主動(dòng)式紅外探測(cè)器中紅外接收器的工作原理

主動(dòng)式紅外探測(cè)器中紅外接收器的工作原理主動(dòng)紅外探測(cè)器能主動(dòng)發(fā)射紅外光，即當(dāng)被探測(cè)目標(biāo)侵入所防范的警戒線時(shí)就會(huì)遮擋掉紅外發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的紅外光束，我們把這種能響應(yīng)被遮擋紅外光束，并進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)的電子裝置稱為主動(dòng)紅外探測(cè)器。下面介紹一下能接收紅外光束的光電探測(cè)器。由于同質(zhì)半導(dǎo)體硅不同的摻雜形成的PN結(jié)、不同質(zhì)的半導(dǎo)體組成的異質(zhì)結(jié)，或金屬與半導(dǎo)體接觸形成的肖特基勢(shì)壘都存在內(nèi)建電場(chǎng)。當(dāng)光照這種半導(dǎo)體時(shí)，半導(dǎo)體對(duì)光的吸收就產(chǎn)生了光生電子和空穴，它們?cè)趦?nèi)建電場(chǎng)的作用下就會(huì)向相反的方向移動(dòng)和積聚而產(chǎn)生電位差。這就相當(dāng)于向PN結(jié)加上一個(gè)正電壓，就是光生電動(dòng)勢(shì)。如果將這樣的PN結(jié)與外電路相連，就有電流流過外電路，從而在負(fù)載電阻上得到一個(gè)隨入射光變化的電壓信號(hào)。這就是不加電源，能將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的光電池的工作原理。與上述光電池不同，光敏二極管一般在負(fù)偏壓情況下使用，由于施加了大反偏壓，增加了耗盡層的寬度和結(jié)電場(chǎng)。這樣，在結(jié)區(qū)強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，在耗盡層中產(chǎn)生的電子一空穴對(duì)不必經(jīng)過引起復(fù)合的擴(kuò)散過程，就可對(duì)電流作出貢獻(xiàn)，顯然，提高了光敏二極管的靈敏度。但值得注意的是，為了提高靈敏度及響應(yīng)時(shí)間，卻不能無限地加大反向偏壓，因?yàn)樗鼤?huì)受到PN結(jié)表面漏電及反向擊穿電壓等因素的限制。光敏三極管是一種相當(dāng)于在基極和集電極之間接有光電二極管的普通三極管，在正常工作情況下，此光電二極管應(yīng)反向偏置。因此，不管是P-N-P還是N-P-N光敏三極管，一般用基極一集電極結(jié)作為受光結(jié)。當(dāng)集電極加上相對(duì)于發(fā)射極為正電壓且基極開路時(shí)，基極一集電極結(jié)處于反向偏壓下。它的工作機(jī)理完全與反偏下的光敏二極管相同。這里，入射光子在基區(qū)及收集區(qū)被吸收而產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，形成光生電壓，由此產(chǎn)生的光生電流由基極進(jìn)入發(fā)射極，從而在集電極回路中得到一個(gè)放大了的信號(hào)電流。因此，從這點(diǎn)可以更明確地說，光敏三極管是一種相當(dāng)于將基極集電極光敏二極管的電流加以放大的普通晶體管放大器。主動(dòng)式紅外接收探測(cè)器就是用半導(dǎo)體硅作成的硅光電池、硅光電二極管或硅光電三極管，它們同硅CCD一樣，能接收400nm—1100nm的可見光與近紅外光。主動(dòng)式紅外探測(cè)器的工作原理主動(dòng)紅外探測(cè)器的發(fā)射機(jī)發(fā)出一束經(jīng)調(diào)制的紅外光束，被紅外接收機(jī)接收，從而形成一條紅外光束組成的警戒線。