新型商用被動式報警器的研制及改良

丁國慶，趙志闖，呂雪芳，林欣悅

（沈陽大學師范學院，遼寧 沈陽 110041）

引言

由于世界人口穩定增長，就業機會不相稱，加之社會復雜，私人和公共場所的入侵和盜竊事件日益增多。人們對私人和公共場所的防盜安全問題日益關切。這種安全意識的提升明顯表現在保安人員的大量雇傭以及其他監測裝置的使用等。

然而，常見的防盜設備以及相關服務相對昂貴，防盜設備需要穩定的電力供應才能運行。因此一種有效的低成本、低功耗紅外防盜報警器及系統的研制就頗受關注。研究表明，任何物體都會輻射紅外線，但是不同物體所輻射的紅外線波長和強弱不同。人體所輻射紅外線的中心波長為9～10μm，而其他非生命物體所輻射紅外線的中心波長要短得多。因此，可以根據不同物體的紅外線波長，實現人體與周圍物體的區分，或者實現針對某一特定方位的人員流動性監控。

學者嚴煜[1]在研究中指出，紅外報警器大體上可分為主動式和被動式兩種設計理念。其中主動式紅外線報警器是由報警器自身發出紅外線，再由探頭接受遇到障礙物后的入射信號實現報警。而被動式報警器自身并不發射紅外線，只具備接收紅外線的功能，并對不同能量物體做出不同類型的反饋信號。學者楊卓元等人[2]指出，隨著家中電器的日益增多，火災隱患隨之增大，設計出一款既能及時預警又不影響安全逃生的智能紅外報警系統意義重大。

被動報警器中的主要傳感組件作為一種被動響應的部件，可被其覆蓋范圍內的任何侵入者發出的紅外輻射激活。而在正常使用中，報警器的功率相對較低，只有在主傳感器檢測到對應的輻射之后，才提供額外的功率來激活警報或蜂鳴器。這一被動激發的特性使得該設備適用于偏遠或電源供應較為困難的地區。

1 被動式報警器原理

被動式紅外報警系統的關鍵部件是熱釋電紅外傳感器，它負責將人體紅外輻射轉化為電信號，實現了非接觸感知。被動紅外探測器是一種基于熱釋電效應制成的紅外傳感器。熱釋電材料的溫度隨紅外輻射而變化，導致其自發極化，即熱釋電效應。為了抑制環境和傳感器自身溫度變化所產生的干擾，通常采用兩個具有相同特性的熱電元件以相反的串聯或差動平衡電路連接，進而產生極性相反、值相等的信號，使外界干擾相互抵消。同時，為了獲得直接使用的電壓信號，在結構上采用n通道結場效應晶體管，并以全漏極型連接以完成阻抗轉換。

在有效示警范圍內，如果無人移動，傳感器只檢測到背景輻射，沒有溫度變化，無法形成電信號，則不會報警。如果有人進入警戒區域，傳感器檢測到人體輻射與本底輻射差值的變化信號，產生電信號輸出，通過后處理電路實現報警。

該傳感器的響應波長范圍為0.2～20μm。該干涉濾波器安裝在窗口位置，僅使8～12μm內的紅外輻射通過，同時抑制其他可見光和紅外輻射傳入，從而在10μm附近實現更高的靈敏度。

2 元件介紹

2.1 傳感器

ISBAS中的傳感器電路對來自源的紅外波進行全波探測。此外，該傳感器有兩個元件以電壓反向配置連接。這種安排消除了由于陽光引起的振動和傳感器內部溫度變化引起的信號。一個人從傳感器前面經過，將先后激活兩個元件。而其他源將同時影響兩個元件，產生的信號被抵消。因此，這種設置方式提高了檢測精度。

2.2 開關

此次被動式報警器使用了三種開關電路。電路的功能是接通和切斷電路中的電流。當傳感器檢測到人體運動時，微開關即被釋放。此時，有一個小型的繼電器就被用來維持蜂鳴器的工作。

