一種熱釋電紅外報警系統的設計與仿真

史雅琪 韓建新 張麗娟 趙巖 楊國全

(晉中學院 山西 晉中 030619)

伴隨社會的發展，多數公民的安全意識有了明顯的改善，對于所處環境的安保意識也有很大的提升，然而現行報警系統對不速之客的檢測靈敏度仍有待加強。因此，只有推動安全防護體系的建設，才能有效地應付當今的挑戰，增強報警系統質量的提升。因紅外光為不可見光，保密性和隱蔽性強，所以被廣泛應用于防盜、報警等安保系統以及運動目標識別[1-3]。

本文所使用的熱釋電紅外傳感器，能以無接觸的方式偵測到人體所發出的紅外線，再轉化為電壓信號其中采用的雙探測元方案可提高探測的靈敏度。這種由熱釋電紅外傳感器組成的報警器制作簡單，并能將紅外線的輻射轉化為電壓，有造價低、靈敏度高、安裝隱蔽的優點[4]，當移動物進入報警器監視范圍時，就能發出警報，是優良的報警系統。

1 熱釋電紅外傳感器

1.1 熱釋電效應

在自然界中，當物體的溫度高于絕對零度（-273 ℃）時，就可以產生一種特殊的現象，即其能量將以光速傳輸，且持續釋放出紅外線。被測對象發射出的紅外線的能量取決于被測對象的溫度T和發射出的紅外線的峰值波長的λm。物體輻射的能量大小為λm·T=2 988≈3 000（μm·K）。隨著被測對象自身的溫度升高，相應的，它所發射出的紅外光波的峰值波長變得更短，從而產生更強的紅外輻射。在紅外光照射下，一些絕緣材料，如鈦酸鉛、鉭酸鋰等，它們的表面和內部的物理性能都可能發生變化，引起自身溫度的升高。這種現象叫作紅外輻射的熱效應[5]。

通常，由于絕緣體中沒有載流子，因此其自身不具有傳導性，但是一切絕緣體都是由帶電微粒構成，在外部施加電壓作用時，絕緣體的電介質就發揮了重要的功效，帶電微粒會在電介質中發生相對位移，帶有正電的顆粒將移向負極，而帶有負電的顆粒將移向負極。隨著微粒的移動，使電介質的一面帶正電，另一面帶負電，從而形成了被稱作電極化的物理特性。一些絕緣材料，如鉭酸鋰，即使去掉電壓，也會被極化，這種現象稱之為自發性極化現象。溫度升高，自發極化強度減小；反之，隨著溫度的降低，它的強度就會上升[6]。

因紅外線的強熱效應特性，當紅外線光照射到一些絕緣物質的晶體表面時，晶體的溫度會突然改變，此時就會產生電荷，從而產生顯著的外電場，這就是熱釋電效應。如果釋放出的電荷經過放大器放大成一種控制信號，根據這一原理制作出來的紅外傳感器器件稱之為熱釋電紅外傳感器[6]。從上面的分析可知，熱釋電紅外傳感器是將熱量變化的大小轉化為電能變化大小的一種能量轉換裝置。

1.2 熱釋電紅外傳感器的構造

熱釋電紅外傳感器的結構如圖1 所示，它包含了負責轉化能量的熱釋電晶體、提高轉換效率的氧化膜、提高靈敏度的濾光鏡、放大信號的結型場效應管以及相應的匹配電阻等部分。目前，熱釋電晶體普遍使用電晶體材料是以鋯鈦酸鉛壓電陶瓷為主，將敏感材料壓電陶瓷的上下兩面作為電極，以壓電陶瓷的上下兩面作為電極，同時在電極的表面涂覆一層黑色氧化物薄膜，可極大地高電晶體材料的光電轉換效率。為了對波長約10 μm的人體紅外線有較高的輻射靈敏度，這種允許波長在8～14 μm范圍的紅外線輻射通過的濾波鏡，可以抑制可見光和其他紅外線輻射[7]，所以濾光鏡被安裝在管殼頂部，使傳感器能敏銳地這樣傳感器就可以靈敏地探測到有無人員進入禁區。因為熱釋電傳感器的輸出阻抗非常高，而輸出電信號卻很弱，所以在熱釋電傳感器內部裝有偏置電阻與場效應管（Field Effect Transistor，FET），用于信號放大與阻抗匹配[8]。

