自动控制文章编号:1009-9441(2007)10-0016-02热释电红外传感器及其报警电路□□程素平　(山西建筑职业技术学院,山西太原　030006)摘　要:概述了红外辐射的知识、热释电红外传感器的结构和工作原理。

利用热释电红外传感器设计了一种被动式红外报警电路,分析了该电路的功能和工作原理。

热释电红外传感器具有很多的优点,在防盗、警戒等装置中应用较广。

关键词:热释电红外传感器;被动式红外报警电路;菲涅尔透镜中图分类号:TP732.2;X924 文献标识码:B引言随着社会的进步,人们对家居生活安全性的要求也越来越高,各种防盗探测器应运而生。

由于红外线是不可见光,有很强的隐蔽性和保密性,因而在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用。

此外,随着半导体技术和新型材料的发展,热释电红外探测器的防误报能力、控制范围与可靠性都有了很大程度的提高,可以满足多数环境下的使用要求,因此,在防盗、报警、安全、自动控制等方面,热释电红外传感器比其他类型的传感器应用更为广泛。

1　热释电红外探测器的分析1.1　红外辐射概述在自然界中,任何高于绝对温度(-273℃)的物体都能够产生红外光谱,红外光的波长范围在0.76～1000μm,红外光谱学中将1～15μm称为近红外波段;15～50μm为中红外波段;50～1000μm 为远红外波段。

温度不同的物体,其释放的红外光的波长就不同,因此,红外光的波长与物体温度的高低是相关的。

由于红外辐射与物质相互作用时产生了热效应,能将肉眼看不见的红外辐射转变为可测量的物理量,依据这一原理,可做成红外辐射探测器。

1.2　热释电红外探测器的结构热释电红外传感器的结构如图1所示,通常由热释电晶体、氧化膜、滤光镜片、结型场效应管FET 和电阻等部分组成。

热释电晶体一般采用PZT或其他压电晶体材料,将敏感材料PZT的上、下表面做成电极,并在其上表面上加1层黑色氧化膜,以提高转换效率。

在管壳顶端装有滤光镜片,它可以阻止不需要的红外线或其他光线进入传感器。

防盗报警系统中的热释电传感器采用的滤光片厚度为8～14μm,而人体辐射的红外线波长在10μm左右,因此,该传感器能敏锐地探测到是否有人进入了禁区。

由于热释电传感器的输出阻抗极高,而输出电信号微弱,故在其内部装设场效应管(FET)及偏置电阻,以进行信号放大及阻抗匹配。

图1　热释电传感器的结构1.3　热释电红外探测器的工作原理热释电红外传感器内部的热释电晶体具有极化现象,并且随温度的变化而变化。

当恒定的红外辐射照射在探测器上时,热释电晶体温度不变,晶体对外呈电中性,探测器没有电信号输出,因而恒定的红外辐射不能被检测到。

当交变的红外线照射到晶体表面时,晶体温度迅速变化,这时才发生电荷的变化,从而形成一个明显的外电场,这种现象称为热释电效应。

由于热释电晶体输出的是电荷信号,不能直接使用,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N沟道结型场效应管接成共漏形式(即源极跟随器)来完成阻抗变换。

报警电路中通常采用双探测元热释电红外传感器,其结构示意图如图2所示。

该传感器将两个特性相同的热释电晶体逆向串联,用来防止其他红外光引起传感器误动作。

另外,当环境温度改变时,两个晶体的参数会同时发生变化,这样可以相互抵消,避免出现检测误差。

该传感器使用时,D端接电源正极,G端接电源负极,S端为信号输出。

图2　双探测元热释电红外传感器结构示意图2　被动式红外报警器的结构原理2.1　被动式红外报警器的组成框图被动式红外报警器的组成如图3所示。

物体射出的红外线先通过菲涅尔透镜,然后到达热释电红外探测器。

这时,热释电红外探测器将输出脉冲信号,脉冲信号经放大和滤波后,由电压比较器将其与基准值进行比较,当输出信号达到一定值时,报警电路发出警报。

图3　被动红外报警器的组成框图菲涅尔透镜是根据法国物理学家FRES NE L 发明的原理,采用PE (聚乙烯)材料压制而成的。

菲涅尔透镜是多焦距的,因而其各个方向与不同距离对光线的灵敏度能保持一致。

透镜与热释电红外探测器配合,可以提高传感器的探测范围。

实验证明,如果不安装菲涅尔透镜,传感器探测距离为2m 左右,而安装透镜后有效探测距离可达10～15m ,甚至更远。

这是因为移动的人体或物体发射的红外线进入透镜后,会产生交替出现的红外辐射“盲区”和“高敏感区”,从而形成一系列光脉冲进入传感器,该光脉冲会不断地改变热释电晶体的温度,使其输出一串脉冲信号。

假如人体静止站立在透镜前,传感器无输出信号。

图4为菲涅尔透镜检测示意图。

图4　菲涅尔透镜检测示意图2.2　电路原理图根据图3被动式红外报警器的组成框图,本文设计了一种新型红外报警电路,其工作原理图如图5所示。

图5　红外报警器工作电路 该电路采用P288型热释电红外传感器作为敏感元件,能以非接触方式检测出人体辐射出的红外能量,并将其转化为电信号输出。

该传感器外接12V 电源,内部装有菲涅尔透镜,检测区域为球形,有效警戒距离为12～15m ,方向角为85°。

当红外警戒区内无移动物体时,传感器无输出信号,报警电路不工作;当有人闯入警戒区时,只要人体移动,其辐射出的红外线便会被热释电红外传感器所接收,并输出微弱的电信号。

