热释电红外传感器及其报警电路
自动控制
文章编号 : 1009 - 9441 (2007) 10 - 0016 - 02
热释电红外传感器及其报警电路
□□程素平 (山西建筑职业技术学院 ,山西 太原 030006)
摘 要 :概述了红外辐射的知识、热释电红外传感器的结构
和工作原理。利用热释电红外传感器设计了一种被动式红
外报警电路 ,分析了该电路的功能和工作原理。热释电红外
传感器具有很多的优点 ,在防盗、警戒等装置中应用较广。
关键词 :热释电红外传感器 ;被动式红外报警电路 ;菲涅尔透镜
中图分类号 : TP 732. 2; X 924 文献标识码 : B
引言
随着社会的进步 ,人们对家居生活安全性的要
求也越来越高 ,各种防盗探测器应运而生。由于红
外线是不可见光 ,有很强的隐蔽性和保密性 ,因而在
防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用。此外 ,
随着半导体技术和新型材料的发展 ,热释电红外探
测器的防误报能力、控制范围与可靠性都有了很大
程度的提高 ,可以满足多数环境下的使用要求 ,因
此 ,在防盗、报警、安全、自动控制等方面 ,热释电红
外传感器比其他类型的传感器应用更为广泛。
1 热释电红外探测器的分析
1. 1 红外辐射概述
在自然界中 ,任何高于绝对温度 ( - 273 ℃)的
物体都能够产生红外光谱 ,红外光的波长范围在
0. 76～1 000μm,红外光谱学中将 1～15μm称为近
红外波段 ; 15～50μm为中红外波段 ; 50～1 000μm
为远红外波段。温度不同的物体 ,其释放的红外光
的波长就不同 ,因此 ,红外光的波长与物体温度的高
低是相关的。由于红外辐射与物质相互作用时产生
了热效应 ,能将肉眼看不见的红外辐射转变为可测量
的物理量 ,依据这一原理 ,可做成红外辐射探测器。
1. 2 热释电红外探测器的结构
热释电红外传感器的结构如图 1所示 ,通常由
热释电晶体、氧化膜、滤光镜片、结型场效应管 FET
和电阻等部分组成。热释电晶体一般采用 PZT或
其他压电晶体材料 ,将敏感材料 PZT的上、下表面
做成电极 ,并在其上表面上加 1层黑色氧化膜 ,以提
高转换效率。在管壳顶端装有滤光镜片 ,它可以阻
止不需要的红外线或其他光线进入传感器。防盗报
警系统中的热释电传感器采用的滤光片厚度为 8～
14μm,而人体辐射的红外线波长在 10μm左右 ,因
此 ,该传感器能敏锐地探测到是否有人进入了禁区。
由于热释电传感器的输出阻抗极高 ,而输出电信号
微弱 ,故在其内部装设场效应管 (FET)及偏置电阻 ,
以进行信号放大及阻抗匹配。
图 1 热释电传感器的结构
1. 3 热释电红外探测器的工作原理
热释电红外传感器内部的热释电晶体具有极化
现象 ,并且随温度的变化而变化。当恒定的红外辐
射照射在探测器上时 ,热释电晶体温度不变 ,晶体对
外呈电中性 ,探测器没有电信号输出 ,因而恒定的红
外辐射不能被检测到。当交变的红外线照射到晶体
表面时 ,晶体温度迅速变化 ,这时才发生电荷的变
化 ,从而形成一个明显的外电场 ,这种现象称为热释
电效应。由于热释电晶体输出的是电荷信号 ,不能
直接使用 ,需要用电阻将其转换为电压形式 ,该电阻
阻抗高达 104 MΩ,故引入 N沟道结型场效应管接成
共漏形式 (即源极跟随器 )来完成阻抗变换。
报警电路中通常采用双探测元热释电红外传感
器 ,其结构示意图如图 2所示。该传感器将两个特
性相同的热释电晶体逆向串联 ,用来防止其他红外
光引起传感器误动作。另外 ,当环境温度改变时 ,两
个晶体的参数会同时发生变化 ,这样可以相互抵消 ,
避免出现检测误差。该传感器使用时 , D 端接电源
正极 , G端接电源负极 , S端为信号输出。
·61· Research & Application of Building M aterials
图 2 双探测元热释电红外传感器结构示意图
2 被动式红外报警器的结构原理
2. 1 被动式红外报警器的组成框图
