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1、热释电红外传感器的技术及应用黄杰，余鑫，刘沙沙，吴小康重庆工程学院 400056摘要 热释电效应指的是极化强度随温度改变而表现出的电荷释放现象，宏观上是温度的改变在材料的两端出现电压或产生。热释电传感器内部的热电元件由高热电系数的钽酸锂(LiTaO3)、钛酸钡(BaTiO3)，锆钛酸铅(PZT)等材料组成。这种铁电体的极化强度(单位而积的电荷)随温度变化而变化，其中极化强度的排列使靠近极化矢量两端的表面附近出现束缚。在热平衡状态下，这些束缚电荷被等量反号的自由电荷所屏蔽，所以铁电体对外界并不显示电的作用。关键词 热释电红外传感器；智能检测 ；防盗；计数 一、热释电红外传感器应用与车流量检测系统
2、在城市管理和维护过程中,交通道路的建设尤为重要,合理的安排道路可以保证人们日常工作生活的需要。在市区道路车流管理过程中,车流量是分析道路情况的重要指标,因此,车流量检测的研究也越来越重要。车流量检测的方法一般采用在路面埋设地感线圈和红外检测两种方式。由于红外检测方式具有工程量小的优点,因此,本文采用了红外检测方式对车流量进行检测,即利用热释电传感器为核心元件,配以相应的测量电路和单片机,实现车流量的自动检测、判别、计数和数据传输等功能。（一）热释电效应原理当一些晶体受热时,在晶体两端会产生数量相等而极性相反的电荷,这种由热变化产生的电极化现象被称为热释电效应。当温度变化时,晶体结构中的正负电荷
3、重心发生相对移位,晶体表面产生电荷耗尽,电荷耗尽的状况正比于极化程度。热释电传感器利用的是热释电效应,它是一种温度敏感传感器。当传感器监测范围内温度有T的变化时,热释电效应会在两个电极上产生电荷Q,并在两电极之间产生一个微弱电压V。于热释电元件的输出阻抗极高,因此,传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。 （二）车流量检测放大电路在本设计中,采用新型热释电红外传感器探测外界信息,并将其转换成微弱的电信号输出,再经运算放大器放大及比较器滤去干扰后,所得信号被送入单片机以启动计数器计数,最后通过液晶显示器显示。检测放大电路的原理图如图1所示。图1中:PT为高灵敏度热释电红外传感器,放大器选用LM324
4、集成运算放大器。当检测区间有车辆通过时,PT输出相应的电压脉冲信号,经U1D放大、电容C5隔直后,由U1C进行第二级放大,输出信号进入窗口电压比较器。电位器RW2决定了一个窗口电压区间,低于该电压区间,则或门U3A输出为低电平;高于该电压区间,则或门U3A输出为高电平。或门的输出与单片机T0端和INT0端同时相接。R2和C1构成阻容滤波,其他滤波电路根据测试情况进行调整。RW1是对放大倍数进行调整。当U1C的输出在V1(U1B-)和V2(U1A+)之间时,比较器1(U1B)和比较器2(U1A)均输出低电压,或门U3A输出为低电平;当U1C的输出高于V1(U1B-)时,比较器1(U1B)输出高电
5、平,或门U3A输出为高电平;U1C的输出低于V2(U1A+)时,比较器2(U1A)输出高电平,或门U3A输出为高电平,即U1B和U1A的输出经逻辑或输出脉冲信号到单片机。变阻器RW2用于设定窗口的阀值电平,RW1和RW2可调节检测放大电路的灵敏度,使得低于车辆红外特征的干扰信号被滤除。二、热释电红外传感器应用与果园防盗系统常用的防盗措施如断线报警，沿着果园四周顺着地势高低起伏围上一圈，布线长而繁琐，不易于维护。还有视频监控系统，其投入成本大同时受到时间限制，在夜晚无法工作，而且容易被发觉而使盗贼有所防范。本文采用热释电红外传感器作人体探测，通过吸收人体的红外辐射进行工作，以非接触方式探测入侵人
