●灵敏度高、控制范围大。

●隐蔽性好，可流动安装。2、热释电红外传感器简介热释电红外线传感器是20世纪80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量变化，并将其转换成电压信号输出。将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路，如用于电源开关控制、防盗防火报警、自动监测等。热释电红外传感器不仅适用于防盗报警场所，亦适于对人体伤害极为严重的高压电及×射线、射线自动报警等。热释电红外线传感器主要部分是由一种高热电系数的材料制成尺寸为2×lmm的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。探测元件的作用是探测、接收红外辐射并将其转换成微弱的电压信号。为了提高探测器的灵敏度及探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜或衍射光学型聚焦镜等。菲涅尔透镜是用透明塑料制成的一种具有特殊光学系数的透镜。用它和放大电路相配合，可将信号放大70dB以上，可以测出10～20m内人的活动。同时利用透镜的特殊原理，在探测器的前方产生一个交替变化的"盲区"和"高灵敏区"。当有人从透镜前走过时，人体发生的红外线就不断地在"盲区"和"高灵敏区"内切换，这样就使接收到的信号以忽强忽弱的脉冲形式输入,增强了能量幅度，从而提高了探测灵敏度。人体辐射的红外线中心波长为9～10μm，而探测元件的波长灵敏度在0.2～20μm范围内，可在传感器顶端开一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片只能通过波长范围为7～10μm的光，这样便可以制成专门探测人体辐射的红外线传感器。红外传感器配套的光学系统有三种，即反射式，透视式和折射式。其中反射式光学系统灵敏度最高，其探测距离可达25~60米；透射式灵敏度最低，其探测距离一般为2~10米；折射式居中，兼有反射式和透射式的优缺点。反射式系统的红外传感器主要置于镜前，体积大，不好密封。在防尘，防水，抗击，隐蔽性等方面差，尤其在防盗报警方面不宜采用。而透射式系统体积小，密封容易，稳定性好，其价格相对较低，因此目前国外多采用透射式系统。热释电红外传感器对红外辐射能量的绝对值不感兴趣，感兴趣的应是红外辐射的能量变化值的大小。基于上述的检测原理，在进行光学系统设计时，不仅应把检测空间辐射来的红外线聚焦至传感器，还应能敏锐的觉察出这些红外线能量的变化。因此，在设计聚光透镜时，往往要对光滑的光学镜面进行棱状或柱状处理，其设计用意在于使被检测的空间产生一系列交替的狭小的红外“高灵敏感应区”和“盲区”（空区）。当有人从镜前走动式，人体发出的红外线就不断地从“高灵敏感应区”进入“盲区”，传至红外传感器的红外线就会时有时无，即大量的光脉冲进入红外探测元，进转换后便输出相应变化的电脉冲，因而提高了其接受的灵敏度，大大提高了其探测距离。3、热释电红外传感器的原理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。

二、设计内容设计课题：基于热释电红外传感器的自动报警器目前，红外技术作为一种新的技术，它已越来越得到社会各界的重视和广泛应用，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应用。由于它不是可见光，因此用来制作防盗报警系统，具有良好的隐蔽性，白天和夜里都能用，而且抗干扰能力强，这种报警装置可广泛用于博物馆、单位要害部门和家庭的防护。本课题的目的是通过对现有的光电防盗报警装置优缺点的研究，进行改进和优化，研制出一种新型的光电防盗报警系统，比传统的光电防盗报警系统的误报率低，抗干扰能力强在综合各类传感器的优劣特点和查阅一些相关的国内外文献后，确定了基于热释电红外传感器的防盗自动报警系统的可行性，设计了由热释电和光敏传感器构成的新的自动报警电路，适用于家庭、仓库、商场的夜晚自动值守防盗保护。热释电红外传感器感应到入侵者的红外热辐射(人体体温)，将其转换成超低频信号，经电路放大，输出。同时由于微波探测器接收到的回波信号的频率(或相位)发生变化，经过电路处理后转变为电信号，输出。两组信号同时到达与「〕，经判断，再将报警信号通过天线发射出，可以用接收电路或收音机接收报警信号。最后本文对热释电红外探测器件性能、微波多普勒探测系统性能进行了检测，分析了微波多普勒探测系统干扰的来源及进入机器的途径，并对其脉冲干扰、电源干扰等提出了抑制办法。三、本课程设计要达到的技术指标