被动式红外报警器的组成如图 3所示。物体射
出的红外线先通过菲涅尔透镜 ,然后到达热释电红
外探测器。这时 ,热释电红外探测器将输出脉冲信
号 ,脉冲信号经放大和滤波后 ,由电压比较器将其与
基准值进行比较 ,当输出信号达到一定值时 ,报警电
路发出警报。
图 3 被动红外报警器的组成框图
菲涅尔透镜是根据法国物理学家 FRESNEL 发
明的原理 ,采用 PE (聚乙烯 )材料压制而成的。菲
涅尔透镜是多焦距的 ,因而其各个方向与不同距离
对光线的灵敏度能保持一致。透镜与热释电红外探
测器配合 ,可以提高传感器的探测范围。实验证明 ,
如果不安装菲涅尔透镜 ,传感器探测距离为 2 m 左
右 ,而安装透镜后有效探测距离可达 10～15 m,甚
至更远。这是因为移动的人体或物体发射的红外线
进入透镜后 ,会产生交替出现的红外辐射“盲区 ”和
“高敏感区 ”,从而形成一系列光脉冲进入传感器 ,
该光脉冲会不断地改变热释电晶体的温度 ,使其输
出一串脉冲信号。假如人体静止站立在透镜前 ,传
感器无输出信号。图 4为菲涅尔透镜检测示意图。
图 4 菲涅尔透镜检测示意图
2. 2 电路原理图
根据图 3被动式红外报警器的组成框图 ,本文
设计了一种新型红外报警电路 ,其工作原理图如
图 5所示。
图 5 红外报警器工作电路
该电路采用 P288型热释电红外传感器作为敏
感元件 ,能以非接触方式检测出人体辐射出的红外
能量 ,并将其转化为电信号输出。该传感器外接
12 V电源 ,内部装有菲涅尔透镜 ,检测区域为球形 ,
有效警戒距离为 12～15 m,方向角为 85°。
当红外警戒区内无移动物体时 ,传感器无输出
信号 ,报警电路不工作 ;当有人闯入警戒区时 ,只要
人体移动 ,其辐射出的红外线便会被热释电红外传
感器所接收 ,并输出微弱的电信号。该信号经运算
放大器 A1和 A2放大后 ,会输出一个较强的电信
号。再输送给由 A3和 A4组成的双限电压比较器。
经过计算可知 ,该比较器的两个门限电压分别为
2. 9 V和 7. 4 V,当 A2输出的电压 >A3的基准电压
7. 4 V 时 , A3输出高电平 ;当 A2输出的电压 < A4
的基准电压 2. 9 V时 ,A4也输出高电平。这个高电
平信号经反向器 A5变成低电平信号 ,作为单稳态
触发器 IC1的触发信号。单稳电路触发翻转后 ,输
出高电平 ,驱动三极管 T1导通 ,继电器 K1工作 ,其
常开触点 K1 - 1闭合 ,报警电路发出警报。电路中
的旁路电容可以起到防止干扰的作用。
电路中的单稳触发器组成延时电路 ,延时时间
由 R1 7和 C8 确定 ,按照电路给定的参数可以计算
出 ,延时时间为 10 s。当低电平触发单稳电路翻转 ,
进入暂稳态后 ,报警电路工作 ,报警时间大约 10 s。
被动红外传感器对人体的敏感程度与人的运动方向
有很大关系 ,它对于径向的移动反应极不敏感 ,而对
于横切方向 (即与半径垂直的方向 )的移动则极为
敏感。使用时 ,应选择合适的安装位置 ,避免红外探
头误报 ,以获得最佳的检测灵敏度。
(下转第 31页 )
·71·建材技术与应用 10 /2007
水剂 ,其性能指标分别为 : 含固量 35 % , 减水率
26 % ,Na2 SO4 含量 2. 0 % , pH值 7. 5。
3 耐热混凝土的配合比试配及确定
耐热混凝土的配合比不仅要满足耐热性能的要
求 ,还必须满足强度与施工性能的要求。本着在保
证混凝土强度及施工性能的前提下 ,尽量减少水泥
用量、降低水灰比。经过大量的试配试验和试验结
果分析 ,选出了符合设计要求的最佳配合比。耐热
混凝土的配合比及试验结果见表 4。
表 4 耐热混凝土的配合比及试验结果
材料用量 / ( kg/m3 ) 抗压强度 /MPa
水泥 矿粉 高铝粉 细骨料 粗骨料 外加剂 水 烘干 1) 残余 2) 常温 3)
360 90 100 643 964 13. 5 230 33. 2 14. 3 35. 6
1)烘干抗压强度 :耐热混凝土试块在常温下养护 7 d后 ,以 (20～
