一种热释电红外报警系统的设计与仿真

史雅琪 韩建新 张丽娟 赵岩 杨国全

(晋中学院 山西 晋中 030619)

伴随社会的发展，多数公民的安全意识有了明显的改善，对于所处环境的安保意识也有很大的提升，然而现行报警系统对不速之客的检测灵敏度仍有待加强。因此，只有推动安全防护体系的建设，才能有效地应付当今的挑战，增强报警系统质量的提升。因红外光为不可见光，保密性和隐蔽性强，所以被广泛应用于防盗、报警等安保系统以及运动目标识别[1-3]。

本文所使用的热释电红外传感器，能以无接触的方式侦测到人体所发出的红外线，再转化为电压信号其中采用的双探测元方案可提高探测的灵敏度。这种由热释电红外传感器组成的报警器制作简单，并能将红外线的辐射转化为电压，有造价低、灵敏度高、安装隐蔽的优点[4]，当移动物进入报警器监视范围时，就能发出警报，是优良的报警系统。

1 热释电红外传感器

1.1 热释电效应

在自然界中，当物体的温度高于绝对零度（-273 ℃）时，就可以产生一种特殊的现象，即其能量将以光速传输，且持续释放出红外线。被测对象发射出的红外线的能量取决于被测对象的温度T和发射出的红外线的峰值波长的λm。物体辐射的能量大小为λm·T=2 988≈3 000（μm·K）。随着被测对象自身的温度升高，相应的，它所发射出的红外光波的峰值波长变得更短，从而产生更强的红外辐射。在红外光照射下，一些绝缘材料，如钛酸铅、钽酸锂等，它们的表面和内部的物理性能都可能发生变化，引起自身温度的升高。这种现象叫作红外辐射的热效应[5]。

通常，由于绝缘体中没有载流子，因此其自身不具有传导性，但是一切绝缘体都是由带电微粒构成，在外部施加电压作用时，绝缘体的电介质就发挥了重要的功效，带电微粒会在电介质中发生相对位移，带有正电的颗粒将移向负极，而带有负电的颗粒将移向负极。随着微粒的移动，使电介质的一面带正电，另一面带负电，从而形成了被称作电极化的物理特性。一些绝缘材料，如钽酸锂，即使去掉电压，也会被极化，这种现象称之为自发性极化现象。温度升高，自发极化强度减小；反之，随着温度的降低，它的强度就会上升[6]。

因红外线的强热效应特性，当红外线光照射到一些绝缘物质的晶体表面时，晶体的温度会突然改变，此时就会产生电荷，从而产生显著的外电场，这就是热释电效应。如果释放出的电荷经过放大器放大成一种控制信号，根据这一原理制作出来的红外传感器器件称之为热释电红外传感器[6]。从上面的分析可知，热释电红外传感器是将热量变化的大小转化为电能变化大小的一种能量转换装置。

1.2 热释电红外传感器的构造

热释电红外传感器的结构如图1 所示，它包含了负责转化能量的热释电晶体、提高转换效率的氧化膜、提高灵敏度的滤光镜、放大信号的结型场效应管以及相应的匹配电阻等部分。目前，热释电晶体普遍使用电晶体材料是以锆钛酸铅压电陶瓷为主，将敏感材料压电陶瓷的上下两面作为电极，以压电陶瓷的上下两面作为电极，同时在电极的表面涂覆一层黑色氧化物薄膜，可极大地高电晶体材料的光电转换效率。为了对波长约10 μm的人体红外线有较高的辐射灵敏度，这种允许波长在8～14 μm范围的红外线辐射通过的滤波镜，可以抑制可见光和其他红外线辐射[7]，所以滤光镜被安装在管壳顶部，使传感器能敏锐地这样传感器就可以灵敏地探测到有无人员进入禁区。因为热释电传感器的输出阻抗非常高，而输出电信号却很弱，所以在热释电传感器内部装有偏置电阻与场效应管（Field Effect Transistor，FET），用于信号放大与阻抗匹配[8]。

图1 热释电传感器的构造

1.3 热释电红外传感器工作原理

热释电红外传感器其自身无法发射能量，因此这种传感器又被称为被动式红外传感器，其工作原理是通过接收自然界中的能量或能量变化，从而实现对周围环境和物体温度、湿度等基本参数的检测和调节。由热释电效应的原理可以看出，当温度升高时，热释电晶体将受到影响，导致其表现出极化现象。在热释电式红外传感系统中，热释电晶体输出的是带电信号，无法被直接利用来进行测量，这就限制了它们的有效性。因此，为将其转化为电压形式，必须使用高达104MΩ阻抗的电阻，所以N沟道结型场效应管被引用，并以共漏（也就是源极跟随器）的方式进行连接，从而实现阻抗变换[1]。

双探测元热释电红外传感器是报警电路的重要组成部分，具有良好的稳定性和可靠性，它的结构示意图如图2所示，为了避免其他以外光源对传感器的干扰，采用了将两块性质完全相同的热电晶体反向串联的方法。另外，随着外部温度的变化，两个晶体的参量也会同步改变，这样就可以互相抵消，从而有效地减少检测误差的出现。在采用这种传感器的情况下，将电源的正极连接到D端，将电源的负极接在G端，并将信号端的输出端设置到S端[8]。

图2 双探测元热释电红外传感器构造示意图

2 电路设计

2.1 电路设计框图

在实现无接触探测的热释电红外报警电路中，采用热释电红外传感器作为其核心器件，用来将人体红外辐射变化信号转化为电信号；为了提高热释电红外传感器的灵敏度和器件响应速度，使用了菲涅尔透镜汇聚发散的光[9]；接着热释电红外传感器输出的电信号即脉冲信号被放大滤波电路进行放大和滤波；最后，放大滤波后的信号被电压比较电路将其电压与基准电压进行比较，当放大滤波后的信号达到某一数值时，延迟报警系统就会自动发起警告，其电路框图如图3所示。