红外传感头为双敏感元传感器P228，其芯片材料为担酸铿，上有双探测元，具有响应度高(6500V/W)>噪声低，抗电磁干扰性能好，窗口谱响应(包括探测元和滤光片)为7-15μΜ。热释电红外探测器对入侵者辐射出的红外能量和移动速度两个参数都能探测到，它对横向切割(垂直方向)探测区方向的人体运动最敏感。因此安装热释电红外探测器时，应尽量使入侵者的活动有利于横向穿越其视场，以提高其探测灵敏度。微波多普勒探测器，则对轴向移动(或径向移动)的活动体最为敏感最大，因此，在一个有限的空间两者的探测灵敏度需兼顾。探测最灵敏。安装热释电红外探测器和微波探测器时，具体布置和安装时，应使探测器正前方的轴向方向与来犯者最有可能会穿越的主要方向约成45°角为宜，便使热释电红外和微波两种探测器皆处于较灵敏的状态。电路主要由热释电红外传感器探测电路、光控电路、报警驱动电路等组成。在温度为-20—+60度之间，电压为3—15V时，热释电能有效探测进入探测区域的红外发射体。四、实验原理1、热释电效应热释电红外探测器最重要的部件是热释电红外传感器。这种传感器的原理基于热释电效应。某些强介电物质的表面接收了红外线的辐射能量，其表面产生温度变化，随着温度的上升或下降，在这些物质表面就会产生电荷的变化，这种现象称为热释电效应，是热电效应的一种。这种现象在钦酸钡之类的强介电质材料上表现得特别显著。若在钦酸钡一类的晶体的上下表面镀膜形成电极，在上表面加以黑色膜，若有红外线间歇地照射，其表面温度上升乙T，其晶体内部的原子排列将产生变化，引起自发极化电荷dP，设该元件的电容量为C，则该元件的电压为乙只℃。需要指出的是，热释电效应产生的表面电荷不是永存的，只要它出现，很快便被空气中的各离子所结合。因此，用热释电效应制成的红外线传感器往往需要在元件的前面加机械式的周期遮光装置，以使此表面电荷周期出现才能实现测量;或者只有当测移动物体时才可不用周期遮光装置。因此红外线探测器在探测静止物体(包括人体)时需要加周期遮光装置;只有检测运动的人体时才无周期遮光装置。2、实验原理图该自动防盗报警系统包括热释电红外探测电路、光控电路、报警驱动电路和发射、接收电路。自动报警器在白天处于封锁状态；夜晚自动进入工作状态，只要有人进入热释电红外传感器探测的区域，扬声器就发出报警声。其组成功能框图如下图所示。

报警驱动电路

光控电路热释电红外探测器探测电路

报警电路

该自动报警电路主要由热释电红外传感器探测电路、光控电路（RG、RP2、R4）、报警驱动电路（四声语音集成块IC2等）等组成。白天，受光控传感器RG的控制，VT1处于导通状态，封锁了声控电路；夜晚自动进入工作状态。调节RP1可改变报警声时间的长短。拆除RG及VT1、VT2，并在IC1的④脚与地间加接一只47μＦ的电容进行开机复位，则自动报警系统就会进入全天候监控状态。五、实验过程1、选题实验小组最初的设计目的是想运用所学的传感器知识制作一个了“温度报警器”，但是该电路比较简单，根据老师的指导，我们准备进行改进和扩展，定为“数字温度报警器”，就是对报警的温度给予定性的表述。然而，在实验的过程中发现缺少较多元器件。最后，我们查阅资料，依然选择了报警器，只是这个课题是基于热释电红外传感器的自动报警器。