6、体，隐蔽性好，且不受时间与天气的影响。系统简单而经济，缩短了开发周期。二、热释电探测原理37左右，所发射的红外波长为910m，热释电红外传感器通过其外的滤光片只接收人体辐射的10m左右的红外线，其工作原理是利用热释电效应。热释电效应指的是极化强度随温度改变而表现出的电荷释放现象，宏观上是温度的改变在材料的两端出现电压或产生。热释电传感器内部的热电元件由高热电系数的钽酸锂(LiTaO3)、钛酸钡(BaTiO3)，锆钛酸铅(PZT)等材料组成。这种铁电体的极化强度(单位而积的电荷)随温度变化而变化，其中极化强度的排列使靠近极化矢量两端的表面附近出现束缚。在热平衡状态下，这些束缚电荷被等量反号的自由
7、电荷所屏蔽，所以铁电体对外界并不显示电的作用。当红外光照射到己经极化的铁电体薄片表面上时，引起薄片温度升高，使其极化强度降低表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷，如果将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载电阻上会产生一个电信号输出，从而完成热量到电信号的转换。任何高于绝对零度的物体都会向外辐射红外波。 （一）、系统总体框图但不同温度的物体辐射波长不同。人体的温度恒定在为实现果园防盗系统设计要求，本系统由三部分传感器组成：传感器模块、信号调理模块、报警模块。传感器模块负责接收人体辐射的红外信号，并将其转换为电压信号。信号调理模块主要是对传感器的输出信号放大，滤波，并设置整个探测的延时时间与触发方式。
8、报警模块通过接受信号调理模块输出的控制信号报警，提醒守园人有盗贼入侵。系统原理结构图如图1所示。（二）、系统各模块设计。传感器模块热释电传感器利用热释电效应将变化的温度信号转化成电信号输出。但由于传感器本身探测距离近，探测半径不足2m，因此需在其外加上菲涅尔透镜。菲涅尔透镜对探测器的视野范围进行调制，扩大了探测距离。一方面将人体辐射的红外信号聚焦到传感器上，另一方面将其探测区域分为若干个明区与暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在传感器上产生变化的热释红外信号。同时，为抵消环境温度变化引起的误报，传感器选用双元型，内部2个探测元反向串联连接，抵消环境温度造成的影响。本系统选用的是D
9、203S，其工作波长为714m，噪声2.5V，平均透过率75%。菲涅尔透镜选用8309-1型，角度110，距离12m。由于动物辐射的红外波长与人体相近，因此探测器需要做防宠物设计。人体的高度约为1.5m2m，而猫，狗或老鼠其高度不超过0.6m。使用上下2个D203S相与的逻辑，当人经过时会同时触发2个传感器，而动物则只会被下面的传感器探测到，其触发示意如图3所示。2、信号调理模块D203S信号调理使用的是专用芯片EG4002，其在3V供电时电流小于45A，非常适合果园防盗系统。D203S与热释电传感器的连接电路如图4所示，供电电压Vin经过40传感器HT7533稳压芯片得到3.3V给整个系统供
10、电，D203S漏极接电源端，源极经过滤波后送入内部第一级运放的反相输入端，第一级增益A1由R2，R3决定，A1=R3/R2=300。内部第二级放大器增益为固定的30，故总增益为A=A1A2=9000，通过调节A1就可改变整个探测距离。Vc为触发禁止端，若Vc0.2VDD，OUT端将一直处于低电平。A端为重复触发与不可重复触发选择端，若A=1，则一旦检测到有人入侵，OUT输出高电平，在其延时时间内若仍检测到侵入目标，则延时时间重新计时。反之亦然。EG4002振荡器工作频率由R4，C4决定，对应的频率则为20kHz。输出OUT端通过三极管S8050驱动固态继电器，固态继电器选用SSR-2F4805
11、型，其最大负载电流5A，负载电压范围40480VAC。3、报警模块果园防盗报警主机选用的是夜狼YL-007Q2型报警主机，含6路定时布放/撤防功能，能按预定时间进行布/撤防，可连接各类有线无线探测器多达99个，供电电源为220VAC，报警喇叭声强110dB。将热释电传感器接入该报警主机，实现全方位实时监测报警。五、实验结果与分析将探测器安装高度定为1.6m，隔2棵树安装一个探测器，间隔大约为68m，呈网状分布。对10个人进行了100次测试，每个人测试10次，分别以不同速度，不同方向与不同距离靠近传感器。速度主要分为3类：慢速、中速、快速。慢速是指人正常步行速度，平均为0.951.25m/s。中
