新型商用被动式报警器的研制及改良

丁国庆，赵志闯，吕雪芳，林欣悦

（沈阳大学师范学院，辽宁 沈阳 110041）

引言

由于世界人口稳定增长，就业机会不相称，加之社会复杂，私人和公共场所的入侵和盗窃事件日益增多。人们对私人和公共场所的防盗安全问题日益关切。这种安全意识的提升明显表现在保安人员的大量雇佣以及其他监测装置的使用等。

然而，常见的防盗设备以及相关服务相对昂贵，防盗设备需要稳定的电力供应才能运行。因此一种有效的低成本、低功耗红外防盗报警器及系统的研制就颇受关注。研究表明，任何物体都会辐射红外线，但是不同物体所辐射的红外线波长和强弱不同。人体所辐射红外线的中心波长为9～10μm，而其他非生命物体所辐射红外线的中心波长要短得多。因此，可以根据不同物体的红外线波长，实现人体与周围物体的区分，或者实现针对某一特定方位的人员流动性监控。

学者严煜[1]在研究中指出，红外报警器大体上可分为主动式和被动式两种设计理念。其中主动式红外线报警器是由报警器自身发出红外线，再由探头接受遇到障碍物后的入射信号实现报警。而被动式报警器自身并不发射红外线，只具备接收红外线的功能，并对不同能量物体做出不同类型的反馈信号。学者杨卓元等人[2]指出，随着家中电器的日益增多，火灾隐患随之增大，设计出一款既能及时预警又不影响安全逃生的智能红外报警系统意义重大。

被动报警器中的主要传感组件作为一种被动响应的部件，可被其覆盖范围内的任何侵入者发出的红外辐射激活。而在正常使用中，报警器的功率相对较低，只有在主传感器检测到对应的辐射之后，才提供额外的功率来激活警报或蜂鸣器。这一被动激发的特性使得该设备适用于偏远或电源供应较为困难的地区。

1 被动式报警器原理

被动式红外报警系统的关键部件是热释电红外传感器，它负责将人体红外辐射转化为电信号，实现了非接触感知。被动红外探测器是一种基于热释电效应制成的红外传感器。热释电材料的温度随红外辐射而变化，导致其自发极化，即热释电效应。为了抑制环境和传感器自身温度变化所产生的干扰，通常采用两个具有相同特性的热电元件以相反的串联或差动平衡电路连接，进而产生极性相反、值相等的信号，使外界干扰相互抵消。同时，为了获得直接使用的电压信号，在结构上采用n通道结场效应晶体管，并以全漏极型连接以完成阻抗转换。

在有效示警范围内，如果无人移动，传感器只检测到背景辐射，没有温度变化，无法形成电信号，则不会报警。如果有人进入警戒区域，传感器检测到人体辐射与本底辐射差值的变化信号，产生电信号输出，通过后处理电路实现报警。

该传感器的响应波长范围为0.2～20μm。该干涉滤波器安装在窗口位置，仅使8～12μm内的红外辐射通过，同时抑制其他可见光和红外辐射传入，从而在10μm附近实现更高的灵敏度。

2 元件介绍

2.1 传感器

ISBAS中的传感器电路对来自源的红外波进行全波探测。此外，该传感器有两个元件以电压反向配置连接。这种安排消除了由于阳光引起的振动和传感器内部温度变化引起的信号。一个人从传感器前面经过，将先后激活两个元件。而其他源将同时影响两个元件，产生的信号被抵消。因此，这种设置方式提高了检测精度。

2.2 开关

此次被动式报警器使用了三种开关电路。电路的功能是接通和切断电路中的电流。当传感器检测到人体运动时，微开关即被释放。此时，有一个小型的继电器就被用来维持蜂鸣器的工作。

继电器是一种电动开关。当电流通过继电器线圈产生的磁场，磁场吸引杠杆并改变开关触点。继电器的存在可以保证两个电路互相切换，且这两个电路可以是完全独立的。

在电路设计中，晶体管（NPN）也被用作开关。晶体管可在饱和状态和截止状态这两种状态之间运行。当晶体管的两个发射极-基极结都是正向偏置时，就会出现饱和状态。当两个结都是反向偏置时，就会发生截止状态。741 OP放大器IC（芯片）不能提供机械开关（继电器）所需的实际电流，因此用晶体管将小的IC电流放大到继电器线圈所需的值。