當(dāng)被探測(cè)目標(biāo)侵入該警戒線時(shí)，紅外光束被部分或全部遮擋，此時(shí)接收機(jī)接收的信號(hào)就會(huì)發(fā)生變化，它經(jīng)放大與信號(hào)處理后，即控制發(fā)出報(bào)警信號(hào)。主動(dòng)紅外的發(fā)射光源，通常用紅外發(fā)光二極管，其特點(diǎn)是體積小、重量輕、壽命長、功耗小，交直流供電都能工作，晶體管、集成電路都能直接驅(qū)動(dòng)。還有一些半導(dǎo)體激光器，如砷鎵鋁雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器等，也工作在紅外波段，因而也是一種主動(dòng)紅外探測(cè)器。主動(dòng)紅外探測(cè)器的光源通常采用脈沖調(diào)制的脈沖波形，其發(fā)射機(jī)采用自激多諧振蕩器作為調(diào)制電源，使它產(chǎn)生很高占空比的脈沖波形，去調(diào)制紅外二極管發(fā)光，以發(fā)射出紅外脈沖調(diào)制光譜。這樣，就降低了電源的功耗，提高了靈敏度，和系統(tǒng)抗雜散光的干擾能力。對(duì)光束遮擋型的探測(cè)器，要適當(dāng)選取有效的報(bào)警最短遮光時(shí)間。因?yàn)檎诠鈺r(shí)間選得太短，會(huì)引起不必要的噪聲干擾，如小鳥飛過、小動(dòng)物穿過都會(huì)引起報(bào)警；而遮光時(shí)間選得太長，又可能導(dǎo)致漏報(bào)。因此，通常以10m/s的速度通過鏡頭的遮光時(shí)間，來定最短遮光時(shí)間。如人的最小寬度為20cm，則最短遮斷時(shí)間為20cm/(10m/s)=20ms。所以，最短遮光時(shí)間大于20ms，系統(tǒng)報(bào)警；遮光時(shí)間小于20ms，則不報(bào)警。主動(dòng)紅外探測(cè)器多采用雙光路，可提高其抗干擾、防誤報(bào)的能力。這種主動(dòng)紅外探測(cè)器壽命長、價(jià)格低、易調(diào)整，因此被廣泛使用在電視監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)工程中。當(dāng)主動(dòng)紅外探測(cè)器用在室外自然環(huán)境時(shí)，比如無星光和月亮的夜晚，以及夏日中午陽光的背景輻射的強(qiáng)度比可超過100dB時(shí)，這就使接收機(jī)的光電傳感器工作環(huán)境相差太大。通常采用截止濾光片，濾去背景光中的極大部分能量(主要濾去可見光的能量)，使接收機(jī)的光電傳感器在各種戶外光照條件下的使用條件基本相似。此外，大霧還會(huì)引起傳輸中紅外光的散射，縮短主動(dòng)紅外探測(cè)器的有效探測(cè)距離，在安防工程中必須考慮。如實(shí)測(cè)某紅外探測(cè)器：在無霧時(shí)有效探測(cè)距離7km；淺霧時(shí)有效探測(cè)距離2.5km；輕霧時(shí)有效探測(cè)距離1km；中霧時(shí)有效探測(cè)距離0.6km；重霧時(shí)有效探測(cè)距離0.3km。激光與一般光源相比，有方向性好、亮度高、單色性好、相干性好等特點(diǎn)，所以當(dāng)要求距離遠(yuǎn)時(shí)，可采用紅外半導(dǎo)體激光器來代替紅外發(fā)光二極管作紅外光源。由于能量集中，可以在光路上加反射鏡，反射激光，圍成光墻。從而用一套激光探測(cè)器可以封鎖一個(gè)場(chǎng)地的四周，或封鎖幾個(gè)主要的通道路口。主動(dòng)式紅外探測(cè)器的選擇安裝調(diào)試主動(dòng)紅外探測(cè)器的選購要點(diǎn)1、 對(duì)白光的過濾能力所謂過濾白光，主要是過濾太陽光等自然光和車頭燈等人工光，因?yàn)楣韫怆娊邮仗綔y(cè)器對(duì)這些光都可以接收，所以必須濾除。