主/被动红外探测器及其核心器件的原理和选用 - 安防知识网

随着人民生活水平的提高，对安全的要求也水涨船高。其首选的安全防范装置就是防盗探测器，其中企事业单位与个人用户主要以红外探测器的选用为主，有部分工程和营销人员对被主动红外探测器最核心的探测器件的基本原理不清，本文将对该类产品做一解析。\r\n

主动式红外探测器中红外接收器的工作原理\r\n主动红外探测器能主动发射红外光，即当被探测目标侵入所防范的警戒线时就会遮挡掉红外发射机与接收机之间的红外光束，我们把这种能响应被遮挡红外光束，并进入报警状态的电子装置称为主动红外探测器。下面介绍一下能接收红外光束的光电探测器。\r\n由于同质半导体硅不同的掺杂形成的PN结、不同质的半导体组成的异质结，或金属与半导体接触形成的肖特基势垒都存在内建电场。当光照这种半导体时，半导体对光的吸收就产生了光生电子和空穴，它们在内建电场的作用下就会向相反的方向移动和积聚而产生电位差。这就相当于向PN结加上一个正电压，就是光生电动势。如果将这样的PN结与外电路相连，就有电流流过外电路，从而在负载电阻上得到一个随入射光变化的电压信号。这就是不加电源，能将光信号转变为电信号的光电池的工作原理。\r\n与上述光电池不同，光敏二极管一般在负偏压情况下使用，由于施加了大反偏压，增加了耗尽层的宽度和结电场。这样，在结区强电场的作用下，在耗尽层中产生的电子—空穴对不必经过引起复合的扩散过程，就可对电流作出贡献，显然，提高了光敏二极管的灵敏度。但值得注意的是，为了提高灵敏度及响应时间，却不能无限地加大反向偏压，因为它会受到PN结表面漏电及反向击穿电压等因素的限制。\r\n光敏三极管是一种相当于在基极和集电极之间接有光电二极管的普通三极管，在正常工作情况下，此光电二极管应反向偏置。因此，不管是P—N—P还是N—P—N光敏三极管，一般用基极—集电极结作为受光结。当集电极加上相对于发射极为正电压且基极开路时，基极—集电极结处于反向偏压下。它的工作机理完全与反偏下的光敏二极管相同。这里，入射光子在基区及收集区被吸收而产生电子—空穴对，形成光生电压，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了的信号电流。因此，从这点可以更明确地说，光敏三极管是一种相当于将基极集电极光敏二极管的电流加以放大的普通晶体管放大器。\r\n主动式红外接收探测器就是用半导体硅作成的硅光电池、硅光电二极管或硅光电三极管，它们同硅CCD一样，能接收400nm—1100nm的可见光与近红外光。\r\n\r\n主动式红外探测器的工作原理\r\n主动式红外探测器的工作原理方框如图1所示。\r\n由图1知，主动红外探测器的发射机发出一束经调制的红外光束，被红外接收机接收，从而形成一条红外光束组成的警戒线。当被探测目标侵入该警戒线时，红外光束被部分或全部遮挡，此时接收机接收的信号就会发生变化，它经放大与信号处理后，即控制发出报警信号。\r\n主动红外的发射光源，通常用红外发光二极管，其特点是体积小、重量轻、寿命长、功耗小，交直流供电都能工作，晶体管、集成电路都能直接驱动。还有一些半导体激光器，如砷鎵铝双异质结半导体激光器等，也工作在红外波段，因而也是一种主动红外探测器。主动红外探测器的光源通常采用脉冲调制的脉冲波形，其发射机采用自激多谐振荡器作为调制电源，使它产生很高占空比的脉冲波形，去调制红外二极管发光，以发射出红外脉冲调制光谱。这样，就降低了电源的功耗，提高了灵敏度，和系统抗杂散光的干扰能力。\r\n对光束遮挡型的探测器，要适当选取有效的报警最短遮光时间。