繼電器是一種電動開關。當電流通過繼電器線圈產生的磁場，磁場吸引杠桿并改變開關觸點。繼電器的存在可以保證兩個電路互相切換，且這兩個電路可以是完全獨立的。

在電路設計中，晶體管（NPN）也被用作開關。晶體管可在飽和狀態和截止狀態這兩種狀態之間運行。當晶體管的兩個發射極-基極結都是正向偏置時，就會出現飽和狀態。當兩個結都是反向偏置時，就會發生截止狀態。741 OP放大器IC（芯片）不能提供機械開關（繼電器）所需的實際電流，因此用晶體管將小的IC電流放大到繼電器線圈所需的值。

2.3 發光二極管（LEDs）

報警器使用LED作為指示燈，無論整個系統是開或關，當電流以正向偏置的方式通過LED時，LED就會發光。此次報警器的研制中使用了紅光的GaP（磷化鎵）半導體。

2.4 UA741運算放大器

UA741運算放大器是一種差分放大器。輸出與運算放大器的兩個輸入端之間的電壓差成正比。它們能將電壓從零頻率放大到很高的頻率。運放通常由8引腳雙直插封裝制成。

2.5 電源

本報警器的整個電路都由電池提供電流，適用于電力電子設備的各種應用。

3 設計部分

3.1 被動式紅外報警裝置的設計研究

本次研制的小巧被動式紅外報警器核心構成包括報警器本體、吊片以及報警器本體角。

其中吊片與報警器柔性連接，報警器的監控角度可調。其結構特征主要包括：

1）報警器由上蓋、后殼體和前殼體組成，其中后殼體和前殼體通過卡扣方式進行連接，并由上蓋進行固定。

2）后殼體內自下往上依次嵌入電池倉、電路板以及報警喇叭，其中報警喇叭與電路板柔性連接并受電路板控制，電路板上還設置有人體紅外傳感器。

3）上蓋開設有揚聲孔，可供警報喇叭發出報警聲音。

4）前殼體的檢測窗口正對人體紅外傳感器，檢測窗口上配備有透鏡及其限位圍欄。

5）電池蓋位于后殼體上，并通過卡扣方式固定。

3.2 被動式紅外報警裝置的制作研究

1）根據所需元器件名稱，調研相關產品供應廠家，了解各個元器件的性能參數，并優選適合自己實驗方案、實驗目的的采購清單。

2）將設計方案進行討論、經反復論證消除其中漏洞后，再次優化元器件采購清單，并按需采購。

3）將采購到的元器件進行記賬及驗收，按照實驗方案進行元器件的組裝。

組裝內容包括將透鏡放入前殼體中并進行限位圍欄固定，扣合后殼體，安裝電路板，安裝人體紅外傳感器及報警器，安裝過程中注意調節電路板的支撐點和朝向狀態，規避潛在的摩擦、錯接問題。然后將報警器連接到球頭活動片上，檢查報警器在不同方位上的活動靈活性，并將球頭固定到適當位置，以保障紅外報警器最大監控面。最后對所構建的被動式紅外報警體系進行檢查，排除線路誤解、透鏡位置不當、人體紅外傳感器錯接等潛在失誤，保障線路連接正確，各個元器件功能可得到正確發揮。

3.3 被動式紅外報警器裝置的操作

被動式紅外報警器電路圖如圖1所示。電源通過端子提供電壓，該電源與IR傳感器的引腳相連。傳感器引腳的信號輸出連接到旁路的電阻。當給設備供電時，可能會誤觸發蜂鳴器。這是因為即使沒有信號施加到輸入端，運放的內部組件也可能向輸入端提供一個小的差分電壓。即使電壓很小，運放的增益也會在輸出處產生一個很大的偏置電壓。我們通過調整內置電阻的大小來消除這一偏置電壓，使輸出正好是0 V的信號，此時輸入端沒有信號輸出。

