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探測(cè)器大全原理匯編
  • 更新時(shí)間:2009-06-18      瀏覽次數(shù):12207
    • 1 入侵報(bào)警探測(cè)器

          入侵報(bào)警探測(cè)器用來(lái)探測(cè)入侵者的入侵行為。需要防范入侵的地方可以是某些特定的部位,如門、窗、柜臺(tái)、展覽廳的展柜;或是條線,如邊防線、警戒線、邊界線;有時(shí)要求防范范圍是個(gè)面,如倉(cāng)庫(kù)、重要建筑物的周界圍網(wǎng)(鐵絲網(wǎng)或圍本墻);有時(shí)又要求防范的是個(gè)空間,如檔案室、資料室、武器室、珍貴物品的展廳等,它不允許入侵者進(jìn)入其空間的任何地方。因此入侵報(bào)警系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)根據(jù)被防范場(chǎng)所的不同地理特征、外部環(huán)境及警戒要求選用合適的探測(cè)器以達(dá)到安全防范的目的。
          入侵探測(cè)器應(yīng)有防拆、防破壞等保護(hù)功能。當(dāng)入侵者企圖拆開(kāi)外殼或信號(hào)傳輸線斷路、短路或接其它負(fù)載時(shí),探測(cè)器應(yīng)能發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
          入侵探測(cè)器還要有較強(qiáng)的抗干擾能力。在探測(cè)范圍內(nèi),任何小動(dòng)物或長(zhǎng)150mm、直徑為30 mm具有與小動(dòng)物類似的紅外幅射特性的圓筒大小物體都不應(yīng)使探測(cè)器產(chǎn)生報(bào)警;探測(cè)器對(duì)于與射束軸線成15°或更大一點(diǎn)的任何界外光源的幅射干擾信號(hào)應(yīng)不產(chǎn)生誤報(bào);探測(cè)器應(yīng)能承受常溫氣流和電鈴的干擾;應(yīng)能承受電火花的干擾。
       

      2.傳感器
          傳感器是入侵探測(cè)器的核心,它是一種物理量轉(zhuǎn)換器件,可以將入侵時(shí)所產(chǎn)生的力、壓力、位移、振動(dòng)、溫度、聲音、光強(qiáng)等物理量轉(zhuǎn)化為易于處理的電信號(hào)和電參量,如電壓、電流、電阻、電容等。這種轉(zhuǎn)換是按照一定的規(guī)律進(jìn)行的。被探測(cè)的信號(hào)我們稱之為輸入信號(hào)x,轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)稱之為輸出信號(hào)y,那么有y=f(x),f稱之為轉(zhuǎn)換函數(shù)。轉(zhuǎn)換函數(shù)則反映了一定的轉(zhuǎn)換規(guī)律。對(duì)傳感器來(lái)說(shuō)輸入信號(hào)除了被探測(cè)的入侵行為所產(chǎn)生的物理信號(hào)外,還包括有干擾所產(chǎn)生的氣壓、溫度、振動(dòng)、噪聲等干擾信號(hào),因此實(shí)際上轉(zhuǎn)換函數(shù)應(yīng)是一多元函數(shù),但好的傳感器會(huì)使干擾對(duì)輸出的影響被忽略。
          傳感器的輸出電信號(hào)有兩種,一種是連續(xù)變化的信號(hào),我們稱之為模擬量。如光電二極管輸出的電流隨光照強(qiáng)度大小而變化就是一種連續(xù)變化的物理量。但報(bào)警控制器通常只接收入侵行為是否發(fā)生的有無(wú)信號(hào)來(lái)決定相應(yīng)的防范措施。這就需要將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成只有“有”和“無(wú)”兩種狀態(tài)的數(shù)字量,通常用“1”表示“有”,用“0”表示“無(wú)”。這種轉(zhuǎn)換可以在探測(cè)器中完成,也可以在報(bào)警控制器中完成。通常是將傳感器探測(cè)到的模擬信號(hào)與一予先確定的基準(zhǔn)信號(hào)相比較,小于基準(zhǔn)信號(hào)可認(rèn)為該信號(hào)為干擾引入而非入侵信號(hào),判定為“0”,超過(guò)基準(zhǔn)值時(shí)的信號(hào)則只能在入侵行為發(fā)生時(shí)產(chǎn)生,判定為“1”。