因为遮光时间选得太短，会引起不必要的噪声干扰，如小鸟飞过、小动物穿过都会引起报警；而遮光时间选得太长，又可能导致漏报。因此，通常以10m/s的速度通过镜头的遮光时间，来定最短遮光时间。如人的最小宽度为20cm，则最短遮断时间为20cm/(10m/s)=20ms。所以，最短遮光时间大于20ms，系统报警；遮光时间小于20ms，则不报警。\r\n主动红外探测器多采用双光路，可提高其抗干扰、防误报的能力。这种主动红外探测器寿命长、价格低、易调整，因此被广泛使用在电视监控报警系统工程中。\r\n当主动红外探测器用在室外自然环境时，比如无星光和月亮的夜晚，以及夏日中午阳光的背景辐射的强度比可超过100dB时，这就使接收机的光电传感器工作环境相差太大。通常采用截止滤光片，滤去背景光中的极大部分能量（主要滤去可见光的能量），使接收机的光电传感器在各种户外光照条件下的使用条件基本相似。\r\n此外，大雾还会引起传输中红外光的散射，缩短主动红外探测器的有效探测距离，在安防工程中必须考虑。如实测某红外探测器：在无雾时有效探测距离7km；浅雾时有效探测距离2.5km；轻雾时有效探测距离1km；中雾时有效探测距离0.6km；重雾时有效探测距离0.3km。\r\n激光与一般光源相比，有方向性好、亮度高、单色性好、相干性好等特点，所以当要求距离远时，可采用红外半导体激光器来代替红外发光二极管作红外光源。由于能量集中，可以在光路上加反射镜，反射激光，围成光墙。从而用一套激光探测器可以封锁一个场地的四周，或封锁几个主要的通道路口。\r\n主动式红外探测器的选择安装调试\r\n主动红外探测器的选购要点\r\n1、对白光的过滤能力\r\n所谓过滤白光，主要是过滤太阳光等自然光和车头灯等人工光，因为硅光电接收探测器对这些光都可以接收，所以必须滤除。目前一般都采用二种方法：一是使用阻止白光通过的特殊材质的外壳，看起来是黑色的，能阻断全部可见光；二是使用特殊设计的菲涅耳镜片，其投光器可将特定波长的信号红外光按一定角度发出去，而受光器只接收以特定角度入射的这一特定波长的红外光，它经折射后形成园锥形聚焦到硅光电传感器的感光面上，这样就将其他非信号光过滤掉了。\r\n2、探测距离及其余量\r\n要了解主动红外探测器的探测距离，并且其探测距离余量不得少于6倍。否则，不能保障探测器能够在最恶劣的气候条件下正常工作。\r\n3、光束数量与频率\r\n目前，主动红外探测器的光束数量有一、二、三、四光束四种，频率有单一固定频率、可选频率和可调频率三种，可根据实际需要选取。一般，光束数量越多，越难被树叶与小动物等同时遮断，因而可有效排除单光束因遮挡而产生的误报。此外，利用不同频率的主动红外对射，还可有效解决因系统中的对射红外光散射而造成对其他对射的干扰，以避免漏报。　\r\n4、使用温度与响应时间\r\n由于主动红外探测器多在室外使用，因而必须要适应环境温度的变化。一般要求在－35℃—55℃为好，太低或太高的温度都会影响电子电路及元器件的正常工作。\r\n一般，红外线的切断时间在50ms—500ms，因此产品的响应时间应该可以根据需要进行调整。\r\n5、外观工艺及有否密封\r\n因主动红外探测器应用于室外，所以在设计上与制作工艺上要更加严格。不但需要外形美观牢固，还要采用橡胶密封圈等来对外壳进行密封。\r\n6、有否防雷电措施 \r\n雷电冲击有直接和感应两种：直接雷电冲击的电能扩散量很大，大到迄今没有任何措施可防止电子设备不受破坏，但发生的概率相对很小。感应冲击常是带电的云层运动或附近的雷电冲击引起的，它们都会在电气回路中感应出电涌电压，从而引起电子设备损坏。