12、速是指小跑，平均为2.603.46m/s。快速是指急速向前奔跑，平均为5.306.68m/s。方向分正向与反向两种，距离为215m，隔1m做一次测量。在以上情况下记录传感器报警情况。同时针对无人时传感器误报情况也做了记录。上述条件的实验结果显示，在10m内，传感器在3类速度下的报警次数均为100次，正反两个方向也是100次的报警，无漏报情况，说明其探测性能不受运动方向与运动速度影响，在无人时没有误报情况。10m外传感器则检测不到入侵人体，这与其安装高度与EG4002芯片内部设定均有关系，可根据不同应用需求进行调整。为检验传感器受天气变化、时间、宠物等的影响情况，分别在晴天，阴天和大热天气（主要
13、是夏天高温，温度在25以上）3类天气情况下做了测试。其中阴天包括有刮风与果园内轻微尘埃天气。测试分3个时间段进行，分别是上午，下午与晚上。同时对小动物进行了测试，将猫、狗、鸡与鸭等小动物放入探测区域。同样是按照前面的测试方法一样，对10个人做了100次测试，记录其相应的误报次数。上述条件下的实验结果显示：在3类天气情况下，上午，下午与晚上的报警次数均为100次，有小动物时与无人情况下误报次数为0。由此表明传感器在探测性能上不受天气变化与时间的影响，同时只在有人情况下才报警，对小动物不误报。热释电传感器用于果园防盗人体探测，利用双元传感器D203S与菲涅尔透镜相结合扩大了探测距离，使范围达到了1
14、0m，同时避免了因环境变化引起的误报，只对真实移动人体报警。另外利用人体与小动物高度的不同选用了2片传感器相结合的方法有效避免了因宠物引起的误报。整个系统结构简单，在保证性能的同时降低了开发成本，整套传感器的成本符合果园管理人员提出的项目预算，同时也是大大缩短了开发周期。三、超声波和热释电红外技术在室内停车库的应用与研究（一）、目前，国内的室内停车库基本上都安装有停车库管理系统。而大多数停车库管理都侧重于收费功能，更多工作如车流引导和车位管理等还是靠现场人员管理。究其原因，大多在于先进的车位管理系统造价不菲，维护费用高昂。然而，在停车库的出入口装设地感线圈来计量出入库的车辆数量，是一种较为常见
15、且技术较为成熟的做法，这一技术措施也能满足一般的进出停车库或区域车辆统计的功能要求。而汽车驾驶员的实际需求则不仅仅是空闲车位的总体数量信息，更希望知晓区域内具体空闲位置的分布以及行车路线的信息。目前国内对车位占位信息的采集技术主要包括地磁感应、RFID 检测、超声波检测和视频检测等。（二）、超声波和热释电红外技术本文采用的压电式超声波发送器是利用压电晶体的逆向压电效应来工作的。超声波发生器内部结构如图 1 所示，它主要由两个压电晶片和一个锥形振子构成。当它的两极外加电压脉冲信号，压电元件就变形引起空气振动，当脉冲信号频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动锥形振子振动，便
16、产生超声波，超声波以疏密波形式传播，传送超声波接收器，超声波接收器是利用正向压电效应制成的，如果压电晶片两电极间未外加电压，当锥形振子接收到超声波时，促使接收器的振子随着相应频率进行振动，由于存在正向压电效应，将机械能转换为电信号，就产生与超声波频率相同的高频电压。当然这种电压非常小，必须采用放大器进行放大。 （图一）（三）、应用与研究从停车库场地分布情况来看，停车库中占地最多的为停车区域和车道区域。相对而言，停车区域主要是提供车辆的停泊和人员的上下车，静态为主，动态为辅; 而车道区域主要是提供车辆流动的通道，以动态为主。通过对以上环境特点的初步分析，就可以制定出有针对性的检测和控制方法。由于停车库内人车混和在一起，在传感器的种类和工作方式选用时，首先就要考虑人员和财产的安全