          也有少數(shù)的傳感器產(chǎn)生并輸出的信號(hào)只有兩種狀態(tài),如干簧繼電器的“通”與“斷”,已經(jīng)是數(shù)字信號(hào)而不需轉(zhuǎn)換和比較,可直接被控制器接收。
      1.開(kāi)關(guān)傳感器
      開(kāi)關(guān)傳感器是一種簡(jiǎn)單、可靠的傳感器,也是一種zui廉價(jià)的傳感器,廣泛應(yīng)用于安防技術(shù)中。它可以將壓力、磁場(chǎng)或位移等在入侵行為發(fā)生時(shí)所產(chǎn)生的物理量轉(zhuǎn)化為傳感器內(nèi)部電路的“開(kāi)”和“關(guān)”兩種電信號(hào)。
      (1) 微動(dòng)開(kāi)關(guān)、簧片型接觸開(kāi)關(guān)
      開(kāi)關(guān)在壓力的作用下接通,從而發(fā)出報(bào)警信號(hào);在無(wú)壓力作用時(shí)是斷開(kāi)的;或者反過(guò)來(lái)工作。此類開(kāi)關(guān)通常用在某些點(diǎn)探測(cè)器中,用以監(jiān)視門、窗、柜臺(tái)等特殊部位。
      (2) 舌簧繼電器
      舌簧繼電器又稱干簧繼電器,是一種將磁場(chǎng)力轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的傳感器,其結(jié)構(gòu)如圖2-2。
      圖2-2  干簧繼電器的構(gòu)造
          干簧管的干簧觸點(diǎn)常做成常開(kāi)、常閉或轉(zhuǎn)換三種不同形式。開(kāi)關(guān)簧片通常燒結(jié)在與簧片熱膨脹系數(shù)相近的玻璃管上,管內(nèi)充有氮?dú)饣蚨栊詺怏w以避免觸點(diǎn)被氧化和腐蝕,還可以有效防止空氣中塵埃與水氣污染。
      干簧管中的簧片是用鐵鎳合金制成,具有很好的導(dǎo)磁性能,與線圈或磁塊配合,構(gòu)成了干簧繼電器狀態(tài)的變換控制器,簧片上的觸點(diǎn)鍍金、銀、銠等貴金屬,以保證通斷能力。常開(kāi)舌簧繼電器的兩個(gè)簧片在外磁場(chǎng)作用下其自由端產(chǎn)生的磁極極性正好相反,二觸點(diǎn)相互吸合,外磁場(chǎng)不作用時(shí)觸點(diǎn)是斷開(kāi)的,故稱常開(kāi)式舌簧繼電器。常閉舌簧管的結(jié)構(gòu)正好與常開(kāi)式相反,是無(wú)磁場(chǎng)作用時(shí)吸合,有磁場(chǎng)作用時(shí)斷開(kāi)。轉(zhuǎn)換式舌簧繼電器有常開(kāi)、常閉兩對(duì)觸點(diǎn),在外磁場(chǎng)作用下?tīng)顟B(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換。
      使用時(shí)通常把磁鐵安裝在被防范物體(如門、窗等)的活動(dòng)部位(門扇、窗扇),干簧管安裝在固定部位(門框、窗框),如圖2-3所示。
      圖2-3  安裝在門窗上的磁控開(kāi)關(guān)
      磁鐵與舌簧管的位置要調(diào)整適當(dāng),以保征門窗關(guān)閉時(shí)磁鐵與干簧管接近而干簧管觸點(diǎn)動(dòng)作,當(dāng)門窗打開(kāi)時(shí)干簧管觸點(diǎn)復(fù)位而產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。
      (3) 易斷金屬導(dǎo)線
      易斷金屬線是一種用導(dǎo)電性能好的金屬材料制成的機(jī)械強(qiáng)度不高、容易斷裂的導(dǎo)線,用它作為傳感器時(shí),可將其捆繞在門、窗把手或被保護(hù)的物體上,當(dāng)門、窗被強(qiáng)行打開(kāi)或物體被意外移動(dòng)時(shí)金屬線斷裂,使與其連通的電路斷路而發(fā)出報(bào)警信號(hào)。易斷金屬導(dǎo)線可以是0.1mm~0.5mm的漆包線,也可以采用一種導(dǎo)電膠粘帶。易斷金屬導(dǎo)線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn)是不便于偽裝且沒(méi)有自恢復(fù)功能。