一般，在产品中都安装有电涌吸收管，以保障产品在雷电多发地区能正常工作。其防雷指标，以千伏(kV)表示。\r\n7、调试是否方便，有否光束对准指示\r\n一般，主动红外探测器均可进行水平和垂直范围的调节，其方法是，通过一端的检像器观察另一端是否处于检像器的中间位置。并且，应当有光束对准指示，一般为LED指示灯。指示灯亮为光束未对准，旋转对准后即熄灭。有的好的主动红外探测器还有微调进行精细对准，其方法是在接收端用万用表从检测口检测光电接收器输出的电压，当微调处于最大电压值时，即为找到的最佳最稳定的最大信号接收位置。\r\n8、电磁兼容性EMC及认证合格证\r\n看产品是否作到电磁兼容性EMC，有否电磁屏蔽与滤波电路等措施，如有则可防止对外电磁辐射，消除外界射频等电磁干扰信号以及内部电路与元器件噪声等干扰。这样，有认证合格证即可。\r\n9、供给电源、功耗与寿命\r\n主动红外探测器的电源的连接要方便，其电压与电流的大小决定其功耗的大小，一般希望功耗越小越好。电路设计的合理性与所选用的元器件的质量，决定产品的使用寿命。\r\n主动红外探测器的安装使用要点\r\n1、按方向安装在稳固的物体上，并使发射与接收器在同一高度上。首先，将主动红外探测器对，根据所需布防的距离与方向，一定要安装在稳固的物体上。因为发射器与接收器距离较远时，轻微的晃动就会引起误报警。并且，还要使发射器与接收器尽可能地安装在同一高度上，以方便光束对准调试。\r\n2、要避开树叶摇晃及晾晒衣物等的影响。主动红外探测器是防备人的非法通行，中间要严格防止树叶摇晃及晾晒衣物等，对红外光束的遮挡引起的误报。\r\n3、避免红外光束的交叉误射。当使用多对主动红外探测器，用来组成警戒封锁区或警戒封锁网，乃至组成立体警戒封锁区时，千方要各对主动红外探测器使用不同的频率，要尽量避免红外光束的交叉误射。否则，容易引起失误。\r\n4、线路不能明敷，要穿管暗设。为防止主动红外探测器的供电线路被人破坏，不能明敷，必须穿管暗设。\r\n5、安装位置要能防宠物与小动物等引起的误报。一般，设置在通道上的主动红外探测器，探头的位置一般应距离地面50cm以上；栅栏与围墙顶上安装的红外探测器，其探头位置应高出栅栏与围墙顶25cm，以防小猫小鸟等引起误报。如果是在栅栏与围墙靠近顶部的侧面作墙壁式安装，可避开小猫小鸟等的活动干扰。\r\n\r\n被动式红外探测器中热释电探测器的工作原理\r\n被动式红外探测器中的核心器件——热释电探测器是基于热释电效应的原理工作的，它是一种对波长无选择性的将热能转换为电能的热电探测器，并且是一种交流器件。因此，它对恒定不变的温度无响应，只能探测响应有变化的温度。\r\n一般，电介质的内部没有载流子，所以没有导电能力。但它也是由带电的粒子——电子、原子核等组成的。在外加电场的情况下(如加上电压)，带电的粒子也要受到电场力的作用，其正电荷总是趋向阴极，而负电荷趋向阳极，虽然其移动距离很小，但其结果使电介质的一个表面带正电，相反的表面带负电。如图2所示，通常我们称这种现象为“电极化”。\r\n对大多数电介质来说，在电压除去后，极化状态随即消失，带电粒子的运动又回复到原来状态。但是，有一类被称为“铁电体”的电介质，如图3（b）所示，在外加电压除去后仍保持着极化状态。这就是所谓“自发极化”。一般铁电体的极化强度Ps（单位面积上的电荷）与温度有关，温度升高，极化强度减低。升高到一定温度，自发极化就突然消失，这个温度称为“居里温度”或“居里点”。在居里点以下，极化强度Ps是温度的函数，利用这一关系制造的热电探测器，称为热释电探测器。\r\n当红外辐射照射到已经极化了的铁电薄片上时，引起薄片的温度升高。