圖1 熱釋電傳感器的構造

1.3 熱釋電紅外傳感器工作原理

熱釋電紅外傳感器其自身無法發射能量，因此這種傳感器又被稱為被動式紅外傳感器，其工作原理是通過接收自然界中的能量或能量變化，從而實現對周圍環境和物體溫度、濕度等基本參數的檢測和調節。由熱釋電效應的原理可以看出，當溫度升高時，熱釋電晶體將受到影響，導致其表現出極化現象。在熱釋電式紅外傳感系統中，熱釋電晶體輸出的是帶電信號，無法被直接利用來進行測量，這就限制了它們的有效性。因此，為將其轉化為電壓形式，必須使用高達104MΩ阻抗的電阻，所以N溝道結型場效應管被引用，并以共漏（也就是源極跟隨器）的方式進行連接，從而實現阻抗變換[1]。

雙探測元熱釋電紅外傳感器是報警電路的重要組成部分，具有良好的穩定性和可靠性，它的結構示意圖如圖2所示，為了避免其他以外光源對傳感器的干擾，采用了將兩塊性質完全相同的熱電晶體反向串聯的方法。另外，隨著外部溫度的變化，兩個晶體的參量也會同步改變，這樣就可以互相抵消，從而有效地減少檢測誤差的出現。在采用這種傳感器的情況下，將電源的正極連接到D端，將電源的負極接在G端，并將信號端的輸出端設置到S端[8]。

圖2 雙探測元熱釋電紅外傳感器構造示意圖

2 電路設計

2.1 電路設計框圖

在實現無接觸探測的熱釋電紅外報警電路中，采用熱釋電紅外傳感器作為其核心器件，用來將人體紅外輻射變化信號轉化為電信號；為了提高熱釋電紅外傳感器的靈敏度和器件響應速度，使用了菲涅爾透鏡匯聚發散的光[9]；接著熱釋電紅外傳感器輸出的電信號即脈沖信號被放大濾波電路進行放大和濾波；最后，放大濾波后的信號被電壓比較電路將其電壓與基準電壓進行比較，當放大濾波后的信號達到某一數值時，延遲報警系統就會自動發起警告，其電路框圖如圖3所示。

圖3 被動式紅外報警電路的構成框圖

菲涅爾透鏡通常由聚烯烴或玻璃制成，具有多焦距的特點，其能夠在不同的距離下，對光線的靈敏度保持一致，從而提供準確的測量結果。大多數菲涅爾透鏡的制作工藝都采用了注壓技術，使它們能夠更好地捕捉到光線的變化。通過將該透鏡與熱釋電紅外傳感器相結合，可以大大提升傳感器的檢測能力，因為當人體或物體移動時，會產生“盲區”和“高敏感區”的紅外輻射，這些輻射會不斷地影響熱釋電晶體的溫度，并發出一連串的脈沖信號，從而使傳感器能夠更好地檢測到周圍環境的變化，實現更廣泛的檢測范圍[10]。當人體處于靜止狀態時，傳感器不會產生任何的輸出信號。圖4為熱釋電紅外傳感器原理圖。

圖4 熱釋電紅外傳感器原理圖

2.2 工作原理

本文所分析的熱釋電紅外報警電路圖如圖5 所示，它用來檢測人類活動的熱釋電人體紅外傳感器是常用的SD02型。一旦發現有異常，紅外傳感器將立即發出一個幅值為1 mV的交流電壓，其電壓的頻率取決于人類的活動速度。因此可以通過調整紅外線的電壓來檢測異常狀態，從而及早發現異常，并及早進行處理。由于人在正常行走的速率下，其頻率大約為6 Hz左右，因此本文所研究電路選用頻率為6 Hz 的正弦交流信號源V1與開關S1來代替熱釋電紅外傳感器[7]。開關閉合代表監測范圍內有人體移動，開關斷開代表沒有檢測到人體移動。