30) ℃/h的烘干升温速度 ,在 (110 ±5) ℃条件下烘干 8 h,自然冷
却至室温后的抗压强度 ;标准要求烘干强度 ≥设计强度等级 ;
2)残余抗压强度 :耐热混凝土试块在常温下养护 7 d后 ,以 (20～
30) ℃/h的烘干升温速度 ,在 (110 ±5) ℃条件下烘干 8 h,自然冷
却至室温后 ,放在加热炉中以 ≮150 ℃/h的升温速度升至极限温
度 ,恒温 4 h后自然冷却 ,将冷却试样放在干燥空气中养护 10 d后
的抗压强度 ;标准要求残余强度 ≥30 %烘干强度 ;
3)常温抗压强度:耐热混凝土试块在常温下养护 28 d后的抗压强度。
由表 4可以看出 ,拌制混凝土的烘干抗压强度、
残余抗压强度及常温抗压强度均达到了设计要求。
采用此配比拌制的混凝土的和易性、粘聚性良好 ,出
机坍落度为 160 mm,拌合物的性能符合泵送施工的
要求。
现场共留置 5组混凝土试块 ,试块强度全部合
格 ,且试验结果的离散性很小 ,完全符合设计要求。
现场留置试块的抗压强度见表 5。
表 5 现场留置试块的抗压强度 MPa
试块组号 1 2 3 4 5 平均值
烘干抗压强度 30. 6 28. 4 29. 2 30. 1 31. 0 29. 9
残余抗压强度 12. 2 10. 9 11. 3 11. 6 12. 4 11. 7
常温抗压强度 32. 4 30. 4 31. 2 33. 0 33. 6 32. 1
4 耐热混凝土生产质量控制
为了保证耐热混凝土的质量 ,除了要严格执行
配合比以外 ,还应注意以下几个方面的问题 :
(1)耐热骨料中严禁混入石灰石等普通混凝土
用的石子。
(2)严格控制混凝土的水灰比 ,在生产及施工
过程中不得随意加水。
(3)由于粗细骨料的保水性差 ,浇注过程中要
分层浇注 ,振捣要均匀且时间不宜过长 ,避免出现泌
水、离析的现象。
4 结语
该工程混凝土浇注完毕并交付使用后 ,通过观
察未出现任何问题 ,使用效果良好。说明该耐热混
凝土的所选材料及配合比是可行的 ,取得了良好的
经济效益 ,也为今后类似混凝土工程的施工积累了
经验。
参考文献 :
[ 1 ] 赵述智 ,王忠德. 实用建筑材料试验手册 [M ]. 北京 :中
国建筑工业出版社 , 1998.
[ 2 ] 郭运杰 ,王元光 ,王旭斌. 耐热混凝土的试验研究与工程
应用 [ J ]. 广东土木与建筑 , 2004, (6) : 44 - 45.
作者简介 :卢伟杰 (1979 - ) ,男 ,山东莱州人 ,助理工程师 ,
2003年 7月毕业于济南大学材料科学与工程专业 ,现从事
混凝土研究与施工工作。
收稿日期 : 2007 - 08 - 28
(编辑 郭毅伟 )
(上接第 17页 )
3 结语
被动红外探测器的特点是不需要附加红外辐射
光源 ,因而使用简单、方便。双元探测器的使用 ,提
高了系统的可靠性。对于小老鼠等小动物 ,由于其
仅能在其中一部分元件上产生信号 ,一般不会触发
报警。所以 ,该传感器可以应用在较复杂的环境中 ,
不会发生误报。目前 ,热释电红外探测器不仅可以
用于被动红外报警器中 ,还可以用于自动控制、接近
开关、遥测等其他领域。
参考文献 :
[ 1 ] 吴英才 ,林华清. 热释电红外传感器在防盗系统中的应
用 [ J ]. 传感器技术 , 2002, 21 (7) : 47 - 48.
[ 2 ] 徐 . 电子基础与技能 [M ]. 北京 :电子工业出版社 , 2006.
[ 3 ] 黄继昌 ,乔苏文 ,张海贵 ,等. 实用报警电路 [M ]. 北京 :
人民邮电出版社 , 2005.
作者简介 :程素平 (1971 - ) ,女 ,山西洪洞人 ,讲师、硕士 ,
1994年 7月毕业于太原理工大学电力系统及其自动化专
业 , 2007年 6月研究生毕业于山西大学无线电物理专业 ,现
从事机电专业的教学工作。
收稿日期 : 2007 - 09 - 10
(编辑 郝卫明 )
·13·建材技术与应用 10 /2007
热释电红外传感器及其报警电路