2.3 发光二极管（LEDs）

报警器使用LED作为指示灯，无论整个系统是开或关，当电流以正向偏置的方式通过LED时，LED就会发光。此次报警器的研制中使用了红光的GaP（磷化镓）半导体。

2.4 UA741运算放大器

UA741运算放大器是一种差分放大器。输出与运算放大器的两个输入端之间的电压差成正比。它们能将电压从零频率放大到很高的频率。运放通常由8引脚双直插封装制成。

2.5 电源

本报警器的整个电路都由电池提供电流，适用于电力电子设备的各种应用。

3 设计部分

3.1 被动式红外报警装置的设计研究

本次研制的小巧被动式红外报警器核心构成包括报警器本体、吊片以及报警器本体角。

其中吊片与报警器柔性连接，报警器的监控角度可调。其结构特征主要包括：

1）报警器由上盖、后壳体和前壳体组成，其中后壳体和前壳体通过卡扣方式进行连接，并由上盖进行固定。

2）后壳体内自下往上依次嵌入电池仓、电路板以及报警喇叭，其中报警喇叭与电路板柔性连接并受电路板控制，电路板上还设置有人体红外传感器。

3）上盖开设有扬声孔，可供警报喇叭发出报警声音。

4）前壳体的检测窗口正对人体红外传感器，检测窗口上配备有透镜及其限位围栏。

5）电池盖位于后壳体上，并通过卡扣方式固定。

3.2 被动式红外报警装置的制作研究

1）根据所需元器件名称，调研相关产品供应厂家，了解各个元器件的性能参数，并优选适合自己实验方案、实验目的的采购清单。

2）将设计方案进行讨论、经反复论证消除其中漏洞后，再次优化元器件采购清单，并按需采购。

3）将采购到的元器件进行记账及验收，按照实验方案进行元器件的组装。

组装内容包括将透镜放入前壳体中并进行限位围栏固定，扣合后壳体，安装电路板，安装人体红外传感器及报警器，安装过程中注意调节电路板的支撑点和朝向状态，规避潜在的摩擦、错接问题。然后将报警器连接到球头活动片上，检查报警器在不同方位上的活动灵活性，并将球头固定到适当位置，以保障红外报警器最大监控面。最后对所构建的被动式红外报警体系进行检查，排除线路误解、透镜位置不当、人体红外传感器错接等潜在失误，保障线路连接正确，各个元器件功能可得到正确发挥。

3.3 被动式红外报警器装置的操作

被动式红外报警器电路图如图1所示。电源通过端子提供电压，该电源与IR传感器的引脚相连。传感器引脚的信号输出连接到旁路的电阻。当给设备供电时，可能会误触发蜂鸣器。这是因为即使没有信号施加到输入端，运放的内部组件也可能向输入端提供一个小的差分电压。即使电压很小，运放的增益也会在输出处产生一个很大的偏置电压。我们通过调整内置电阻的大小来消除这一偏置电压，使输出正好是0 V的信号，此时输入端没有信号输出。

当检测到运动时，传感器的引脚输出一个非常小的电压。这个电压通过运算放大器IC放大。运算放大器IC通过输出引脚向晶体管提供电源。晶体管控制通过继电器电路的功率流。一旦有信号传入，晶体管实际将作为继电器提供触发蜂鸣器所需的电流。

4 实验测试及改良

4.1 实验预期

构建模拟环境，将研发的被动式红外传感器置于模拟环境中，准备饮水机、椅子等非生命体干扰物，以及小猫小狗等生命体干扰物，考察被动式红外传感器的对人体信号的区分情况。积累初步实验数据后，考察被动式红外传感器的在真实环境下的应用效果，包括白天及夜晚环境的使用效果。持续记录为期14 d的实验数据，确认被动式红外传感器的准确性和稳定性。

4.2 实验调试

无源热释电红外报警系统只能安装在室内，误报率与安装位置和方法密切相关。所以在安装时报警系统应高于地面2.0~2.2 m，报警系统应远离空调、冰箱、炉灶等温度变化敏感的地方，应在报警区域范围内，报警系统不应安装在有强流的地方。

安装报警系统后，对系统进行测试。首先，当电路工作正常时，人从远处移动到报警系统，测量报警范围小于7 m。其次，当人通过衰减区域时，系统报警。人的移动速度快，系统的灵敏度更高。速度应小于0.1 m/s。当人从中心移动，即到两侧的最小距离，可得到最大警戒角为80°。当系统开始工作，人员经过该报警区域时，系统发出声光报警。

做好防护措施，接通电路，考察被动式红外传感器的各个元器件是否正常连接、是否可以正常发挥其各自功能、考察被动式红外传感器是否可以对静态人体产生感应信号发出报警、考察被动式红外传感器的球头的转向及转向速度等，是否可跟踪人体的移动形成持续报警等，对于调试过程中发现的问题进行优化研讨分析，不断改进和优化被动式红外传感器的灵活性、识别性和精准性。

4.3 改良措施

为了提高热释电红外传感器的灵敏度和响应速度，我们使用了菲涅耳透镜，其作用有两个，一是将红外辐射信号聚焦于热释电红外探测单元，二是将检测区域划分为几个亮区和暗区，使运动物体在检测区域引起热释电红外传感器温度变化范围内实现连续信号输出。

当人进入报警装置探测范围时，人体红外辐射首先通过菲涅耳透镜，将红外辐射信号聚焦在热释电红外探测单元上，形成交替变化的高敏感区和盲区。由于传感器的两个热释电红外探测单元接收到的热量不同，产生的信号也不同，两个信号实现无偏移输出。

通过转换得到微弱多变的电压信号，然后将信号放大以获得足够的增益。再经后续处理完成报警。根据菲涅耳透镜的特点，它有不同的焦距，因此可以拥有不同的探测距离，进而使报警系统有不同的监视视场，比一般的报警系统具有更大的可调检测区间。

5 结语

被动式红外报警器的电源是一个简单的直流电池，不需要任何反转或整流。经过改良后的传感器，功能效果十分明显，当没有使用红外菲涅耳透镜时，它仅仅能响应0～2 m之间的水平运动，但当使用红外菲涅耳透镜后，它可以响应高达90 m的水平运动。

这款自主研发的被动式红外报警器提供了良好的传感和检测能力，并减少了组件选择的复杂性。在发生故障时，可方便地进行维护和维修。而且所需电子元件均可在本地采购。在没有外界电源供给时，它也可以依靠内置电池持续运行数周。这种被动式红外报警装置设计符合当前行业需要，有望在居家防盗、家庭防火、智能车库中进行实际应用，切实提高居民的生活便利度。同时也有助于实现对静态人体和动态人体的感应识别，在采矿、化工等工业技术领域具有较好应用前景，有望提高对我国一线技术工人的生命安全保障。