圖5 熱釋電紅外報警電路

當檢測到有人體移動（即開關閉合）時，傳感器接受信號并發出較小的電信號。該信號經同相比例放大器U1后，放大了Auf1=1+=1+≈112 倍，再經反相比例放大器U2后，放大了Auf2==≈-42倍，因此，由傳感器發出的微弱信號經由U1和U2構成的兩級放大器后共放大了-4 704倍。放大后的信號再傳輸給由U3和U4構成的雙限電壓比較器，雙限電壓比較器可以根據不同的環境條件來調節其電平，如果被放大的信號電壓比U3的基準電壓3 V 大時，則U3就會以高電平的方式輸出，而U4就會以低電平的方式輸出；在放大后的電壓比U4的基準電壓2 V 小的情況下，U4以高電平的方式輸出，U3以低電平的方式輸出。在上述兩種情況下雙限電壓比較器都是輸出高電平；在2 V＜放大后的電壓＜3 V的情況下，雙限電壓比較器就會輸出低電平。并且這一低電平還可以用來觸發555定時器構成的單穩態觸發器，也就是說當輸入信號每出現一次負脈沖信號，觸發器將由穩態翻轉至暫穩態，實現延時功能[11-12]，延時時間為

在單穩態觸發器的輸出為低電平時，三極管Q2截止，繼電器K1處于關斷狀態，此時報警電路失效；在單穩態觸發器的輸出為高電平時，三極管Q2導通，繼電器K1被啟動，其常開觸點閉合，蜂鳴器發出警報，燈泡開始閃爍，報警系統工作。

在設計中，為使報警電路與信號發生電路分離，采用繼電器連接兩個電路，在報警電路中使用220 V 的交流電源進行供電，確保蜂鳴器與燈泡的功率足夠大，達到更好的報警效果[13]。

2.3 電路仿真結果

電路仿真采用Multisim 14 軟件來實現，在該軟件中繪制電路圖如圖5所示。閉合開關S1，單擊“運行”。可以采用示波器來測量單穩態觸發器的輸入輸出電壓波形，波形圖如圖6所示。

圖6 單穩態觸發器的輸入輸出波形

圖6 中，XCS2 示波器的通道A 即第一個波形測量的結果是單穩態觸發器的輸入信號波形，通道B 即第二個波形表示單穩態觸發器的輸出信號波形。由圖可知，當輸入信號出現一次低電平脈沖時，電路會產生一個固定寬度的脈沖，其時間長度為110.785 ms。

當閉合開關后，報警電路開始啟動，蜂鳴器發出警報，燈泡開始閃爍。圖5中XSC3測量的是熱釋電紅外報警電路的輸入輸出電壓波形，波形圖如圖7所示。

圖7 熱釋電紅外報警電路的輸入輸出波形

通道A（第一個波形）表示熱釋電紅外報警電路的輸入信號的波形，通道B（第二個波形）表示輸出信號的波形。報警時間（即圖7 中T2—T1 的時間）為112.544 ms。

由圖7可知，當開關S1斷開后，蜂鳴器與燈泡停止報警與閃爍，波形圖無信號輸入輸出，當開關S1閉合后，輸入信號觸發，一段時間后出現輸出信號，仿真結果均達到理論結果。

3 結語

熱釋電紅外傳感器具有易操作、無須額外紅外輻射光線照明源的優勢。這些優勢使它的應用更加便捷。而雙探測元熱釋電紅外傳感器可以檢測到一些非探測對象，如小動物，而不會引發報警，從而大大提升了系統的穩定性和可靠性。本文研究以熱釋電紅外傳感器為基礎的報警電路，從理論出發通過分析熱釋電紅外傳感器的工作原理以及其他如放大濾波電路、電壓比較電路和延時報警電路，并將以上各電路連接成一個完整的系統。利用Multisim 14 軟件對電路進行仿真，實現了當人體進入監控范圍內即有輸入信號時，電路開始報警；當人體不在監控范圍內即無輸入信號時，電路停止報警。同時，通過仿真可以直觀地看出各電路與系統電路的輸入輸出波形的變化，從波形圖中提取數據驗證了理論分析結果與仿真分析結果的一致性，對熱釋電紅外報警電路的研究具有應用意義。