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传感器课程设计报告论文杂集 2009-03-15 12:42:55 阅读2482 评论24 字号：大中小 订阅

一、综述
随着时代的不断进步,人们对自己所处环境的安全性提出了更高的要求,尤其是在家居安全方面,不得不时刻留意那些不速之客.现在现在很多小区都安装了智能报警系统,因而大大提高了小区的安全程度,有效保证了居民的人身财产安全.由于红外线是不见光很强的隐蔽性和保密性,因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用.此外,在电子防盗、人体探测等领域中,被动式热释电红外探测器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点而受到广大用户和专业人士的欢迎.
1、基于红外技术报警器的种类
目前国内使用的各类防盗、保安报警器基本都是以超声波、主动式红外发射／接收以及微波等技术为基础.与被动式红外入侵报警器比较,主动式具有灵敏度高,探测距离远,对气候与气象变化有良好的适应能力等优点,比较适合室外或某些特殊警戒使用.但其不足之处是视场角小,警戒区狭窄,安装比较复杂,价格稍贵.主动式红外入侵报警器也由探测器和监控器两部分组成.将一台红外发射机和接收机组合在一起就可以构成一种简单的非可见光束入侵物探测器或报警系统DJ.上述的主动和被动入侵报警器是利用一种传感或探测方式,即单探测技术进行报警的.虽然其结构简单,价格低廉,但由于易受各种因素的影响,如环境温度、震动、光强变化、电磁干扰、小动物活动等的影响,在某些情况下的误报,漏报率会相当高,所以只有采用多种探测技术,才能较好的解决误报率高这一难题.多技术复合入侵报警器是将两种或两种以上的探测技术结合在一起,以“相与”的关系来触发报警装置,即只有当两种或两种以上探测器
同时或相继在短暂时间内都探测到入侵日标时,才发出报警信号.在双探测技术的报警器中,以热释电红外一微波双探测技术组合的误报率最低.
而这里所设计的被动式红外报警器则采用了美国的传感元件——热释电红外传感器.这种热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线,并将其转变为电压信号,同时,它还能鉴别出运动的生物与其它非生物.热释电红外传感器既可用于防盗报警装置,也可以用于自动控制、接近开关、遥测等领域.用它制作的防盗报警器与目前市场上销售的许多防盗报警器材相比,具有如下特点：
●不需要用红外线或电磁波等发射源.
●灵敏度高、控制范围大.
●隐蔽性好,可流动安装.
2、热释电红外传感器简介
热释电红外线传感器是20世纪80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件.它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量变化,并将其转换成电压信号输出.将这个电压信号加以放大,便可驱动各种控制电路,如用于电源开关控制、防盗防火报警、自动监测等.热释电红外传感器不仅适用于防盗报警场所,亦适于对人体伤害极为严重的高压电及×射线、 射线自动报警等.
热释电红外线传感器主要部分是由一种高热电系数的材料制成尺寸为2×lmm的探测元件.在每个探测器内装入一个或两个探测元件,并将两个探测元件以反极性串联,以抑制由于自身温度升高而产生的干扰.探测元件的作用是探测、接收红外辐射并将其转换成微弱的电压信号.为了提高探测器的灵敏度及探测距离,一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜或衍射光学型聚焦镜等.菲涅尔透镜是用透明塑料制成的一种具有特殊光学系数的透镜.用它和放大电路相配合,可将信号放大70dB以上,可以测出10～20m内人的活动.同时利用透镜的特殊原理,在探测器的前方产生一个交替变化的"盲区"和"高灵敏区". 当有人从透镜前走过时,人体发生的红外线就不断地在"盲区"和"高灵敏区"内切换,这样就使接收到的信号以忽强忽弱的脉冲形式输入,增强了能量幅度,从而提高了探测灵敏度.人体辐射的红外线中心波长为9～10μm,而探测元件的波长灵敏度在0.2～20μm范围内,可在传感器顶端开一个装有滤光镜片的窗口,这个滤光片只能通过波长范围为7～10μm的光,这样便可以制成专门探测人体辐射的红外线传感器 .
3、热释电红外传感器的原理
释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器.不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶,其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成,其极化随温度的变化而变化.为了抑制因自身温度变化而产生的干扰,该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式,因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化,并将其转换为电信号输出.热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换.由于热电元输出的是电荷信号,并不能直接使用,因而需要用电阻将其转换为电压形式,该电阻阻抗高达104MΩ,故引入的N沟道结型场效应管应接成共漏形式,即源极跟随器,来完成阻抗变换.热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成.设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片,并在它的两面镀上金属电极,然后加电对其进行极化,这样便制成了热释电探测元.由于加电极化的电压是有极性的,因此极化后的探测元也是有正、负极性的.