      (4) 壓力墊
      壓力墊也可以作為開(kāi)關(guān)報(bào)警探測(cè)器的一種傳感器。壓力墊通常放在防范區(qū)域的地毯下面,如圖2-4所示。將兩長(zhǎng)條形金屬帶平行相對(duì)地分別放在地毯背面和地板之間,兩條金屬帶之間有幾個(gè)位置使用絕緣材料支撐,使兩條金屬帶互不接觸,此時(shí)相當(dāng)與傳感器開(kāi)關(guān)斷開(kāi),當(dāng)入侵者進(jìn)入防范區(qū)域時(shí),踩踏地毯而使相應(yīng)部位受力凹陷,兩條金屬帶接觸,此時(shí)相當(dāng)于傳感器開(kāi)關(guān)閉合而發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
      圖2-4  壓力墊使用示意圖
      2.壓力傳感器
      壓力傳感器把傳感器上受到的壓力變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電量變化,經(jīng)過(guò)放大成為電信號(hào)。某些晶體材料,當(dāng)某方向受到外力作用時(shí),其內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象,在某方向兩個(gè)表面上產(chǎn)生正負(fù)電荷,當(dāng)作用力改變時(shí),電荷的大小和極性隨之改變,晶體所產(chǎn)生的電荷量大小和極性隨之改變,晶體所產(chǎn)生的電荷量大小與外力的大小成正比,這種現(xiàn)象稱正壓電效應(yīng)。反之某些晶體加一交變電場(chǎng),晶體將產(chǎn)生機(jī)械變形,這種現(xiàn)象稱逆壓電效應(yīng)。圖2-5為壓電效應(yīng)原理示意圖。
      圖2-5  壓電效應(yīng)原理示意圖
      具有壓電效應(yīng)的晶體材料我們稱之為壓電材料。壓力傳感器就是利用壓電材料的正壓電效應(yīng)制成。
      現(xiàn)在常用的壓電材料是人工合成的。天然的壓電單晶也有,但效率低,利用難度較大,用的較少,只有在高溫或低溫等特殊狀態(tài)下,才利用單晶石英晶體。
      壓電陶瓷是人工燒結(jié)的一種常用多晶壓電材料,壓電陶瓷燒結(jié)方便,容易成形,強(qiáng)度高,而且壓/電轉(zhuǎn)換的系數(shù)大,為天然單晶石英晶體的幾十倍,而制造成本只有石英單晶的百分之一,因此壓電陶瓷廣泛被用做壓力傳感器材料。
      常用的壓電陶瓷材料有鈦酸鋇、鈮鎂酸鉛,鉛鈦酸鉛等。
      壓電陶瓷材料燒結(jié)后,zui初并不具有壓力特性。這種陶瓷材料內(nèi)部有許多無(wú)序排列的“電疇”,這些“電疇”在一定外界溫度下,接受一強(qiáng)化電場(chǎng)的作用,使其按外電場(chǎng)的方向整齊排列,這就是極化過(guò)程。極化后的陶瓷材料在撤去外電場(chǎng)后,其內(nèi)部電疇的排列不變,具有很強(qiáng)的極化排列,這時(shí)陶瓷材料才具有壓電性。
      壓電陶瓷材料通常做成長(zhǎng)方體。當(dāng)某一方向上的對(duì)應(yīng)兩面受到外力作用時(shí),在壓電陶瓷的這兩面上就會(huì)出現(xiàn)電荷堆積,電量的大小與受力的大小成正比。此時(shí)壓電陶瓷相當(dāng)于一個(gè)靜電發(fā)生器,或是一個(gè)以壓電材料為介質(zhì)的電容器,電容量的大小為
      C=ε?ε0?A/δ
      式中,
      ε0 —— 真空介電常數(shù)(8.85×10-12 F/m);
      ε  ——  壓電材料相對(duì)介電常數(shù);
      A  —— 受力極板面積;
      δ —— 壓電材料厚度。