2、课题设计理论分析主动式红外入侵探测器这种探测器议案不能采用较细的平行光束构成一道人看不见的封锁线，当有人穿越过或遮断这条红外光束时，光电接收机输出的电信号的强度就会发生变化，经放、信号处理后启动报警控制器，发出声光报警信号。被动式红外入侵探测器这种探测器又称为热释电红外探测器，它具有二维探测、识别特性。满足这种红外探测报警的工作有两个：一是存在具有一定温度的生物体；而是必须有一定的移动速度。它对人体有很高的灵敏度。它既可以进行直线型探测，也可进行空间探测，常用于室内和空间的立体防范，器隐蔽性更是优于主动式红外探测器。故本次课程设计采用被动式红外入侵探测器被动式红外式传感技术是利用红外光敏器件将活动生物体发出的微量红外线转化成相应的电信号，并进行放大，处理，对被监控的对象实施控制。它能可靠地将运动着的生物体（人）和飘落的物体加以区别。同时，它还具有监控范围大，隐蔽性好，抗干扰能力强和误报率低等特点。（一）热释电红外传感器1、被动式红外探测器防盗报警器的组成和工作原理原理框图：声光报叫电路热释电红外传感器声光报叫电路热释电红外传感器报警控制器信号处理器放大器光学透镜系统→→→→→报警控制器信号处理器放大器光学透镜系统工作原理：任何高于绝对温度零点（-273.15摄氏度）的物体都会辐射红外线，辐射能量的大小与该物体的表面温度有关。不同温度的物体辐射的能量随波长的分布不同。在静止状态，即无移移动体入侵的情况下，热释电探测器周边的物体，如树木、建筑物、家具等不动物体，虽然也发出热红外辐射，但这些辐射是不稳定的，并称为背景辐射，当入侵的活动体（如人和动力车）进入被监控的防范区域后，稳定不变的热辐射度被破坏，产生了一个变化的红外辐射，热释电红外传感器能接收到这变化的辐射能，并将其转换为相应的电信号，经放大、处理后去控制报警器发出的声光报警信号。热释电红外探测防盗报警系统的探测原理示意图：P399任何高于绝对温度的物体都会发出电磁辐射——红外线，但是各种不同温度的物体所辐射的电磁能及能量随波长的分布是不同的。人体红外辐射的光谱为7～14um，其中心波长在9～11um附近。根据不同物体及不同温度体发出的红外光谱的不同，可对不同目标进行红外检测和判别。为了区分人体（37摄氏度）辐射的红外线和周围物体辐射的红外线，特别是近红外辐射，常在热释电传感探测元件前加一红外滤光片，以抑制人体以外的红外辐射的干扰。2、热释电红外传感器件的组成热释电红外传感器件的结构和封装（非本设计内容，省略）干涉滤光片对于常温为37摄氏度的人来说，其红外辐射光谱作用如图：P292为了使热释电红外传感器件辐射到的红外线与大气的红外透射率相结合，同时考虑到对人体外的红外辐射（特别是近红外辐射）干扰进行抑制，正常人的体温约为36.8摄氏度，人体辐射的红外线波长为9～10um。为滤掉周边的不动物体发出的热辐射，即滤除其背景辐射，在制作热释电红外传感器的探测元时，在其硅片上贴上一个截止波长为7～10um的滤光片，是小于7um的非人体辐射宫外线被吸收，只让波长为7～10um的红外线通过，因此热释电红外传感器能较好地对人体发出的红外线进行探测。热释电陶瓷器件场效应管匹配器3、常用的集中热释电红外传感器用于人体探测的热释电红外传感器多采用双元或四元的器件，接收的红外线波长为6.5～14um，要求器件的灵敏度高，噪声系数低，使用温度范围广。本设计使用的P228型红外传感器P228型红外传感器参数性能：外形及结构：双元型，金属壳TO-5封装；探测元：芯片材料为钽酸锂（LiTaO3）；典型响应度：它是衡量灵敏度的重要指标，P228为6500伏每瓦，灵敏度较高；等效噪声功能：它是衡量稳定度的主要指标；窗口波长：它表明传感器（包括探测元件和滤光片）接收红外线的光谱范围，P228为7～15um；使用温度：表明在该温度范围内使用时，其主要性能参数能达到跟定指标，P228为-40摄氏度到60摄氏度。监测角度：水平面监视范围为110度。PZT双敏感元具有如下优点：可以防止太阳光等红外辐射引起的误差或误动作；PZT元件具有压电效应，双PZT元件可以消除因振动引起的误差；能消除因周围环境温度变化而引起的误差。检测原理热释电红外传感器对红外辐射能量的绝对值不感兴趣，感兴趣的应是红外辐射的能量变化值的大小，在进行光学系统设计时，不仅应把检测空间辐射来的红外线聚焦至传感器，还应能敏锐的觉察出这些红外线能量的变化。