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1、题目:关于防盗系统中传感器的报告学 院: 专 业:冯治国班 级: 学 号: 学生姓名: 指导教师:2013年12月10日目录一、传感器的定义和分类1二、应用背景3三、报警系统33报警系统中的传感器组成33.2 报警系统中的工作示意图43.3 报警系统中的传感器51、热释红外传感器52、超声波传感器73、CCD传感器8四、小结11一、传感器的定义和分类1、定义最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的 电信号的器件。定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它 将输入变量转换成可供测量的信号。按照Gopel等的说法是：“传 感器是包括承载体和电路连接的敏感元件”，而“传感器系
2、统则是合 有某种信息处理（模拟或数字）能力的传感器”。2、分类可以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理（传感器工作 的基本物理或化学效应）；它们的用途；它们的输出信号类型以及制 作它们的材料和工艺等。根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类。按传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效 应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信 号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传 感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。大多数传感 器是以物理原
3、理为基础运作的。化学传感器技术问题较多，例如可靠 性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。常见传感器的应用领域和工作原理列于表L传感器品种工作原理可被测定的非电学量敬力电阻,热敏电阻半导体传感器阻值变化力，重量，压力J加速度，温度，湿 度，气体电容传感器电容量变化力 , 重量 压力J加速度 液面 湿度感应住感器电族量变化力，重量，压力加速度，旅进数,转 矩，磁场霍尔传感器霍尔效应角度旋进度，力，磁场压电径感器，超声浪传感器压电效应压力加座度-距离热电传感器热电效应海雾明火,热分布光电传感器光电效应辐射角度,旋转数，位移J转矩按照其用途，传感器可分类
4、为：压力敏和力敏传感器、位置传感器、 液面传感器、能耗传感器、速度传感器、热敏传感器、加速度传感器、 射线辐射传感器、振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感 器、真空度传感器、生物传感器等。以其输出信号为标准可将传感器分为：模拟传感器一一将被测量的非 电学量转换成模拟电信号。数字传感器一一将被测量的非电学量转换成数字输出信号（包括直接 和间接转换）。膺数字传感器一一将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号 的输出（包括直接或间接转换）。开关传感器一一当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器 相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有特
5、征性的反应。 它们中的那些对外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材 料，被用来制作传感器的敏感元件。从所应用的材料观点出发可将传 感器分成下列几类：(1)按照其所用材料的类别分金属聚合物陶瓷混合物 (2)按材料的物理性质分导体绝缘体半导体磁性材料 (3)按材料的晶体结构分 单晶多晶非晶材料二、应用背景在当今高速发展的社会中，人们对自身所处的环境越来越关心，居家 安全已成为大家优先考虑的问题。当外出家中无人，或者仅有老人孩 子在家，或者晚上在家熟睡，必须确保家庭成员和财产的绝对安全。 目前，众多住宅小区的安防防犯主要倚靠安装防盗窗、防盗门以及人 工防犯。这样的做法仅仅只能在安全保护中作为基
6、础，不符合安全防 护的要求、而且不能有效地防止坏人的侵入。信息技术的高速发展， 使得传感器报警系统受到更多人的青睐，广泛应用于小区楼宇自动化 系统中。三、报警系统3.1 报警系统中的传感器组成多传感器防盗报警系统采用多传感器集成与信息融合技术，利用多种传感器或多个同类传感器进行数据采集，应用数据融合技术进行数据 处理，提取有用的信息，实现测量与控制。此系统包含以下几种传感器：热释电红外传感器、超声传感器、CCD（电 荷耦合）传感器，这几种不同种类、不同功能的传感器，从人体辐射 的红外线、人体移动引起波的频率的改变和人体图像等不同方面监测 人体入侵的情况，基本上可以实现人体入侵的全部源信息的采集
7、，从 最大程度上消除报警信息的不确定性，提高报警的准确率。3.2 报警系统中的工作示意图在防盗监测中，可以采用如下图所示的串行数据检测融合结构模型， 能够较为准确地获取现场人体入侵的情况。首先由热释电红外传感器 检测是否有人体辐射出的中心波长为910 Rm的红外线，进行判决, 把结果传到超声传感器节点，在此融合这两个传感器的检测结果形成 一个新的判决，依次类推，再传到CCD传感器的节点，最后融合输 出判决结果。3.3 报警系统中的传感器1、热释红外传感器（1）热释传感器的工作原理其工作原理主要是利用热释电效应，即在胃酸锯根等一类具有热释电 效应的晶体薄片的上、下表面设置电极（类似电容），在上表
8、面覆以 黑色使晶体吸收红外线，晶体本身具有一定的极化强度，若有红外辐 化强度降低，表面电荷减少，释放部分电荷，在上下电极之间产生电 压U。常用的热释电红外线光敏元件的材料有陶瓷氧化物和压电晶 体、塑料等铁电体，如钛酸钢、铝酸锂、硫酸三甘肽及钛铅酸铅等。 热释电传感器工作温度在-40。+85。范围，工作视角一般为85。为提高灵敏度，通常在探测器前端安装有光学系统（镜头），当有人 经过或移动时，人体辐射的红外线经过光学透镜传给热释电元件。传 感器将热电转换信号送放大器放大，反馈电阻调节放大器的放大倍 数，二极管与电阻电容形成低通滤波器，当信号幅值达到某一限定值 时，可用比较器控制输出驱动蜂鸣器告警
