第4题
第8题
A.被动红外探测器
B.主动红外探测器
C.微波/红外探测器
D.振动探测器
第10题
光电红外报警系统的制作
光电红外报警系统是一种重要的安全防范系统。目前其种类已经日益增多。有对飞机、导弹等军事目标入侵进行的报警系统,也有对机场、重要设施或危禁区域防范进行报警的系统。且目前普遍应用在企事业单位、住宅小区与家庭的安全防范系统中。本实验就是自己动手制作主动式红外探测报警系统。
实验目的
(1)自拟制作光电红外报警系统及调试;
(2)通过这一实验,培养训练学生设计制作的综合能力,实际动手能力,分析思考与解决问题的能力等。
实验内容
(1)用砷化镓发光管组成发射系统,在发射和接收系统之间有红外光束警戒线。当警戒线被阻断时,接收系统发出报警信号。要求系统在给定器件的条件下,使作用距离尽可能远。
(2)用硅光电探测器件组成接收系统,对影响光电探测性能的各种参数进行探讨,以求最大限度地发挥系统的探测能力。
实验设备及器材
(1)直流稳压电源
(2)示波器
(3)万用表
(4)HG412A型砷化镓发光二极管
(5)2CU2D型硅光电二极管
(6)LF353型双运算放大器及报警用红光LED
(7)NE555定时器、晶体二极管及阻容元件等
实验基本原理
随着现代社会经济的高速发展,人民生活水平也大幅度提高,因而对安全提出了要求,其首选的安全防范装置就是防盗探测器。但防盗报警探测器有各种各样,如被动和主动式红外探测器、微波探测器、振动探测器、玻璃破碎探测器、还有机电、光电、超声波与感应触发式防盗报警探测器等等。但其中,企事业单位室内与家用以被动式红外探测器的应用最多。
由于对安全的要求越来越高,家庭的安全防范也从室内扩展到室外的周界防范。目前使用较多的周界防范产品有:主动式红外对射探测器、电子围栏、张力铁线防越探测网、静电探测网、微波探测器、振动探测器、光纤防越栅栏、视频运动探测与跟踪系统等等。但其中,由于主动式红外探测器具有隐蔽性好、实时警戒报警、抗干扰强、可靠性高、安装简便、价格便宜等特点,因而在企事业单位、住宅小区与高级别墅的应用最多。
1.主动式红外探测器的工作原理
所谓主动红外探测器,是能主动发射红外光,即当被探测目标侵入所防范的警戒线时,遮挡了红外发射机与接收机之间的红外光束,我们把这种能响应被遮挡红外光束,并进入报警状态的电子装置称为主动红外探测器。
主动式红外探测器的工作原理方框如下图所示。
由图可知,主动红外探测器的发射机发出一束经调制的红外光束,被红外接收机接收,从而形成一条红外光束组成的警戒线。当被探测目标侵入该警戒线时,红外光束被部分或全部遮挡,此时接收机接收的信号就会发生变化,它经放大与信号处理后,即控制发出报警信号。
主动红外的发射光源,通常用红外发光二极管,其特点是体积小、重量轻、寿命长、功耗小,交直流供电都能工作,晶体管、集成电路都能直接驱动等。还有一些半导体激光器,如砷镓铝双异质结半导体激光器等,也工作在红外波段,因而也是一种主动红外探测器。主动红外探测器的光源通常采用脉冲调制的脉冲波形,其发射机采用自激多谐振荡器作为调制电源,使它产生很高占空比的脉冲波形,去调制红外二极管发光,以发射出红外脉冲调制光谱。这样,就大大降低了电源的功耗,提高了灵敏度,又增加了系统抗杂散光的干扰能力。
对光束遮挡型的探测器,要适当选取有效的报警最短遮光时间。因为遮光时间选得太短,会引起不必要的噪声干扰,如小鸟飞过、小动物穿过都会引起报警;而遮光时间选得太长,又可能导致漏报。因此,通常以10m/s的速度通过镜头的遮光时间,来定最短遮光时间。如人的最小宽度为20cm,则最短遮断时间为20cm/(10m/s)=20ms。所以,最短遮光时间大于20ms,系统报警;遮光时间小于20ms,则不报警。
主动红外探测器多采用双光路,可大大提高其抗干扰、防误报的能力。这种主动红外探测器寿命长、价格低、易调整,因此被广泛使用在电视监控报警系统工程中。
当主动红外探测器用在室外自然环境时,比如无星光和月亮的夜晚,以及夏日中午太阳光的背景辐射的强度比可超过100dB时,这就使接收机的光电传感器工作环境相差太大。通常采用截止滤光片,滤去背景光中的极大部分能量(主要滤去可见光的能量),使接收机的光电传感器在各种户外光照条件下的使用条件基本相似。