目前一般都采用二種方法：一是使用阻止白光通過的特殊材質(zhì)的外殼，看起來是黑色的，能阻斷全部可見光；二是使用特殊設(shè)計(jì)的菲涅耳鏡片，其投光器可將特定波長的信號(hào)紅外光按一定角度發(fā)出去，而受光器只接收以特定角度入射的這一特定波長的紅外光，它經(jīng)折射后形成園錐形聚焦到硅光電傳感器的感光面上，這樣就將其他非信號(hào)光過濾掉了。2、 探測(cè)距離及其余量要了解主動(dòng)紅外探測(cè)器的探測(cè)距離，并且其探測(cè)距離余量不得少于6倍。否則，不能保障探測(cè)器能夠在最惡劣的氣候條件下正常工作。3、 光束數(shù)量與頻率目前，主動(dòng)紅外探測(cè)器的光束數(shù)量有一、二、三、四光束四種，頻率有單一固定頻率、可選頻率和可調(diào)頻率三種，可根據(jù)實(shí)際需要選取。一般，光束數(shù)量越多，越難被樹葉與小動(dòng)物等同時(shí)遮斷，因而可有效排除單光束因遮擋而產(chǎn)生的誤報(bào)。此外，利用不同頻率的主動(dòng)紅外對(duì)射，還可有效解決因系統(tǒng)中的對(duì)射紅外光散射而造成對(duì)其他對(duì)射的干擾，以避免漏報(bào)。4、 使用溫度與響應(yīng)時(shí)間由于主動(dòng)紅外探測(cè)器多在室外使用，因而必須要適應(yīng)環(huán)境溫度的變化。一般要求在一35°C—55°C為好，太低或太高的溫度都會(huì)影響電子電路及元器件的正常工作。一般，紅外線的切斷時(shí)間在50ms—500ms，因此產(chǎn)品的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)該可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。5、 外觀工藝及有否密封因主動(dòng)紅外探測(cè)器應(yīng)用于室外，所以在設(shè)計(jì)上與制作工藝上要更加嚴(yán)格。不但需要外形美觀牢固，還要采用橡膠密封圈等來對(duì)外殼進(jìn)行密封。6、 有否防雷電措施雷電沖擊有直接和感應(yīng)兩種：直接雷電沖擊的電能擴(kuò)散量很大，大到迄今沒有任何措施可防止電子設(shè)備不受破壞，但發(fā)生的概率相對(duì)很小。感應(yīng)沖擊常是帶電的云層運(yùn)動(dòng)或附近的雷電沖擊引起的，它們都會(huì)在電氣回路中感應(yīng)出電涌電壓，從而引起電子設(shè)備損壞。一般，在產(chǎn)品中都安裝有電涌吸收管，以保障產(chǎn)品在雷電多發(fā)地區(qū)能正常工作。其防雷指標(biāo)，以千伏(kV)表示。7、 調(diào)試是否方便，有否光束對(duì)準(zhǔn)指示一般，主動(dòng)紅外探測(cè)器均可進(jìn)行水平和垂直范圍的調(diào)節(jié)，其方法是，通過一端的檢像器觀察另一端是否處于檢像器的中間位置。并且，應(yīng)當(dāng)有光束對(duì)準(zhǔn)指示，一般為LED指示燈。指示燈亮為光束未對(duì)準(zhǔn)，旋轉(zhuǎn)對(duì)準(zhǔn)后即熄滅。有的好的主動(dòng)紅外探測(cè)器還有微調(diào)進(jìn)行精細(xì)對(duì)準(zhǔn)，其方法是在接收端用萬用表從檢測(cè)口檢測(cè)光電接收器輸出的電壓，當(dāng)微調(diào)處于最大電壓值時(shí)，即為找到的最佳最穩(wěn)定的最大信號(hào)接收位置。8、 電磁兼容性EMC及認(rèn)證合格證看產(chǎn)品是否作到電磁兼容性EMC，有否電磁屏蔽與濾波電路等措施，如有則可防止對(duì)外電磁輻射，消除外界射頻等電磁干擾信號(hào)以及內(nèi)部電路與元器件噪聲等干擾。這樣，有認(rèn)證合格證即可。