      而電容兩端的開(kāi)路電壓U=Q/C,Q為極板上電荷量的大小,與所受外力成正比,一般電量Q很小,因此感應(yīng)出的U也很小。為了能檢測(cè)出U的變化,要求壓電陶瓷本身有相應(yīng)的阻抗,同時(shí)前端放大器也應(yīng)有*的輸入阻抗,通常探測(cè)器的前端放大器用場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)?yè)?dān)當(dāng)。由于輸入阻抗過(guò)高,很容易竄入干擾信號(hào),為此前端放大器應(yīng)直接接在傳感器的輸出端,信號(hào)經(jīng)放大后輸出一個(gè)高電平、低阻抗的探測(cè)電信號(hào)。
      有機(jī)壓電材料是新近研究開(kāi)發(fā)出來(lái)的新型壓電材料,如聚氯乙烯、聚二氟乙烯等,它具有柔軟、不易破碎的特點(diǎn)。
      半導(dǎo)體壓力傳感器是利用硅結(jié)晶的壓電電阻效應(yīng)以及二極管、晶體管的電流、電壓特性制成的元件。當(dāng)硅半導(dǎo)體材料受到外力作用時(shí),晶體處于扭曲狀態(tài),由于載流子遷移率的變化而導(dǎo)致晶體阻抗變化的現(xiàn)象稱之為壓電電阻效應(yīng)。用ΔR表示晶體阻抗的變化,它的變化率為:
      ΔR/R = (Δρ/ρ)?τ?σ=G?σ
      式中,
      τ——壓電電阻系數(shù)
      ρ——電阻率
      σ——應(yīng)力
      G ——比例因子
      半導(dǎo)體壓力傳感器的比例因子G高達(dá)200,G越高,靈敏度越高。
      圖2-6所示為半導(dǎo)體壓力傳感器結(jié)構(gòu)。當(dāng)硅膜片受壓時(shí),擴(kuò)散電阻值發(fā)生變化,將R1、R2、R3、R4接成橋路,如圖2-7所示。
      圖2-6  半導(dǎo)體壓力傳感器結(jié)構(gòu)
      圖2-7  壓力傳感器輸入輸出橋
      圖2-8為半導(dǎo)體壓力傳感器的壓電傳輸特性,可以看出輸出電壓隨壓力的變化而變化,且線性度較好。
      圖2-8  壓電傳輸特性
      用來(lái)檢測(cè)壓力的傳感器還有靜電容式壓力傳感器和硅振動(dòng)式壓力傳感器。靜電容式壓力傳感器是將壓力膜微小的位置變化轉(zhuǎn)換成靜電容變化的傳感器。硅振動(dòng)式壓力傳感器是用微加工方法將膜片加工成長(zhǎng)50?m、寬20?m~30?m、厚5?m的硅振子膜片,當(dāng)膜片受到壓力時(shí),則把壓力轉(zhuǎn)換為張力,使膜片產(chǎn)生振動(dòng)。但為使振子不直接與測(cè)量膜片接觸,防止振子的污染和劣化,而將其全部封在真空室內(nèi),故硅振動(dòng)式壓力傳感器的工作條件要求*,在這里就不詳述了。
      3.聲傳感器
      入侵事件發(fā)生時(shí),總會(huì)有說(shuō)話、走動(dòng)、擊碎玻璃、鋸鋼筋等聲音發(fā)生,能夠把這些聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成一定電量的傳感器都稱為聲傳感器。
      聲音為一種機(jī)械波,聲音的傳播是機(jī)械波在媒質(zhì)中傳播的過(guò)程。當(dāng)聲波頻率在20Hz~20kHz時(shí)人耳能接收到,稱為可聞聲波。當(dāng)頻率低于20Hz時(shí)稱為次聲波,高于20kHz時(shí)稱為超聲波,次聲波和超聲波人耳均聽(tīng)不到。
      (1) 駐極體傳感器
      駐極體是一種*性帶電的介電材料,它能把聲能或機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能,或者將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能或聲能。
      駐極體傳感器的核心是駐極體箔。它由一張絕緣薄膜組成,薄膜上帶電荷,通常由聚四氟乙烯等碳鹵聚合物制成,具有*的絕緣電阻。通過(guò)外電場(chǎng)對(duì)絕緣薄膜兩側(cè)充電,則膜上的電荷能長(zhǎng)時(shí)間保存。若在常溫和相對(duì)干燥的環(huán)境下保存,聚四氟乙烯上的電荷能保存近百年;在常溫和相對(duì)濕度為95%的潮濕環(huán)境下,電荷的衰減時(shí)間也能達(dá)到近10年。
