红外超声波双监探头

1 红外超声波双监探头 金贻宁 自动化技术 上海应用技术学院机电学院 摘要 本毕业设计是采用红外线和超声波进行人体检测的设计课题。红外线探头采用的是SD02的热释电红外探头。构成超声波探头部分采用T/R40小型超声波传感器。其双监探头的监测距离可达到8米。同时采用红外和超声探头可以弥补使用单一探头时的局限性大幅度的提高了精度，是误报率降为3％以内。可适用于工业监控，安全防盗等领域。

关键词 红外线传感器(Infrared ray sensor) ，超声波传感器(Ultrasonic sensor) 多普勒效应(Doppler effect)

Abstract This paper presents a detailed description of using infrared ray sensor and ultrasonic senor in human inspecting field. We chose Senor SD02 as infrared ray inspecting part. We adopt T/R40 Tiny Senor as ultrasonic inspecting part. The available range is 8M.Both use two different kind senor can make up when you use only one kind sensor’s shortcoming. On the one hand it can improve the system precision. On the other hand it lower the error rate. This system is suit for the industry control、security and in many other fields.

Keyword Infrared ray sensor Ultrasonic sensor Doppler effect 2

1 整体电路设计框图 1.1系统框图分析

图1-1 红外超声双监探头设计框图 如图1-1所示，该框图由红外传感器、超声波传感器、电源、放大电路、滤波放大比较电路和逻辑门电路组成。由于单独使用红外线探头，易受太阳光的影响，会产生相当程度的误报。而单独使用超声波探头，则会受气流的影响，产生误报。本产品利用两种探测方式进行互补，由热释电红外线传感器、放大电路电压比较电路组成的红外探头部分，传送人体信号；超声波探头部分有超声波传感器及滤波放大电路整合电压比较电路组成，传送物体移动信号。系统将这两部分产生的信号叠加，并通过相关逻辑电路进行判断，两信号同时作用时输出控制信号。电源部分负责对本系统进行正常及紧急时的供电。

控制输出

热释电远红外传感器 超声波传感器 比较 电路

放大比较电路

& 12V

电源

放大器

放大器 3

2 红外线探头设计

图2-1 红外探头的电路框图 图2-1为红外线探头工作电路框图。该图由检测变换部分，放大比较电路及延时驱动电路三部分组成。检测变换部分其作用是将红外信号转换成电量信号。放大比较电路作用是先将检测到的微小的电信号放大到标准的直流信号。再由比较器将该信号与基准电压相比较来决定是否输出信号。驱动电路是将由比较器输入的一系列脉冲信号经处理而后输出控制信号。延时电路是防止电路刚上电时立即响应，而让开机人员有时间离开但并不触发报警。

人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。人体发射的10UM左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。 1)这种探头是以探测人体辐射为目标的。所以热释电元件对波长为10UM左右的红外辐射必须非常敏感。 2)为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲泥尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。 3)被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。 4)一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而报警。 5)菲涅尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。 被动式热释电红外探头的优缺点：

优点： 本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好。价格低廉。

红外线传感器 放大滤波 驱动电路 比较器 基准电压 延时电路 4 缺点： ◆ 容易受各种热源、光源干扰 ◆ 被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收。 易受射频辐射的干扰。 ◆ 环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵。

抗干扰性能： 1、防小动物干扰 探测器安装在推荐地使用高度，对探测范围内地面上地小动物，一般不产生报警。 2、抗电磁干扰 探测器的抗电磁波干扰性能符合GB10408中4.6.1要求，一般手机电磁干扰不会引起误报。 3、抗灯光干扰 探测器在正常灵敏度的范围内，受3米外H4卤素灯透过玻璃照射，不产生报警。 本电路均由分立元件构成，结构简单，价格低廉，准确率高，具有良好的性价比，能满足不同层次的需要。 今后安防传感器要向误报，漏报为零的方向发展，而且，还有实现智能化。要实现误报，漏报为零的目标，不仅需要充分了解传感器本身的可靠性，还要了解传感器的原理和特性，同时要认准各种传感器的规格，选择合适的传感器。并应该考虑安装现场的环境，对施工，使用和维修等，也应进行充分研究和思考。

2.1 红外线传感器 2.1.1 概述 凡是存在于自然界的物体，例如人体、火焰、冰等物体都会发射出红外线，只是其发射的红外线的波长不同而已。人体的温度为36-39℃，所放射出的红外线的波长为：9-10微米（属于远红外线区）。人体、动物等具有表面温度的物体都能辐射远红外波。红外线的中心波长约为10微米。采用8-10微米波长的双元件热释电远红外线传感器，它可以检测人体发射的红外线，与穿衣服多少无关。

采用双元件的传感器可以消除环境温度变化引起的误动作。为提高检测距离，采用焦距为15-20毫米的菲涅尔透镜（聚光光学系统），这样可检测距离为8M（视野约70度）。红外线检测元件输出的电压较低，因此应特别注意到噪声的影响。 红外线光电传感器 红外技术发展到现在，已经为大家所熟知，这种技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类：（1）辐射计，用于辐射和光谱测量；（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；（3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；（4）红外测距和通信系统；（5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。 我们先看看红外系统的组成、主要光学系统和辅助光学系统，在此基础上对红外的关键元件进行详细的探讨。其实，红外传感器的工作原理并不复杂，一个 5

典型的传感器系统各部分的工作原理如图所示；图中的实体分别是： 图2-2典型传感器系统各部分的工作原理 红外传感器工作原理 （1）待侧目标。根据待侧目标的红外辐射特性可进行红外系统的设定。 （2）大气衰减。待测目标的红外辐射通过地球大气层时，由于气体分子和各种气体以及各种溶胶粒的散射和吸收，将使得红外源发出的红外辐射发生衰减。 （3）光学接收器。它接收目标的部分红外辐射并传输给红外传感器。相当于雷达天线，常用是物镜。 （4）辐射调制器。对来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光，提供目标方位信息，并可滤除大面积的干扰信号。又称调制盘和斩波器，它具有多种结构。 （5）红外探测器。这是红外系统的核心。它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射的传感器，多数情况下是利用这种相互作用所呈现出的电学效应。此类探测器可分为光子探测器和热敏感探测器两大类型。 （6）探测器制冷器。由于某些探测器必须要在低温下工作，所以相应的系统必须有制冷设备。经过制冷，设备可以缩短响应时间，提高探测灵敏度。 （7）信号处理系统。将探测的信号进行放大、滤波，并从这些信号中提取出信息。然后将此类信息转化成为所需要的格式，最后输送到控制设备或者显示器中。 （8）显示设备。这是红外设备的终端设备。常用的显示器有示波器、显像管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。 依照上面的流程，红外系统就可以完成相应的物理量的测量。红外系统的核心是红外探测器，按照探测的机理的不同，可以分为热探测器和光子探测器两大类。下面以热探测器为例子来分析探测器的原理。 热探测器是利用辐射热效应，使探测元件接收到辐射能后引起温度升高，进而使探测器中依赖于温度的性能发生变化。检测其中某一性能的变化，便可探测出辐射。多数情况下是通过热电变化来探测辐射的。当元件接收辐射，引起非电量的物理变化时，可以通过适当的变换后测量相应的电量变化。 红外传感器已经在现代化的生产实践中发挥着它的巨大作用，随着探测设备和其他部分的技术的提高，红外传感器能够拥有更多的性能和更好的灵敏度。