9、 供給電源、功耗與壽命主動(dòng)紅外探測(cè)器的電源的連接要方便，其電壓與電流的大小決定其功耗的大小，一般希望功耗越小越好。電路設(shè)計(jì)的合理性與所選用的元器件的質(zhì)量，決定產(chǎn)品的使用壽命。主動(dòng)紅外探測(cè)器的安裝使用要點(diǎn)1、 按方向安裝在穩(wěn)固的物體上，并使發(fā)射與接收器在同一高度上。首先，將主動(dòng)紅外探測(cè)器對(duì)，根據(jù)所需布防的距離與方向，一定要安裝在穩(wěn)固的物體上。因?yàn)榘l(fā)射器與接收器距離較遠(yuǎn)時(shí)，輕微的晃動(dòng)就會(huì)引起誤報(bào)警。并且，還要使發(fā)射器與接收器盡可能地安裝在同一高度上，以方便光束對(duì)準(zhǔn)調(diào)試。2、 要避開樹葉搖晃及晾曬衣物等的影響。主動(dòng)紅外探測(cè)器是防備人的非法通行，中間要嚴(yán)格防止樹葉搖晃及晾曬衣物等，對(duì)紅外光束的遮擋引起的誤報(bào)。3、 避免紅外光束的交叉誤射。當(dāng)使用多對(duì)主動(dòng)紅外探測(cè)器，用來組成警戒封鎖區(qū)或警戒封鎖網(wǎng)，乃至組成立體警戒封鎖區(qū)時(shí)，千方要各對(duì)主動(dòng)紅外探測(cè)器使用不同的頻率，要盡量避免紅外光束的交叉誤射。否則，容易引起失誤。4、 線路不能明敷，要穿管暗設(shè)。為防止主動(dòng)紅外探測(cè)器的供電線路被人破壞，不能明敷，必須穿管暗設(shè)。5、 安裝位置要能防寵物與小動(dòng)物等引起的誤報(bào)。一般，設(shè)置在通道上的主動(dòng)紅外探測(cè)器，探頭的位置一般應(yīng)距離地面50cm以上；柵欄與圍墻頂上安裝的紅外探測(cè)器，其探頭位置應(yīng)高出柵欄與圍墻頂25cm，以防小貓小鳥等引起誤報(bào)。如果是在柵欄與圍墻靠近頂部的側(cè)面作墻壁式安裝，可避開小貓小鳥等的活動(dòng)干擾。被動(dòng)式紅外探測(cè)器中熱釋電探測(cè)器的工作原理被動(dòng)式紅外探測(cè)器中的核心器件一一熱釋電探測(cè)器是基于熱釋電效應(yīng)的原理工作的，它是一種對(duì)波長無選擇性的將熱能轉(zhuǎn)換為電能的熱電探測(cè)器，并且是一種交流器件。因此，它對(duì)恒定不變的溫度無響應(yīng)，只能探測(cè)響應(yīng)有變化的溫度。一般，電介質(zhì)的內(nèi)部沒有載流子，所以沒有導(dǎo)電能力。但它也是由帶電的粒子一一電子、原子核等組成的。在外加電場(chǎng)的情況下（如加上電壓），帶電的粒子也要受到電場(chǎng)力的作用，其正電荷總是趨向陰極，而負(fù)電荷趨向陽極，雖然其移動(dòng)距離很小，但其結(jié)果使電介質(zhì)的一個(gè)表面帶正電，相反的表面帶負(fù)電。如圖2所示，通常我們稱這種現(xiàn)象為“電極化”。對(duì)大多數(shù)電介質(zhì)來說，在電壓除去后，極化狀態(tài)隨即消失，帶電粒子的運(yùn)動(dòng)又回復(fù)到原來狀態(tài)。但是，有一類被稱為“鐵電體”的電介質(zhì)，如圖3（b）所示，在外加電壓除去后仍保持著極化狀態(tài)。這就是所謂“自發(fā)極化”。一般鐵電體的極化強(qiáng)度Ps（單位面積上的電荷）與溫度有關(guān)，溫度升高，極化強(qiáng)度減低。升高到一定溫度，自發(fā)極化就突然消失，這個(gè)溫度稱為“居里溫度”或“居里點(diǎn)”。在居里點(diǎn)以下，極化強(qiáng)度Ps是溫度的函數(shù)，利用這一關(guān)系制造的熱電探測(cè)器，稱為熱釋電探測(cè)器。當(dāng)紅外輻射照射到已經(jīng)極化了的鐵電薄片上時(shí)，引起薄片的溫度升高。因而表面電荷減少，這就相當(dāng)于“釋放”了一部分電荷。