      通常把一片駐極體膜緊貼在一塊金屬板上,另一片駐極體膜相對(duì)安放,中間為10?m的薄空氣層,構(gòu)成一個(gè)駐極體傳感器。二片相對(duì)而立的駐極體膜形成一個(gè)電容器,根據(jù)靜電感應(yīng)原理,與駐極體相對(duì)應(yīng)的金屬板上會(huì)感應(yīng)出大小相等、方向相反的電荷。駐極體上的電極在空隙中形成靜電場(chǎng),在聲波作用下,駐極體箔會(huì)有一個(gè)位移d。在駐極體膜開(kāi)路的條件下,膜片兩端感應(yīng)的靜電場(chǎng)
      U=E?d =σd1d/ε0 (d1 +εd2 )
      式中,E —— 膜片間隙中電場(chǎng)強(qiáng)度
      σ—— 駐極體表面電荷密度
      d1—— 駐極體箔的厚度
      d2—— 膜間空氣厚度
      εO—— 自由空間介電常數(shù)
      ε—— 駐極體材料的相對(duì)介電常數(shù)
      駐極體箔的相對(duì)位移d與所加聲強(qiáng)成正比,因此傳感器輸出的電壓僅與聲強(qiáng)有關(guān),而與頻率無(wú)關(guān)。駐極體傳感器能保證在聲頻范圍內(nèi)具有恒定的靈敏度,這是極大的優(yōu)點(diǎn)。
      (2) 磁電傳感器
      磁電式傳感器俗稱“動(dòng)圈式傳感器”,它是由一個(gè)固定磁場(chǎng)和在這磁場(chǎng)中可作垂直軸向運(yùn)動(dòng)的線圈組成,線圈安裝在一個(gè)振動(dòng)膜上,振動(dòng)膜在聲強(qiáng)的作用下運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)線圈在固定的磁場(chǎng)中作切割磁力線的運(yùn)動(dòng),此時(shí)在線圈兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的大小為:
      E=BLv,
      式中,
      B——磁感應(yīng)強(qiáng)度
      L——線圈的長(zhǎng)度
      v——線圈的運(yùn)動(dòng)速度
      線圈的運(yùn)動(dòng)速度v與聲強(qiáng)的大小有關(guān),故而線圈的輸出電壓也取決于聲強(qiáng)的大小。
      4.光電傳感器
      光電傳感器是指能夠?qū)⒖梢?jiàn)光轉(zhuǎn)換成某種電量的傳感器。光敏二極管是zui常見(jiàn)的光傳感器。光敏二極管的外型與一般二極管一樣,只是它的管殼上開(kāi)有一個(gè)嵌著玻璃的窗口,以便于光線射入,為增加受光面積,PN結(jié)的面積做得較大,光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態(tài)下,并與負(fù)載電阻相串聯(lián),當(dāng)無(wú)光照時(shí),它與普通二極管一樣,反向電流很?。ǎ?A),稱為光敏二極管的暗電流;當(dāng)有光照時(shí),載流子被激發(fā),產(chǎn)生電子-空穴,稱為光電載流子。在外電場(chǎng)的作用下,光電載流子參于導(dǎo)電,形成比暗電流大得多的反向電流,該反向電流稱為光電流。光電流的大小與光照強(qiáng)度成正比,于是在負(fù)載電阻上就能得到隨光照強(qiáng)度變化而變化的電信號(hào)。
      光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的功能外,還有對(duì)電信號(hào)放大的功能。光敏三級(jí)管的外型與一般三極管相差不大,一般光敏三極管只引出兩個(gè)極——發(fā)射極和集電極,基極不引出,管殼同樣開(kāi)窗口,以便光線射入。為增大光照,基區(qū)面積做得很大,發(fā)射區(qū)較小,入射光主要被基區(qū)吸收。工作時(shí)集電結(jié)反偏,發(fā)射結(jié)正偏。在無(wú)光照時(shí)管子流過(guò)的電流為暗電流Iceo=(1+β)Icbo(很?。?,比一般三極管的穿透電流還??;當(dāng)有光照時(shí),激發(fā)大量的電子-空穴對(duì),使得基極產(chǎn)生的電流Ib增大,此刻流過(guò)管子的電流稱為光電流,集電極電流Ic=(1+β)Ib,可見(jiàn)光電三極管要比光電二極管具有更高的靈敏度。