图3 被动式红外报警电路的构成框图

菲涅尔透镜通常由聚烯烃或玻璃制成，具有多焦距的特点，其能够在不同的距离下，对光线的灵敏度保持一致，从而提供准确的测量结果。大多数菲涅尔透镜的制作工艺都采用了注压技术，使它们能够更好地捕捉到光线的变化。通过将该透镜与热释电红外传感器相结合，可以大大提升传感器的检测能力，因为当人体或物体移动时，会产生“盲区”和“高敏感区”的红外辐射，这些辐射会不断地影响热释电晶体的温度，并发出一连串的脉冲信号，从而使传感器能够更好地检测到周围环境的变化，实现更广泛的检测范围[10]。当人体处于静止状态时，传感器不会产生任何的输出信号。图4为热释电红外传感器原理图。

图4 热释电红外传感器原理图

2.2 工作原理

本文所分析的热释电红外报警电路图如图5 所示，它用来检测人类活动的热释电人体红外传感器是常用的SD02型。一旦发现有异常，红外传感器将立即发出一个幅值为1 mV的交流电压，其电压的频率取决于人类的活动速度。因此可以通过调整红外线的电压来检测异常状态，从而及早发现异常，并及早进行处理。由于人在正常行走的速率下，其频率大约为6 Hz左右，因此本文所研究电路选用频率为6 Hz 的正弦交流信号源V1与开关S1来代替热释电红外传感器[7]。开关闭合代表监测范围内有人体移动，开关断开代表没有检测到人体移动。

图5 热释电红外报警电路

当检测到有人体移动（即开关闭合）时，传感器接受信号并发出较小的电信号。该信号经同相比例放大器U1后，放大了Auf1=1+=1+≈112 倍，再经反相比例放大器U2后，放大了Auf2==≈-42倍，因此，由传感器发出的微弱信号经由U1和U2构成的两级放大器后共放大了-4 704倍。放大后的信号再传输给由U3和U4构成的双限电压比较器，双限电压比较器可以根据不同的环境条件来调节其电平，如果被放大的信号电压比U3的基准电压3 V 大时，则U3就会以高电平的方式输出，而U4就会以低电平的方式输出；在放大后的电压比U4的基准电压2 V 小的情况下，U4以高电平的方式输出，U3以低电平的方式输出。在上述两种情况下双限电压比较器都是输出高电平；在2 V＜放大后的电压＜3 V的情况下，双限电压比较器就会输出低电平。并且这一低电平还可以用来触发555定时器构成的单稳态触发器，也就是说当输入信号每出现一次负脉冲信号，触发器将由稳态翻转至暂稳态，实现延时功能[11-12]，延时时间为

在单稳态触发器的输出为低电平时，三极管Q2截止，继电器K1处于关断状态，此时报警电路失效；在单稳态触发器的输出为高电平时，三极管Q2导通，继电器K1被启动，其常开触点闭合，蜂鸣器发出警报，灯泡开始闪烁，报警系统工作。

在设计中，为使报警电路与信号发生电路分离，采用继电器连接两个电路，在报警电路中使用220 V 的交流电源进行供电，确保蜂鸣器与灯泡的功率足够大，达到更好的报警效果[13]。

2.3 电路仿真结果

电路仿真采用Multisim 14 软件来实现，在该软件中绘制电路图如图5所示。闭合开关S1，单击“运行”。可以采用示波器来测量单稳态触发器的输入输出电压波形，波形图如图6所示。

图6 单稳态触发器的输入输出波形

图6 中，XCS2 示波器的通道A 即第一个波形测量的结果是单稳态触发器的输入信号波形，通道B 即第二个波形表示单稳态触发器的输出信号波形。由图可知，当输入信号出现一次低电平脉冲时，电路会产生一个固定宽度的脉冲，其时间长度为110.785 ms。

当闭合开关后，报警电路开始启动，蜂鸣器发出警报，灯泡开始闪烁。图5中XSC3测量的是热释电红外报警电路的输入输出电压波形，波形图如图7所示。

图7 热释电红外报警电路的输入输出波形

通道A（第一个波形）表示热释电红外报警电路的输入信号的波形，通道B（第二个波形）表示输出信号的波形。报警时间（即图7 中T2—T1 的时间）为112.544 ms。

由图7可知，当开关S1断开后，蜂鸣器与灯泡停止报警与闪烁，波形图无信号输入输出，当开关S1闭合后，输入信号触发，一段时间后出现输出信号，仿真结果均达到理论结果。

3 结语

热释电红外传感器具有易操作、无须额外红外辐射光线照明源的优势。这些优势使它的应用更加便捷。而双探测元热释电红外传感器可以检测到一些非探测对象，如小动物，而不会引发报警，从而大大提升了系统的稳定性和可靠性。本文研究以热释电红外传感器为基础的报警电路，从理论出发通过分析热释电红外传感器的工作原理以及其他如放大滤波电路、电压比较电路和延时报警电路，并将以上各电路连接成一个完整的系统。利用Multisim 14 软件对电路进行仿真，实现了当人体进入监控范围内即有输入信号时，电路开始报警；当人体不在监控范围内即无输入信号时，电路停止报警。同时，通过仿真可以直观地看出各电路与系统电路的输入输出波形的变化，从波形图中提取数据验证了理论分析结果与仿真分析结果的一致性，对热释电红外报警电路的研究具有应用意义。