因此，在设计聚光透镜时，往往要对光滑的光学镜面进行棱状或柱状处理，其设计用意在于使被检测的空间产生一系列交替的狭小的红外“高灵敏感应区”和“盲区”（空区）。当有人从镜前走动式，人体发出的红外线就不断地从“高灵敏感应区”进入“盲区”，传至红外传感器的红外线就会时有时无，即大量的光脉冲进入红外探测元，进转换后便输出相应变化的电脉冲，因而提高了其接受的灵敏度，大大提高了其探测距离。4、红外作用距离与光学聚焦系统用于人体探测的热释电红外传感器多采用双（探测）元或四元的器件，接收的红外线波长为6.5～14um。要求器件的灵敏度高，噪声系数低，使用温度范围广。（二）多视场菲涅尔光学镜1、菲涅尔棱镜介绍由于人体辐射出的红外线能量相当弱，因而，只采用热释电红外传感器组装的探测器，其探测距离一般为1～2m（视器件种类）。为提高其探测灵敏度，最好在热释电传感器的前面加装一套特殊的光学系统，这就是菲涅尔透镜。菲涅尔透镜用于将红外能量积聚起来，以扩大其探测距离。人体辐射的红外线能量本来就弱，且其能量按距离的平方减少，用聚光透镜后，可使探测距离从几十厘米扩大至十几米，甚至远达几十米。透镜的材料必须是能使红外线能量得以透过的优良材料。与红外传感器配套的光学系统有三种，即反射式，透视式和折射式。其中反射式光学系统灵敏度最高，其探测距离可达25～60米；透射式灵敏度最低，其探测距离一般为2～10米；折射式居中，兼有反射式和透射式的优缺点。反射式系统的红外传感器主要置于镜前，体积大，不好密封。在防尘，防水，抗击，隐蔽性等方面差，尤其在防盗报警方面不宜采用。而透射式系统体积小，密封容易，稳定性好，其价格相对较低，因此目前国外多采用透射式系统。2、菲涅尔镜的设计和技术指标菲涅尔透镜是一种塑料注成的薄镜片，片上刻有精细的镜面和排列有序的纹理，它是根据对灵敏度和接收角度的要求来设计和制作的，技术精度要求相当高。一片好的透镜必须表面光洁，纹理清晰，厚度在0.65mm左右，多红外光的透过率要高于65%。下面是Q-6的主要技术指标：外形尺寸：68mm*38mm水平角度：120度垂直角度：要求架高不低于1.5m传感器与镜面间的距离：置于聚焦中心的处，标准距离为29mm实际上，菲涅尔透镜有不同的规格，具有不同的几何尺寸和特点，要求聚乙烯薄片和安装外壳应相配，镜透面与传感器之间应该保持规定的距离，不同的透镜其距离是不同的。除上面的Q-6型外，常见的菲涅尔透镜还有以下几种：QIA型：外型尺寸为58.8mm*45mm，水平角度为85度，检测距离为10m。Q-8半圆形：外形尺寸为直径24mm，检测角度水平为100度，垂直为60度，适用于吊顶安装形式，检测距离为3～5m。一般的菲涅尔透镜的探测距离在10m左右，采用双重反射形式的透镜可达20m以上。3、红外能量的变化值和菲涅尔镜红外探测器重点是探测红外辐射能的变化值，在进行光学系统设计是，不仅应把检测空间辐射来的红外线聚焦至传感器，还应能敏锐地察觉出这些红外能量的变化，因此，在设计聚光透镜时，往往要对光滑的光学镜面进行棱状或柱状处理，其设计用意在于是被检测的空间产生一系列交替的狭小的红外“高灵敏感应区”，和“盲区”，当有人从境前走动时，人体发出的红外线就不断地从“高灵敏区”进入“盲区”，船只红外传感器的红外线便会时有时无，即大量的光脉冲进入红外探测元，镜转换后变输出相应变化的电脉冲，因而提高了其接收灵敏度，大大提高其探测距离。下图现实了高h=1～2m的热释电红外传感器的视场图及其“高灵敏感应区”和“盲区”：P2994、热释电红外传感器与菲涅尔光学透镜及其合理配接。多波束型红外探测器采用透镜聚焦式光学系统，即采用菲涅尔光学透镜。通常，它由聚乙烯材料注压而成的薄片，在薄片上压制有宽度不同的分格竖条，单个竖条平面事迹上市一些同心的螺旋线，形成多层光束结构的光学透镜。菲涅尔透镜在不同探测方向呈多个单波束状态，组成立体扇形红外检测区域，构成立体戒警。以下给出一种菲涅尔的构造和水平示意图：3、设计电路在复习了该类传感器的工作原理、工作特性等基础知识后，我们又查阅了传感器应用电路制作知识以及相关的硕士学位论文，初步确定了实验的电路构成，并经过分析最终设计出了“热释电红外传感器自动报警器”电路。