二、设计内容
设计课题：基于热释电红外传感器的自动报警器
目前,红外技术作为一种新的技术,它已越来越得到社会各界的重视和广泛应用,已经成为先进科学技术的重要组成部分,它在各领域都得到广泛应用.由于它不是可见光,因此用来制作防盗报警系统,具有良好的隐蔽性,白天和夜里都能用,而且抗干扰能力强,这种报警装置可广泛用于博物馆、单位要害部门和家庭的防护.本课题的目的是通过对现有的光电防盗报警装置优缺点的研究,进行改进和优化,研制出一种新型的光电防盗报警系统,比传统的光电防盗报警系统的误报率低,抗干扰能力强
在综合各类传感器的优劣特点和查阅一些相关的国内外文献后,确定了基于热释电红外传感器的防盗自动报警系统的可行性,设计了由热释电和光敏传感器构成的新的自动报警电路,适用于家庭、仓库、商场的夜晚自动值守防盗保护.
热释电红外传感器感应到入侵者的红外热辐射(人体体温),将其转换成超低频信号,经电路放大,输出.同时由于微波探测器接收到的回波信号的频率(或相位)发生变化,经过电路处理后转变为电信号,输出.两组信号同时到达与「〕,经判断,再将报警信号通过天线发射出,可以用接收电路或收音机接收报警信号.最后本文对热释电红外探测器件性能、微波多普勒探测系统性能进行了检测,分析了微波多普勒探测系统干扰的来源及进入机器的途径,并对其脉冲干扰、电源干扰等提出了抑制办法.

三、本课程设计要达到的技术指标
红外传感头为双敏感元传感器P228,其芯片材料为担酸铿,上有双探测元,具有响应度高(6500V/W)> 噪声低,抗电磁干扰性能好,窗口谱响应(包括探测元和滤光片)为7-15μΜ.热释电红外探测器对入侵者辐射出的红外能量和移动速度两个参数都能探测到,它对横向切割(垂直方向)探测区方向的人体运动最敏感.因此安装热释电红外探测器时,应尽量使入侵者的活动有利于横向穿越其视场,以提高其探测灵敏度.微波多普勒探测器,则对轴向移动(或径向移动)的活动体最为敏感最大,因此,在一个有限的空间两者的探测灵敏度需兼顾.探测最灵敏.安装热释电红外探测器和微波探测器时,具体布置和安装时,应使探测器正前方的轴向方向与来犯者最有可能会穿越的主要方向约成45°角为宜,便使热释电红外和微波两种探测器皆处于较灵敏的状态.
电路主要由热释电红外传感器探测电路、光控电路、报警驱动电路等组成.在温度为-20— +60度之间,电压为3—15V时,热释电能有效探测进入探测区域的红外发射体.

四、实验原理
1、热释电效应
热释电红外探测器最重要的部件是热释电红外传感器.这种传感器的原理基
于热释电效应.某些强介电物质的表面接收了红外线的辐射能量,其表面产生温
度变化,随着温度的上升或下降,在这些物质表面就会产生电荷的变化,这种现
象称为热释电效应,是热电效应的一种.这种现象在钦酸钡之类的强介电质材料
上表现得特别显著.若在钦酸钡一类的晶体的上下表面镀膜形成电极,在上表面
加以黑色膜,若有红外线间歇地照射,其表面温度上升乙T,其晶体内部的原子
排列将产生变化,引起自发极化电荷dP,设该元件的电容量为C,则该元件的电压为乙只℃.需要指出的是,热释电效应产生的表面电荷不是永存的,只要它出现,很快便被空气中的各离子所结合.因此,用热释电效应制成的红外线传感器往往需要在元件的前面加机械式的周期遮光装置,以使此表面电荷周期出现才能实现测量;或者只有当测移动物体时才可不用周期遮光装置.因此红外线探测器在探测静止物体(包括人体)时需要加周期遮光装置;只有检测运动的人体时才无周期遮光装置.

2、实验原理图
该自动防盗报警系统包括热释电红外探测电路、光控电路、报警驱动电路和发射、接收电路.自动报警器在白天处于封锁状态；夜晚自动进入工作状态,只要有人进入热释电红外传感器探测的区域,扬声器就发出报警声.
其组成功能框图如下图所示.

报警
驱动
电路


光控
电路

热释电红外探测器探测电路


报警
电路


该自动报警电路主要由热释电红外传感器探测电路、光控电路（RG、RP2、R4）、报警驱动电路（四声语音集成块IC2等）等组成.白天,受光控传感器RG的控制,VT1处于导通状态,封锁了声控电路；夜晚自动进入工作状态.调节RP1可改变报警声时间的长短.拆除RG及VT1、VT2,并在IC1的④脚与地间加接一只47μF的电容进行开机复位,则自动报警系统就会进入全天候监控状态.

五、实验过程
1、选题
实验小组最初的设计目的是想运用所学的传感器知识制作一个了“温度报警器”,但是该电路比较简单,根据老师的指导,我们准备进行改进和扩展,定为“数字温度报警器”,就是对报警的温度给予定性的表述.然而,在实验的过程中发现缺少较多元器件.最后,我们查阅资料,依然选择了报警器,只是这个课题是基于热释电红外传感器的自动报警器.