该信号经运算放大器A1和A2放大后,会输出一个较强的电信号。

再输送给由A3和A4组成的双限电压比较器。

经过计算可知,该比较器的两个门限电压分别为2.9V 和7.4V,当A2输出的电压>A3的基准电压7.4V 时,A3输出高电平;当A2输出的电压<A4的基准电压2.9V 时,A4也输出高电平。

这个高电平信号经反向器A5变成低电平信号,作为单稳态触发器I C1的触发信号。

单稳电路触发翻转后,输出高电平,驱动三极管T1导通,继电器K1工作,其常开触点K1-1闭合,报警电路发出警报。

电路中的旁路电容可以起到防止干扰的作用。

电路中的单稳触发器组成延时电路,延时时间由R 17和C 8确定,按照电路给定的参数可以计算出,延时时间为10s 。

当低电平触发单稳电路翻转,进入暂稳态后,报警电路工作,报警时间大约10s 。

被动红外传感器对人体的敏感程度与人的运动方向有很大关系,它对于径向的移动反应极不敏感,而对于横切方向(即与半径垂直的方向)的移动则极为敏感。

使用时,应选择合适的安装位置,避免红外探头误报,以获得最佳的检测灵敏度。

(下转第31页)水剂,其性能指标分别为:含固量35%,减水率26%,Na2S O4含量2.0%,pH值7.5。

3　耐热混凝土的配合比试配及确定耐热混凝土的配合比不仅要满足耐热性能的要求,还必须满足强度与施工性能的要求。

本着在保证混凝土强度及施工性能的前提下,尽量减少水泥用量、降低水灰比。

经过大量的试配试验和试验结果分析,选出了符合设计要求的最佳配合比。

耐热混凝土的配合比及试验结果见表4。

表4　耐热混凝土的配合比及试验结果材料用量/(kg/m3)抗压强度/MPa水泥矿粉高铝粉细骨料粗骨料外加剂水烘干1)残余2)常温3) 3609010064396413.523033.214.335.6 1)烘干抗压强度:耐热混凝土试块在常温下养护7d后,以(20～30)℃/h的烘干升温速度,在(110±5)℃条件下烘干8h,自然冷却至室温后的抗压强度;标准要求烘干强度≥设计强度等级;2)残余抗压强度:耐热混凝土试块在常温下养护7d后,以(20～30)℃/h的烘干升温速度,在(110±5)℃条件下烘干8h,自然冷却至室温后,放在加热炉中以≮150℃/h的升温速度升至极限温度,恒温4h后自然冷却,将冷却试样放在干燥空气中养护10d后的抗压强度;标准要求残余强度≥30%烘干强度;3)常温抗压强度:耐热混凝土试块在常温下养护28d后的抗压强度。

由表4可以看出,拌制混凝土的烘干抗压强度、残余抗压强度及常温抗压强度均达到了设计要求。

采用此配比拌制的混凝土的和易性、粘聚性良好,出机坍落度为160mm,拌合物的性能符合泵送施工的要求。

现场共留置5组混凝土试块,试块强度全部合格,且试验结果的离散性很小,完全符合设计要求。

现场留置试块的抗压强度见表5。

表5　现场留置试块的抗压强度M Pa 试块组号12345平均值烘干抗压强度30.628.429.230.131.029.9残余抗压强度12.210.911.311.612.411.7常温抗压强度32.430.431.233.033.632.14　耐热混凝土生产质量控制为了保证耐热混凝土的质量,除了要严格执行配合比以外,还应注意以下几个方面的问题:(1)耐热骨料中严禁混入石灰石等普通混凝土用的石子。

(2)严格控制混凝土的水灰比,在生产及施工过程中不得随意加水。

(3)由于粗细骨料的保水性差,浇注过程中要分层浇注,振捣要均匀且时间不宜过长,避免出现泌水、离析的现象。

4　结语该工程混凝土浇注完毕并交付使用后,通过观察未出现任何问题,使用效果良好。

说明该耐热混凝土的所选材料及配合比是可行的,取得了良好的经济效益,也为今后类似混凝土工程的施工积累了经验。

参考文献:[1]赵述智,王忠德.实用建筑材料试验手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1998.[2]郭运杰,王元光,王旭斌.耐热混凝土的试验研究与工程应用[J].广东土木与建筑,2004,(6):44-45.作者简介:卢伟杰(1979-),男,山东莱州人,助理工程师, 2003年7月毕业于济南大学材料科学与工程专业,现从事混凝土研究与施工工作。

收稿日期:2007-08-28(编辑　郭毅伟) (上接第17页)3　结语被动红外探测器的特点是不需要附加红外辐射光源,因而使用简单、方便。

双元探测器的使用,提高了系统的可靠性。

对于小老鼠等小动物,由于其仅能在其中一部分元件上产生信号,一般不会触发报警。

所以,该传感器可以应用在较复杂的环境中,不会发生误报。

目前,热释电红外探测器不仅可以用于被动红外报警器中,还可以用于自动控制、接近开关、遥测等其他领域。

参考文献:[1]吴英才,林华清.热释电红外传感器在防盗系统中的应用[J].传感器技术,2002,21(7):47-48.[2]徐旻.电子基础与技能[M].北京:电子工业出版社,2006.[3]黄继昌,乔苏文,张海贵,等.实用报警电路[M].北京:人民邮电出版社,2005.作者简介:程素平(1971-),女,山西洪洞人,讲师、硕士, 1994年7月毕业于太原理工大学电力系统及其自动化专业,2007年6月研究生毕业于山西大学无线电物理专业,现从事机电专业的教学工作。

收稿日期:2007-09-10(编辑　郝卫明)。