9、。热释电元件电流较小，所 以电路工作所需电流很小。热释电传感器只能检测变化的信号，检测时辐射源必须晃动才有信号 输出。通常采用菲涅尔透镜对移动信号进行放大，菲涅尔透镜相当于 光栅作用可放大移动信号，它的表面布满了微小的条纹，在他旋涡状 条纹中包含许多凸透镜，使得穿过它的光线弯曲即产生衍射现象，从 而形成放大的影像。（2）热释电元件结构等效电路图:iH V” FETe凡 rl占 n n其中，T为热释电晶体，&是输入绝缘电阻，七为外接负载电阻， FET场效应管起阻抗变换的作用。由于热释电传感器绝缘电阻很高， 高达几十到几百兆欧，容易引入噪声，使用时要求有较高的输入电阻。 热释电元件工作过程是通过吸
10、收光产生热量，因此与红外照射的波长 无关，对光的波长没有选择性，所以在元件的窗口选用不同材料做滤 光器，通过选择波长是器件具有一定波长选择范围，进而达到针对性 监控目标的目的。凡是存在于自然界的物体，例如人体、动物、火焰等物体都会放射出 红外线，只是其发射的红外线的波长不同而已。人体的温度为36 37,可辐射出中心波长为910 Um的红外线。在硅片表面上贴上截 止波长为710 Rm的滤光片，只允许波长超过710 Rm的红外线通 过，而小于7 Um的红外线被滤除掉，于是就得到只对人体敏感的热 释电红外线传感器。2、超声波传感器（1）超声波传感器的特点超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶
11、片在电压的激励 下发生振动产的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向 性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透 本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。 超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动 物体能产生多普勒效应（报警系统中就是使用多普勒效应制成多普勒 传感器）。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。（2）超声波传感器的工作原理超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。以超声波作为 检测手段，必须产生超声波和接收超声波，完成这种功能的装置就是 超声波传感器，习惯上称为超声换能器。超声波传感器利用多普勒效
12、应原理（当波源与观测者之间相对运动 时，引起波的频率的改变，这种现象称之为多普勒效应）可以制成多 普勒效应传感器。在没有移动物体进入被探测区域时，反射回来的超 声波是等幅的。当有活动的物体进入探测区域时，反射回来的超声波 幅度不等，并且不断变化。当人体或物体相对于传感器移动时，反射 回来的信号与原信号间产生频移，集成电路再把微弱的频移信号进行 放大，再经多普勒检测、放大、限幅等措施，最后取得和物体移动信 号响应相关的直流输出电平。其工作原理图如下：3、CCD传感器（1）电荷耦合器件（CCD）特点1）集成度高、体积小、重量轻、功耗低（直流工作电压范围7-12V）、 可靠性高、寿命长。2）空间分辨
13、率高，光灵敏度高、动态范围大。3）可任选模拟、数字等不同输出形式。（2） CCD传感器工作原理1） CCD电极结构CCD基本结构组成分两部分，MOS （金属一氧化物一半导体）光敏元 件阵列和读出位移寄存器。CCD的电极就是MOS结构的栅极，MOS结 构即在P型硅衬底上生长一层S iO2 （120nm）,再在S iO2层上沉积 金属铝构成MOS结构，它是CCD器件的最小工作单元。其结构图如下:2）电荷存储转移原理A、势阱的产生MOS的金属电极加正压，电极下的P型硅区域内空穴被赶尽，留下带 负电荷的负离子，其中无导电的载流子，形成耗尽层。它是电子的势 阱。势阱的深浅取决于U的大小B、电荷的存储势阱
14、具有存储电荷的功能，势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势 阱附近的光强成正比。CCD器件将物体的光像形成对应的电像时，就 是CCD器件中上千个相互独立的MOS单元势阱中存储与光像对应的电 荷量。3）读出移位寄存器#读出位移寄存器是电荷图像的输出电路。A、电荷的定向转移当外加电压一定时，势阱的深度随势阱中的电荷量的增加而线性减 少。由此通过控制相邻MOS电容器栅极电压高低来调节势阱的深浅， 要求多个MOS电容紧密排列且势阱相互沟通，金属电极上加电压脉冲 严格满足相位要求。B、电荷的输出在输出端P型硅衬底上扩散形成输出二极管，二极管加反压，在PN 结形成耗尽层。输出栅0G加压使电荷转移到二极管的耗
15、尽区，作为 二极管的少数载流子形成反向电流输出。输出电流的大小与电荷大小 成正比，通过负载变为电压输出。其结构如下图:么。1 024OG 工 L 1 LJP Si4) CCD工作原理CCD是将光敏二极管阵列和读出移位寄存器集成为一体，构成具有自扫描功能的图象传感器。这种器件光敏面积大，靶面利用率高，是一 种金属氧化物半导体（MOS）集成电路器件，它以电荷作为信号，基 本功能是进行光电转换电荷的存储和电荷的转移输出。广泛应用于 自动控制和自动测量，尤其适用于图像识别技术。当景物的光学图像，经由摄像物镜投射到这个阵列上时，由于各光敏 二极管受光的强弱不同而感生出不同量的光电荷。这些感生电荷，经 过一定时间（一场）的积累，在转移栅的控制下，水平地移送到与像元 对应的设置在光敏元旁边的垂直移位寄存器中，而后又在行转移脉冲 的控制下，将电荷移送到水平移位寄存器，并由水平移位时钟控制依 次向输出端转移，最后由输出电路输出视频信号。由CCD传感器输出 的视频信号已具有较大幅度（0.5V以上），经由处理电路进行处理（包 括自动增益控制