2、设计电路
在复习了该类传感器的工作原理、工作特性等基础知识后,我们又查阅了传感器应用电路制作知识以及相关的硕士学位论文,初步确定了实验的电路构成,并经过分析最终设计出了“热释电红外传感器自动报警器”电路.

3、实验器材和实验元器件的准备
设计好电路后最重要的一项工作就是要确定各个元器件的型号和规格.经过分析和计算,我们选定热释电红外传感器的红外传感头为双敏感元传感器P228,芯片为IC：NE5585,扬声器为四声片IC：9561；此外,在实验室准备了其他的实验器材和元器件.

4、在面板上搭接电路
在面板上搭接电路时应注意,搭接人员应先分析熟悉电路,如果不熟悉的人进行搭接会走很多弯路.我们搭接时基本上是先把电路分为四个版块红外探测部分、光控电路部分、驱动电路部分和报警电路部分,按照这四个部分的顺序依次搭接.搭接好后再换一个同学进行检测,主要是先检查电路搭接是否准确无误,然后就是用万用表检测各个原件是否导通完好.经过这么几个步骤,实验电路就基本上在面板上搭好了.

5、仿真调试
前面几个步骤都顺利完成后,我们就进行仿真调试.然而,此时才发现调试结果却并没有达到预期效果,报警器只是轻微鸣了一下.经过分析发现电路和元器件并没有问题,而是在面板上的元器件因为振动等原因接触不好,特别是部分电阻,有时压根就没有连接上.于是,我们采取把面板撑起,让元器件引脚悬空的措施,经过调试达到了预期效果.

6、焊接电路板
焊接电路板看似简单,实际操作起来才发现很困难.刚开始焊接时一点都不熟悉,手也发抖,导致各个引脚的焊锡过大,经常使部分电阻短路,更困难的是造成虚焊,因为很难检查.经过焊接、检查、焊接、再检测,终于把电路板焊接好,再进行试验,能完成任务,达到目的.

7、整理实验器材
实验结束,收拾整理实验的器材,归还器材管理人员.

8、验收
最后,将做成的产品交给老师检查、验收.

六、讨论
该自动报警器因具有检测范围宽、探测距离远、可靠性高、隐蔽性好等优点,所以改装后,基于红外探测技术的自动报警器还可用于军事等方面,如部队的弹药库等,此外,军用红外技术的飞速发展和广泛应用,表明红外技术的地位己从以往的战术地位向战略地位发展,对未来战争将有重大的影响.在民用方面,光电防盗报警系统的应用就更广泛了.美国用于飞机货舱防火的热监视系统就是基于这个道理,现在飞机货舱配置的火灾探测系统并不符合目前联邦航空管理局的要求,其中有一条技术规定,即在火灾发生后一分钟内将其探测出来.联邦航空管理局关于适航性的新规定要求改进由波音公司和麦克道耐尔道格拉斯公司生产的所有客货飞机上的火灾探测系统.人们研制了一种符合联邦航空管理局新规定的热监视/火灾探测系统.它基于同菲涅尔扫描光学系统祸合起来的红外探测技术,并且使用双重的计其他方面:如银行、库房和家庭.随着住宅智能化系统设计的不断扩大和深入,安防系统工程的实施越来越普及.住宅用光电防盗报警系统可以利用电话的免提功能或号码记忆功能,直接报警给监控中心,而监控中心一旦接到报警信号,可查出住户姓名、地址、单元楼层,很快作出反应.

七、体会
课程设计是实培养学生综合运用所学知识,发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.回顾起此次课程设计,我感慨颇多.我们在设计过程中,的确出现过一些问题,比如说课题的临时更改,电阻不合适,电容缺少等,在解决这些问题时往往很费脑筋.这些事情说起来比较容易,但真是到了实验时就不是那么简单了,有时电路焊得很密,想拆下来电阻都很难,更别说是在换上新电阻了.
总之,从选题到定稿,从理论到实践,在整个过程里,可以说困难比想象的要难得多,但是确实也学到了很多的的东西.通过此次课程设计,我学到了关于传感器和电路设计方面的许多知识,学到了如何查阅科技论文,和很好的利用科技知识.当然,因为合作不够协调的原因,此次课程设计也留下了很大的遗憾,没能最终设计一个完整的产品出来,很是可惜.这也为今后的学习和工作得到了教训和启示!最后感谢老师的指导和组员的帮助!

八、参考文献
《传感器应用电路300例》 孙余凯 吴鸣山 项绮明 编著
电子工业出版社
《传感器应用电路集萃》 卿太全 梁 渊 郭明琼 编著
中国电力出版社
《单片机原理与应用》 杨恢先 黄辉先 等编著
国防科技大学出版社
张华.新型光电防盗报警系统的研制.
万方数据库.长春理工大学硕士学位论文.
曾宏博. 一种热释电红外探测器专用控制芯片的设计.