因而表面电荷减少，这就相当于“释放”了一部分电荷。释放的电荷可用放大器转变成输出电压。如果红外辐射继续照射，使铁电薄片的温度升高到新的平衡值，表面电荷也就达到新的平衡浓度，不再释放电荷，也就不再有输出信号。热释电型探测器在稳定状态下，输出信号下降到零，只有在薄片温度的升降过程中才有输出信号，因此在设计制造和应用热释电探测器时，都要设法使铁电薄片具有最有利的温度变化。\r\n由于热释电晶体具有自发极化Ps，晶体的表面应该出现面束缚电荷。在与极轴（即Ps方向）垂直的表面内，面束缚电荷密度等于Ps。但通常这些面束缚电荷被晶体内部的外来的自由电荷所中和，因此觉察不出来。晶体内部自由电荷起中和作用的平均时间为τ=ε/σ，其中ε为晶体的介电常数；σ为晶体的电导率。多数的热释电晶体的τ值在1s到1000s之间。热释电探测器的工作原理如图4所示，用调制频率为f的红外辐射照射热释电晶体，就会使得晶体的温度、晶体的自发极化以及由此而引起的面束缚电荷均随频率f发生变化。如果频率较低，f<1/τ，面束缚电荷将始终被体内自由电荷所中和，因此显不出变化来。但若f＞1/τ，体内自由电荷就来不及中和面束缚电荷的变化，结果就使晶体在垂直于Ps的两端面间出现开路交流电压。如果把这两端面附以电极，并接上负载RL，就会有电流流过负载。总之，当有f＞l/τ的调制辐射照射到晶体时，负载RL的两端就会产生交流信号电压，这就是热释电探测器的工作原理。若温度对时间的变化率为dT/dt，Ps对时间的变化率为dPs/dt。它相当于外电路上流动的电流。设电极面积为A，则信号电压的大小为：\r\n\r\n（此处有公式需要美编画图，请参考打印稿）\r\n \r\n这里dPs/dT就是热释电系数P，当ΔT比较小时，dPs/dT可以看成是常数。输出信号ΔV正比于温度变化的速度，而不取决于晶体与辐射是否达到热平衡。\r\n由此可知，热释电探测器是个交流器件，它所探测的温度必须是变化的，即探测的人体必须是移动的才有效。\r\n\r\n被动式红外探测器的工作原理\r\n任何高于绝对零度的物体都会释放出红外线，温度越高，红外辐射的峰值波长就越短。通常，人体可辐射出中心波长为9μm—10μm的红外线，而热释电探测器的波长在0.2—20μm范围内几乎是不变的，所以我们在芯片表面贴上截止波长为7—10μm的滤光片，于是就可得到只对人体敏感的热释电红外探测器。\r\n热释电探测器用于防盗报警系统的电路构成方框图如图5所示。这是由菲涅尔透镜、热释电传感器、放大器、滤波器、电平比较器、驱动电路、继电器和稳压电源等组成。菲涅尔透镜的构造如图6所示。它是由聚乙烯材料注压而成的薄片，在薄片上压制有三种不同宽度的分格竖条，单个竖条平面实际上是一些同心的螺旋线。它的作用是聚集红外线能量，当人体在菲涅尔透镜前面通过时，它具有将连续的红外辐射分割成断续红外辐射的能力，从而可形成红外脉冲。\r\n由于热释电是交流器件，它只能探测入侵的移动人体。因此，在实际使用中，把探测器放置在所要防范的区域里，那些固定的景物如厂房、展厅、柜台展品就成为不动的背景。背景辐射的微小信号变化，就是背景噪声。\r\n热释电红外探测器有双源、四源等种类，红外源几何形状有方形和交迭形，有模拟式或数字式自动脉冲数调节等。\r\n一般，普通的被动红外探测器虽然有功耗小、隐蔽好、无辐射、价格低等优点，但在有些情况下存在探测能力低和发生误报的缺点。随着现代光电等科学技术的发展，目前新型的被动红外探测器，基本上解决了过去普通被动红外探测器的不足。