當檢測到運動時，傳感器的引腳輸出一個非常小的電壓。這個電壓通過運算放大器IC放大。運算放大器IC通過輸出引腳向晶體管提供電源。晶體管控制通過繼電器電路的功率流。一旦有信號傳入，晶體管實際將作為繼電器提供觸發蜂鳴器所需的電流。

4 實驗測試及改良

4.1 實驗預期

構建模擬環境，將研發的被動式紅外傳感器置于模擬環境中，準備飲水機、椅子等非生命體干擾物，以及小貓小狗等生命體干擾物，考察被動式紅外傳感器的對人體信號的區分情況。積累初步實驗數據后，考察被動式紅外傳感器的在真實環境下的應用效果，包括白天及夜晚環境的使用效果。持續記錄為期14 d的實驗數據，確認被動式紅外傳感器的準確性和穩定性。

4.2 實驗調試

無源熱釋電紅外報警系統只能安裝在室內，誤報率與安裝位置和方法密切相關。所以在安裝時報警系統應高于地面2.0~2.2 m，報警系統應遠離空調、冰箱、爐灶等溫度變化敏感的地方，應在報警區域范圍內，報警系統不應安裝在有強流的地方。

安裝報警系統后，對系統進行測試。首先，當電路工作正常時，人從遠處移動到報警系統，測量報警范圍小于7 m。其次，當人通過衰減區域時，系統報警。人的移動速度快，系統的靈敏度更高。速度應小于0.1 m/s。當人從中心移動，即到兩側的最小距離，可得到最大警戒角為80°。當系統開始工作，人員經過該報警區域時，系統發出聲光報警。

做好防護措施，接通電路，考察被動式紅外傳感器的各個元器件是否正常連接、是否可以正常發揮其各自功能、考察被動式紅外傳感器是否可以對靜態人體產生感應信號發出報警、考察被動式紅外傳感器的球頭的轉向及轉向速度等，是否可跟蹤人體的移動形成持續報警等，對于調試過程中發現的問題進行優化研討分析，不斷改進和優化被動式紅外傳感器的靈活性、識別性和精準性。

4.3 改良措施

為了提高熱釋電紅外傳感器的靈敏度和響應速度，我們使用了菲涅耳透鏡，其作用有兩個，一是將紅外輻射信號聚焦于熱釋電紅外探測單元，二是將檢測區域劃分為幾個亮區和暗區，使運動物體在檢測區域引起熱釋電紅外傳感器溫度變化范圍內實現連續信號輸出。

當人進入報警裝置探測范圍時，人體紅外輻射首先通過菲涅耳透鏡，將紅外輻射信號聚焦在熱釋電紅外探測單元上，形成交替變化的高敏感區和盲區。由于傳感器的兩個熱釋電紅外探測單元接收到的熱量不同，產生的信號也不同，兩個信號實現無偏移輸出。

通過轉換得到微弱多變的電壓信號，然后將信號放大以獲得足夠的增益。再經后續處理完成報警。根據菲涅耳透鏡的特點，它有不同的焦距，因此可以擁有不同的探測距離，進而使報警系統有不同的監視視場，比一般的報警系統具有更大的可調檢測區間。

5 結語

被動式紅外報警器的電源是一個簡單的直流電池，不需要任何反轉或整流。經過改良后的傳感器，功能效果十分明顯，當沒有使用紅外菲涅耳透鏡時，它僅僅能響應0～2 m之間的水平運動，但當使用紅外菲涅耳透鏡后，它可以響應高達90 m的水平運動。

這款自主研發的被動式紅外報警器提供了良好的傳感和檢測能力，并減少了組件選擇的復雜性。在發生故障時，可方便地進行維護和維修。而且所需電子元件均可在本地采購。在沒有外界電源供給時，它也可以依靠內置電池持續運行數周。這種被動式紅外報警裝置設計符合當前行業需要，有望在居家防盜、家庭防火、智能車庫中進行實際應用，切實提高居民的生活便利度。同時也有助于實現對靜態人體和動態人體的感應識別，在采礦、化工等工業技術領域具有較好應用前景，有望提高對我國一線技術工人的生命安全保障。