此外,室外的大雾还会引起传输中红外光的散射,这就大大缩短了主动红外探测器的有效探测距离。如实测某红外探测器:在无雾时有效探测距离7km;浅雾时有效探测距离2.5km;轻雾时有效探测距离1km;中雾时有效探测距离0.6km;重雾时有效探测距离0.3km。因此,这也是作安防工程时需考虑的。
激光与一般光源相比,有方向性好、亮度高、单色性好、相干性好等特点,所以当要求距离远时,可采用红外半导体激光器来代替红外发光二极管作红外光源。通常,使激光器产生脉冲式激光,经光学系统向外发射激光光束,由激光接收机接收,以形成一条激光束组成的警戒线。当被探测的目标侵入防范警戒线时,激光束被遮挡,接收机接收到光信号发生变化,其变化的信号经放大、处理后就发生报警信号。
激光探测器的作用距离为
(30-1)
式中,P1为激光功率;QT为光束发散角;m为调制光束调制度;SR为接收面积;PR为接收到的功率。
由此可见,要提高探测器的作用距离,有以下两种方法:
①增大激光源的发射功率,增加光学系统的透过率,减小发射装置的发散角。
②采用高灵敏度的光电传感器,可降低报警所需接收的最小功率,也可有效加大作用距离。此外,接收机的光电传感器的峰值灵敏度波长,应与探测器光源的波长尽可能一致。
激光具有高亮度、高方向性,所以激光探测器十分适合于远距离的线控报警装置。由于能量集中,可以在光路上加反射镜,反射激光,围成光墙。从而用一套激光探测器可以封锁一个场地的四周,或封锁几个主要的通道路口。
由于激光光源采用脉冲调制,抗干扰能力强,其稳定性能好,一般不会有因机器本身产生的误报警,如果采用双光路系统,可靠性更会大大提高。
主动式红外接收探测器就是用半导体硅作成的硅光电池、硅光电二极管或硅光电三极管,它们同硅CCD一样,能接收400~1100nm的可见光与近红外光。
2.被动式红外探测器的工作原理
任何高于绝对零度的物体都会释放出红外线,温度越高,红外辐射的峰值波长就越短。通常,人体可辐射出中心波长为9μm~10μm的红外线,而热释电探测器的波长在0.2~20μm范围内几乎是不变的,所以我们在芯片表面贴上截止波长为8~12μm的滤光片,于是就可得到只对人体敏感的热释电红外探测器。
热释电探测器用于防盗报警系统的电路构成方框图如下图所示。这是由菲涅尔透镜、热释电传感器、放大器、滤波器、电平比较器、驱动电路、继电器和稳压电源等组成。菲涅尔透镜的构造如第二个图所示。它是由聚乙烯材料注压而成的薄片,在薄片上压制有三种不同宽度的分格竖条,单个竖条平面实际上是一些同心的螺旋线。它的作用是聚集红外线能量,当人体在菲涅尔透镜前面通过时,它具有将连续的红外辐射分割成断续红外辐射的能力,从而可形成红外脉冲。
由于热释电是交流器件,它只能探测入侵的移动人体。因此,在实际使用中,把探测器放置在所要防范的区域里,那些固定的景物如厂房、展厅、柜台展品就成为不动的背景。背景辐射的微小信号变化,就是背景噪声。
如不考虑背景噪声,而只考虑红外传感器本身的噪声,在探测距离内,被动红外探测器的作用距离方程为:
(30-2)
式中,Do为光学系统通光口径;NA=Do/2f为光学系统数值孔径;η为光学系统的传输效率;Ie为目标的辐射强度;τ为大气透过率;D*为传感器的光谱探测度;ω为视场角;△f为等效噪声带宽;Us/Un为探测器确定的信噪比。
由(30-2)式可见,要提高作用距离R值,必须:
①增大通光口径D。,增强光学系统的η;
②增大探测器传感器的探测度D*;
③减小视场角;
④减小等效噪声带宽。
热释电红外探测器有双源、四源等种类,红外源几何形状有方形和交迭形,有模拟式或数字式自动脉冲数调节等。
一般,普通的被动红外探测器虽然有功耗小、隐蔽好、无辐射、价格低等优点,但在有些情况下表现有探测能力低和发生误报的缺点。随着现代光电等科学技术的发展,目前新型的被动红外探测器,基本上解决了过去普通被动红外探测器的缺点。
实验制作的红外报警系统
要求实验制作的红外报警系统为主动式,它可由下图所示的五个部分组成。调制电源提供GaAs发光管确定规律变化的调制电压,使发光管发出红外调制光,在一定距离以外用光电二极管接收调制光。转换后的信号经放大,检波后控制报警器,全部实验电路自拟。
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