釋放的電荷可用放大器轉(zhuǎn)變成輸出電壓。如果紅外輻射繼續(xù)照射，使鐵電薄片的溫度升高到新的平衡值，表面電荷也就達(dá)到新的平衡濃度，不再釋放電荷，也就不再有輸出信號(hào)。熱釋電型探測(cè)器在穩(wěn)定狀態(tài)下，輸出信號(hào)下降到零，只有在薄片溫度的升降過程中才有輸出信號(hào)，因此在設(shè)計(jì)制造和應(yīng)用熱釋電探測(cè)器時(shí)，都要設(shè)法使鐵電薄片具有最有利的溫度變化。由于熱釋電晶體具有自發(fā)極化Ps，晶體的表面應(yīng)該出現(xiàn)面束縛電荷。在與極軸（即Ps方向）垂直的表面內(nèi)，面束縛電荷密度等于Ps。但通常這些面束縛電荷被晶體內(nèi)部的外來的自由電荷所中和，因此覺察不出來。晶體內(nèi)部自由電荷起中和作用的平均時(shí)間為丁=￡/。，其中￡為晶體的介電常數(shù)；。為晶體的電導(dǎo)率。多數(shù)的熱釋電晶體的t值在1s到1000s之間。熱釋電探測(cè)器的工作原理如圖4所示，用調(diào)制頻率為f的紅外輻射照射熱釋電晶體，就會(huì)使得晶體的溫度、晶體的自發(fā)極化以及由此而引起的面束縛電荷均隨頻率f發(fā)生變化。如果頻率較低，f<1/T，面束縛電荷將始終被體內(nèi)自由電荷所中和，因此顯不出變化來。但若f〉1/T，體內(nèi)自由電荷就來不及中和面束縛電荷的變化，結(jié)果就使晶體在垂直于Ps的兩端面間出現(xiàn)開路交流電壓。如果把這兩端面附以電極，并接上負(fù)載RL，就會(huì)有電流流過負(fù)載?？傊?dāng)有f〉l/T的調(diào)制輻射照射到晶體時(shí)，負(fù)載RL的兩端就會(huì)產(chǎn)生交流信號(hào)電壓，這就是熱釋電探測(cè)器的工作原理。若溫度對(duì)時(shí)間的變化率為dT/dt，Ps對(duì)時(shí)間的變化率為dPs/dt。它相當(dāng)于外電路上流動(dòng)的電流。這里dPs/dT就是熱釋電系數(shù)P,當(dāng)AT比較小時(shí)，dPs/dT可以看成是常數(shù)。輸出信號(hào)AV正比于溫度變化的速度，而不取決于晶體與輻射是否達(dá)到熱平衡。由此可知，熱釋電探測(cè)器是個(gè)交流器件，它所探測(cè)的溫度必須是變化的，即探測(cè)的人體必須是移動(dòng)的才有效。被動(dòng)式紅外探測(cè)器的工作原理任何高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)釋放出紅外線，溫度越高，紅外輻射的峰值波長就越短。通常，人體可輻射出中心波長為9um-10um的紅外線，而熱釋電探測(cè)器的波長在0.2—20um范圍內(nèi)幾乎是不變的，所以我們?cè)谛酒砻尜N上截止波長為7—10um的濾光片，于是就可得到只對(duì)人體敏感的熱釋電紅外探測(cè)器。熱釋電探測(cè)器用于防盜報(bào)警系統(tǒng)的電路構(gòu)成方框圖如圖5所示。這是由菲涅爾透鏡、熱釋電傳感器、放大器、濾波器、電平比較器、驅(qū)動(dòng)電路、繼電器和穩(wěn)壓電源等組成。菲涅爾透鏡的構(gòu)造如圖6所示。它是由聚乙烯材料注壓而成的薄片，在薄片上壓制有三種不同寬度的分格豎條，單個(gè)豎條平面實(shí)際上是一些同心的螺旋線。它的作用是聚集紅外線能量，當(dāng)人體在菲涅爾透鏡前面通過時(shí)，它具有將連續(xù)的紅外輻射分割成斷續(xù)紅外輻射的能力，從而可形成紅外脈沖。由于熱釋電是交流器件，它只能探測(cè)入侵的移動(dòng)人體。因此，在實(shí)際使用中，把探測(cè)器放置在所要防范的區(qū)域里，那些固定的景物如廠房、展廳、柜臺(tái)展品就成為不動(dòng)的背景。背景輻射的微小信號(hào)變化，就是背景噪聲。