\r\n\r\n被动式红外探测器的选用\r\n被动红外探测器的选购要点\r\n1、外形工艺与外壳密封性能\r\n外形美观、工艺好，说明生产厂正规；外壳密封性能好，就能防止气流与小昆虫入内引起温度变化能造成误报。\r\n2、探测能力、作用距离与警戒范围\r\n被动红外探测器的探测能力可被泡沫、喷雾（这是入侵者经常使用的手段）、纸、衣物等遮挡而下降，这可看其设备是否采用独特的电子适配器实时防遮挡部件，如有就能监视探测器，防止被遮挡或被破坏。如探测器窗口或靠近探测器的任何区域，被泡沫、金属片、喷雾、帽子、纸板、盒子和衣物等物品所遮挡，都将进入报警状态。在白天模式下，一旦探测器被遮挡，这种遮挡报警会同时显示在防遮挡监视输出继电器和报警输出继电器上。这时，报警继电器会停止，而防遮挡输出会启动，直至遮挡被挪走为止。\r\n然后再看该红外探测器的作用距离的远近与警戒范围的大小，能符合自己的需要就行；最后再看在探测器规定的安装高度下，所警戒的角度与探测器下视区的角度，看有否盲区及其大小等。\r\n3、能否防拆防破坏以及易于安装调试\r\n有的整体结构性能好，具有防拆防破坏功能；有的采用独特的电子线路（带插头）和感应器分开设计技术，使探测器安装更为简便；现在大多有完备的电压监控电子线路和感应器自动的定期自检功能，使调试更为简便。\r\n4、是否采用FSP、自适应处理、温度补偿与防宠物等技术\r\nFSP（First Step Processing）技术：即第一步处理技术（BOSCH中有），该技术根据不同信号源产生的信号幅度、极性、周期以及曲线坡度等指标进行判断，自动调整探测器的灵敏度。因此，可对人体目标即时作出正确反应，而不会受其他信号源的干扰。\r\n自适应处理技术：该技术能对环境干扰自动进行调整，可以适应不同的背景干扰噪声，最大程度地降低误报，且不牺牲对正常移动人体入侵信号的灵敏度。\r\n温度补偿技术：该技术能使人体温度与环境温度极端接近的极限条件下保持一贯的稳定性和灵敏度，以确保在各种环境下(尤其我国南方闷热潮湿地区)均能正常地工作。实际上，虽然体温和环境差别不大，也可通过差分方式迅速侦测出视场里微小的温度变化等。\r\n防宠物技术：现在的被动红外探测器，均有防小宠物过滤功能。如BOSCH的被动红外探测器可以防止13.6kg以下的宠物产生的误报；其三鉴探测器可防止45kg以下的动物产生的误报。\r\n5、电磁兼容性EMC及认证合格证\r\n看有否电磁屏蔽与滤波电路，以及对热释电探测器的信号是否进行数码化处理，如有则可消除外界的射频等电磁干扰信号以及内部电路噪声与热释电感应器的信号的瞬变等干扰。这样，有认证合格证即可。\r\n6、根据需要选择使用温度\r\n在南方使用主要考虑高温，而北方使用则主要考虑低温，还可根据使用地区与室内、外场所的情况而选择。\r\n7、响应时间\r\n当人走进被动红外探测器的作用距离内与警戒范围内时，报警要能及时响应，那种人已走出警戒范围才报警的产品，就不可取。\r\n8、功耗与寿命\r\n整机电源电压与电流的大小决定其功耗的大小，一般家用希望功耗越小越好。整机的使用寿命决定于电路设计的合理性与所选用的元器件的质量，显然用户希望寿命长些好。\r\n\r\n被动红外探测器的安装使用要点\r\n1、严格按照规定的高度安装。通常，严格按产品说明书上规定的高度安装，这样，该探测器才可获得最大探测的有效距离。\r\n2、安装在入侵者最可能通过的地方，并有最佳的角度。通常，被动红外探测器对横向切割探测视区的人体运动最敏感，因而其安装位置应使入侵者通过的路径与探测器视线有最隹的夹角(即900)；若为双鉴探测器，其夹角应为450为好。\r\n3、不要面对玻璃门窗\\冷热通风口或冷热源安装，也不要安装在易振动的物体上。