基于熱釋電紅外傳感器探測距離影響因素分析

雷蕾

摘要：紅外探測主要利用物體紅外能量完成探測工作，并且將工作結果轉換為設備可以識別的信息最后輸出，隨著應用過程中技術的不斷完善，已經應用于防盜，防火與其它產品。該類型傳感器其特點體現在靈敏度高，響應速度快，但是其不足之處在于其探測距離比較近，后期研究工作重點就在于如何提升探測系統有效距離，本文就基于熱釋電紅外傳感器探測距離影響因素分析作簡要闡述。

關鍵詞：熱釋電紅外傳感器；探測距離；影響因素分析

在如何有效提升探測距離方面，思路之一就是利用其它材料，但是在技術與成本方面會受到一定限制，需要通過試驗分析從而獲得其它的解決問題思路。

一、探測系統工作原理

（一）紅外傳感器工作原理

紅外傳感器將接收到的物體紅外熱量轉換為設備可以識別的電信號，此類型傳感器釋熱電元件串聯，兩個元件同步接收信號，由于元件的極性相反，信號輸出會相互抵消，從而對背景輻射等產生的誤報起到一定補償作用。但是其不利方面是被觀測目標移動也會受到影響，主要體現在移動方向運動方向沿元件中垂面，則不會輸出電壓信號。

（二）菲涅爾透鏡工作原理

菲涅爾透鏡作用體現在聚焦，將探測區域內部分為數量不等的明、暗區，從而使得處于探測范圍內的物體以溫度變化形式產生紅外信號。將探測空間紅外信號集中于傳感器，通過鏡片窄帶來實現紅外線聚集，其作用類似于凸透鏡。需要考慮到的鏡透參數有光通量，厚度的不均勻性，焦距誤差，透過率等。

二、對紅外探測系統產生影響的因素分析

對于同一系統，紅外探測系統信號隨距離增大會呈現逐漸減小趨勢，與探測信號有關聯的因素包括，首先是感知部位，以人體為例進行說明，人體某些部位其輻射較強，而某些部位其輻射相對較弱。前者如人的膝部，臉部，手臂，后者如人的身體下部，探測系統所在的位置越高，有效探測距離就會越遠。

環境溫度、目標溫度會存在差值，熱釋電現象和環境溫度也會存在差值，并且差值十分明顯，晶體、熱釋電電壓接收紅外輻射，溫度是動態變化的，溫度變化與晶體材料、結構、參數有一定關系。當環境溫度與人體溫度二者間差異越大時，系統探測距離就會有效增加。

探測距離與透鏡面積二者之間著密切的聯系，菲涅爾透鏡目的在于將所探測空間范圍內紅外線集中于傳感器，鏡面面積符越大，聚焦于敏感元件信號就會越強，探測距離也就會相應增加。除過與透鏡面積有關系外，區段數量會對探測距離產生影響，從外觀方面來看，透鏡可以將其分為方形，圓形，長形。從功能上來看可以將其分為雙區多段，多區多段，單區多段。鏡片表面刻錄了數量不等的同心圓，從小到大，從淺到深，環線多并且密集，焦距遠，感應角度大。刻錄環線深，感應距離就遠，焦距也就近，光線集中并且越強，就需要與同心圓環的距離越近。同一行圓環形成垂直感應區，同心環形成水平感應段。前者數量越多，感應角度越大，鏡片越長，感應段越多，同樣感應角度增大。感應區段數量與被感應移動幅度呈反比關系 ，數量越多，目標需要移動幅度就比較小，相反被探測的目標就需要在較大范圍內運動，并且運動幅度大，同心圓交錯，區段盲區就能夠有效減少。在實際工作環境下，探頭視場角度對鏡片的影響體現在，水平感應角度、垂直感應角度受限，鏡片面積會受到限制。

三、測試方案及結果分析

（一）基于菲涅爾透鏡的測試

首先需要建立坐標系，坐標原點為傳感器，之后是透鏡安裝工作，菲涅爾透鏡安裝在傳感器的探測窗口，并且透鏡型號需存在差異。窗口面積是一定的，透鏡通過窗口時對同一目標進行探測與感知。之后在傳感器感應范圍內使目標沿著縱軸方向，以一定間距移動，移動位置范圍需要與透鏡平行，當信號不存在時就可以停止，并且記錄下不同測試距離時的結果。

通過對測試結果進行分析可以看出，區段型號不同的透鏡在輸出距離相同的紅外信號幅值存在差異。電壓值小于一定范圍時，可以將其默認為無法感知到目標紅外信號。當電壓值增大到一定范圍時會出現削頂現象，通過對不同數據進行分析就可以得到單區段，雙區段，甚至是多區段的探測距離。

（二）環境、目標溫度與測結果的關系

通過調整室內溫度，使其保持在測量工作允許的范圍內，透鏡與目標二者間的距離恰當并勻速移動，觀察信號波形，通過以溫度不同時的圖形分析，從而得到溫度對信號產生的影響。考慮到釋電傳感器對于溫度較敏感，通過分析可以得到結果，低溫情況下其紅外信號峰值明顯要小于高溫情況。

（三）對兩種測試方案的結果分析

通過對兩種測試方案進行分析可以得到最后的結果，在探測距離方面廣角式透鏡相比于幕簾式透鏡其探測有效距離更遠。從區段數來分析，區段數量越多，被感應目標需要移動的幅度就會越小，相反就會越大，其背后原因在于區段數量增加，紅外感知系統靈敏度也會相應增加，有效探測距離也就會相應增加。分析比較被探測目標的電壓信號，黑白兩鏡片相比而言，前者有效感知距離更遠，原因就在于前者透光性與抗干擾性更好，圓環線多而密。也證明了透鏡圓環線多且密，那么感應角度就會越大，焦距相應越遠。刻錄深焦距就比較近，而感應距離較遠。

從溫度方面來考慮，目標與環境溫度二者間差異越大，系統有效探測距離就會越大，應用于實際工作中的效果就會越好。

四、結語

通過對影響到傳感器探測距離造成影響的因素進行試驗，從而得到了影響探測距離的因素，目標溫度與環境溫度差值，目標感知部位，透鏡區段數量，透鏡面積等都會對有效探測距離造成影響。并且當各項因素組合時其造成的影響又會存在一定差異，在實際測量工作中應用需要注意到相關方面，并且通過合理措施避免對正常工作造成影響。

參考文獻：

[1]王孟祿，張鐳.熱釋電紅外探測實驗裝置的設計與應用[J].實驗科學與技術，2017（01）.

[2]祁松明，鄭濤.面向動靜態人體的被動式熱釋電紅外探測器[J].中國住宅設施，2014（05）.

課題支持：課題名稱：紅外焦平面陣列非均勻性的研究；課題來源：益陽市指導性科技計劃項目；（課題編號：益科字【2016】51號，序號：19 ）