熱釋電紅外探測(cè)器有雙源、四源等種類，紅外源幾何形狀有方形和交迭形，有模擬式或數(shù)字式自動(dòng)脈沖數(shù)調(diào)節(jié)等。一般，普通的被動(dòng)紅外探測(cè)器雖然有功耗小、隱辟好、無輻射、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，但在有些情況下存在探測(cè)能力低和發(fā)生誤報(bào)的缺點(diǎn)。隨著現(xiàn)代光電等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前新型的被動(dòng)紅外探測(cè)器，基本上解決了過去普通被動(dòng)紅外探測(cè)器的不足。被動(dòng)式紅外探測(cè)器的選用被動(dòng)紅外探測(cè)器的選購要點(diǎn)1、 外形工藝與外殼密封性能外形美觀、工藝好，說明生產(chǎn)廠正規(guī)；外殼密封性能好，就能防止氣流與小昆蟲入內(nèi)引起溫度變化能造成誤報(bào)。2、 探測(cè)能力、作用距離與警戒范圍被動(dòng)紅外探測(cè)器的探測(cè)能力可被泡沫、噴霧（這是入侵者經(jīng)常使用的手段）、紙、衣物等遮擋而下降，這可看其設(shè)備是否采用獨(dú)特的電子適配器實(shí)時(shí)防遮擋部件，如有就能監(jiān)視探測(cè)器，防止被遮擋或被破壞。如探測(cè)器窗口或靠近探測(cè)器的任何區(qū)域，被泡沫、金屬片、噴霧、帽子、紙板、盒子和衣物等物品所遮擋，都將進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)。在白天模式下，一旦探測(cè)器被遮擋，這種遮擋報(bào)警會(huì)同時(shí)顯示在防遮擋監(jiān)視輸出繼電器和報(bào)警輸出繼電器上。這時(shí)，報(bào)警繼電器會(huì)停止，而防遮擋輸出會(huì)啟動(dòng)，直至遮擋被挪走為止。然后再看該紅外探測(cè)器的作用距離的遠(yuǎn)近與警戒范圍的大小，能符合自己的需要就行；最后再看在探測(cè)器規(guī)定的安裝高度下，所警戒的角度與探測(cè)器下視區(qū)的角度，看有否盲區(qū)及其大小等。3、 能否防拆防破壞以及易于安裝調(diào)試有的整體結(jié)構(gòu)性能好，具有防拆防破壞功能；有的采用獨(dú)特的電子線路（帶插頭）和感應(yīng)器分開設(shè)計(jì)技術(shù)，使探測(cè)器安裝更為簡(jiǎn)便；現(xiàn)在大多有完備的電壓監(jiān)控電子線路和感應(yīng)器自動(dòng)的定期自檢功能，使調(diào)試更為簡(jiǎn)便。4、 是否采用FSP、自適應(yīng)處理、溫度補(bǔ)償與防寵物等技術(shù)FSP（FirstStepProcessing）技術(shù)：即第一步處理技術(shù)（BOSCH中有），該技術(shù)根據(jù)不同信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)幅度、極性、周期以及曲線坡度等指標(biāo)進(jìn)行判斷，自動(dòng)調(diào)整探測(cè)器的靈敏度。因此，可對(duì)人體目標(biāo)即時(shí)作出正確反應(yīng)，而不會(huì)受其他信號(hào)源的干擾。自適應(yīng)處理技術(shù)：該技術(shù)能對(duì)環(huán)境干擾自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，可以適應(yīng)不同的背景干擾噪聲，最大程度地降低誤報(bào)，且不犧牲對(duì)正常移動(dòng)人體入侵信號(hào)的靈敏度。溫度補(bǔ)償技術(shù)：該技術(shù)能使人體溫度與環(huán)境溫度極端