被动型热释电红外线报警器的研究

　　摘要：本文主要介绍了热释电红外传感器的组成和工作原理，研究了被动型热释电红外报警器的结构及无线报警的应用电路。该报警器能探测人体发出的红外线，主要由红外人体热释探测器和报警主机两部分组成，当有人进入监视区域内时，即刻以无线的方式向主机发送报警信号，用于完成红外探测与无线传送报警信号等功能，并讨论其特点及应用。

　　关键词：热释，电红外线，报警器，研究

　　作者：于姗姗

　　【分类号】：TP277

　　热释电无线防盗报警器的组成原理

　　红外探测电路主要由红外人体热释传感器RE200B和人体热释处理芯片BISS0001以及其外围元器件组成，其主要是完成红外探测及报警信号处理等功能。红外人体热释传感器RE200B将信号送入芯片BISS0001进行处理，经过BISS0001的运算放大、电压比较、以及延时等处理后，通过三极管Q1驱动报警指示灯D2及无线发射电路的使能端进行报警。

　　热释电效应与菲涅耳透镜

　　当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度，图3表示了热释电效应形成的原理。

　　能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件，其常用的材料有单晶（LiTaO3等）、压电陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）。

　　热释电传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有ΔT的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷ΔQ，即在两电极之间产生一微弱电压ΔV。由于它的输出阻抗极高，所以传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷ΔQ会跟空气中的离子所结合而消失，当环境温度稳定不变时，ΔT=0，传感器无输出。当人体进入检测区时，因人体温度与环境温度有差别，产生ΔT，则有信号输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出，所以这种传感器能检测人体或者动物的活动。热释电红外传感器的结构及内部电路见图4所示。传感器主要有外壳、滤光片、热释电元件PZT、场效应管FET等组成。其中，滤光片设置在窗口处，组成红外线通过的窗口。滤光片为6mm多层膜干涉滤光片，对太阳光和荧光灯光的短波长（约5mm以下）可很好滤除。热释电元件PZT将红外信号的微弱变化转变为电信号，为了只对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅耳滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。

　　考虑透镜的参数主要有：光通量、不同透镜同心度、厚度不均匀性、透镜光轴与外形同心度、透过率、焦距误差等。菲涅尔透镜窄带（视窗）的设计一般都是不均匀的，自上而下分为几排，上面较多、下边较少，一般中间密集、两侧疏。因为人脸部、膝部、手臂红外辐射较强，正好对着上边的透镜；下边较少，一是因为人体下部红外辐射较弱，二是为防止地面小动物红外辐射干扰。

　　被动式热释电红外传感器的工作原理与特性

　　在自然界，任何高于绝对温度（-273K）的物体都将产生红外光谱，不同温度的物体释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低是相关的，而任何物体由于本身的物理和化学性质的不同、本身温度不同所产生的红外辐射的波长和距离也不尽相同，通常分为三个波段。

　　近红外：波长范围0.75～3μm

　　中红外：波长范围3～25μm

　　远红外：波长范围25～1000μm

　　人体辐射的红外光波长3～50μm，其中8～14μm占46%，峰值波长在9.5μm。被动式红外传感器就是靠探测人体发射的红外线而进行工作的。红外线通过菲涅耳滤光片增强后聚集到热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后经检测处理后就能产生报警信号。被动红外传感器，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元件，而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。

　　被动式热释电红外传感器的优缺点

　　不同于主动式红外传感器，被动红外传感器本身不发任何类型的辐射，隐蔽性好，器件功耗很小，价格低廉。但是，被动式热释电传感器也有缺点，如：

　　1、信号幅度小，容易受各种热源、光源干扰；

　　2、被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被接收；

　　3、易受射频辐射的干扰；

　　4、环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度下降，有时会造成失灵；

　　5、被动红外探测器的主要检测的运动方向为横向运动方向，对径向方向运动的物体检测能力比较差。

　　利用热释电红外传感器监测环境变化，进行无线信息传输进而完成报警功能的设计方式，结构简单、成本低廉，可以实现多点与主机之间的信息交流。系统利用无线信息发送、接收的方式使整个报警过程更加隐蔽，子机小巧、简洁，可以安装在隐蔽的角落，单独为一体。同时主机组成元件也可以集中在一个相对小的版面上。

　　以上仅讨论了利用热释电红外线传感器监测有无人闯入的情况，如果增添新的传感器，如温度、湿度，则可以利用相同原理进行对温度、湿度的监测。亦可将本报警器的接收主机配以智能电话报警芯片，用于实现远程电话报警，具有很强的可扩展性，有较高的使用价值。