4、实验器材和实验元器件的准备设计好电路后最重要的一项工作就是要确定各个元器件的型号和规格。经过分析和计算，我们选定热释电红外传感器的红外传感头为双敏感元传感器P228，芯片为IC：NE5585，扬声器为四声片IC：9561；此外，在实验室准备了其他的实验器材和元器件。

4、在面板上搭接电路

在面板上搭接电路时应注意，搭接人员应先分析熟悉电路，如果不熟悉的人进行搭接会走很多弯路。我们搭接时基本上是先把电路分为四个版块红外探测部分、光控电路部分、驱动电路部分和报警电路部分，按照这四个部分的顺序依次搭接。搭接好后再换一个同学进行检测，主要是先检查电路搭接是否准确无误，然后就是用万用表检测各个原件是否导通完好。经过这么几个步骤，实验电路就基本上在面板上搭好了。

5、仿真调试前面几个步骤都顺利完成后，我们就进行仿真调试。然而，此时才发现调试结果却并没有达到预期效果，报警器只是轻微鸣了一下。经过分析发现电路和元器件并没有问题，而是在面板上的元器件因为振动等原因接触不好，特别是部分电阻，有时压根就没有连接上。于是，我们采取把面板撑起，让元器件引脚悬空的措施，经过调试达到了预期效果。

6、焊接电路板焊接电路板看似简单，实际操作起来才发现很困难。刚开始焊接时一点都不熟悉，手也发抖，导致各个引脚的焊锡过大，经常使部分电阻短路，更困难的是造成虚焊，因为很难检查。经过焊接、检查、焊接、再检测，终于把电路板焊接好，再进行试验，能完成任务，达到目的。

7、整理实验器材实验结束，收拾整理实验的器材，归还器材管理人员。

8、验收最后，将做成的产品交给老师检查、验收。六、讨论该自动报警器因具有检测范围宽、探测距离远、可靠性高、隐蔽性好等优点，所以改装后，基于红外探测技术的自动报警器还可用于军事等方面，如部队的弹药库等，此外，军用红外技术的飞速发展和广泛应用，