      5.熱電傳感器
      熱電傳感器是一種將熱量變化轉(zhuǎn)換為電量變化的一種能量轉(zhuǎn)換器件。熱釋電紅外線元件是一種典型的熱量傳感器。
      可見(jiàn)光的波長(zhǎng)通常在1?m以上,而1?m以下的光人眼是看不到的。0.8?m以下的紅外光具有很高的放射能量(W/m2),差不多等于800K(500℃)以上高溫物體釋放的能量,因此常用紅外光發(fā)射能量來(lái)檢測(cè)入侵者的入侵及其活動(dòng)。
      一般的熱釋電材料為L(zhǎng)iTaO3, 當(dāng)受到紅外線照射時(shí),熱釋電材料的溫度發(fā)生變化,同時(shí)其表面電荷也會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)以LiTaO3為代表的熱釋電材料處于自極化狀態(tài)時(shí),吸收紅外線入射波后,結(jié)晶的表面溫度改變,自極化也發(fā)生改變,結(jié)晶表面的電荷變得不平衡,把這種不平衡電荷的電壓變化取出來(lái),便可測(cè)出紅外線。熱釋電材料只有在溫度變化時(shí)才產(chǎn)生電壓,如果紅外線一直照射,則沒(méi)有不平衡電壓,一旦無(wú)紅外線照射時(shí),結(jié)晶表面電荷就處于不平衡狀態(tài),從而輸出電壓。
      熱釋電紅外線傳感器因紅外光線的照射與遮擋得到或失去熱量,從而產(chǎn)生電壓輸出。從原理上講應(yīng)與波長(zhǎng)無(wú)關(guān),但由熱釋電材料做成的傳感器有一個(gè)透光窗,而透光窗的選材與波長(zhǎng)有關(guān)系。如以SiO2為窗材的傳感器,它與1?m以上波長(zhǎng)的紅外線無(wú)關(guān),而有的窗材只能通過(guò)4?m附近波長(zhǎng)的光,有的能透過(guò)6.1?m波長(zhǎng)的光,有的能透過(guò)8?m ~14?m波長(zhǎng)的光,所以使用不同的窗材就可確認(rèn)是哪個(gè)波長(zhǎng)的光產(chǎn)生的熱。
      熱釋電元件組成的紅外探測(cè)器只與窗材的波長(zhǎng)有關(guān),而量子型的紅外光探測(cè)器與紅外光的波長(zhǎng)有關(guān),它的特點(diǎn)是靈敏度高,響應(yīng)速度快,響應(yīng)的靈敏度與紅外線波長(zhǎng)有關(guān)。每個(gè)入射光子產(chǎn)生的能量
        E=hc/λ=1124λ
      式中,h——普朗克常數(shù),h=4.14×10-15(ev?s)=6.625×10-34(J?S)
        c——光速,c=3×1010cm/s
      1?m紅外光的能量為1.24eV,10 ?m紅外光的能量為0.12eV,與可見(jiàn)光相比,紅外線光的能量較小。量子型的紅外傳感器又分為光導(dǎo)電型和光電動(dòng)勢(shì)型兩種。光導(dǎo)電型的元件材料有PbS、PbSe、Hg、Cd、Te等,它是利用紅外線照射時(shí)阻抗減少的特點(diǎn)來(lái)獲取檢測(cè)信號(hào)的;而光電動(dòng)勢(shì)型是在Ge、IrSb等半導(dǎo)體基片上形成PN結(jié),當(dāng)紅外線照射時(shí)產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì),Ge的禁帶寬度為0.6ev,Ge二極管對(duì)0.6?m和1.9?m的紅外光較敏感,當(dāng)入射紅外光的波長(zhǎng)在0.6?m~1.9 ?m時(shí),在PN結(jié)上形成的電動(dòng)勢(shì)隨入射光量的增大而增大,從而經(jīng)放大可輸出探測(cè)電信號(hào)。
      6.電磁感應(yīng)傳感器
      電磁場(chǎng)也是物質(zhì)存在的一種形式。電磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律由麥克斯韋方程組來(lái)表示,根據(jù)麥克斯韋理論,當(dāng)入侵者入侵防范區(qū)域,使原先防范區(qū)域內(nèi)電磁場(chǎng)的分布發(fā)生變化,這種變化可能引起空間電場(chǎng)的變化,電場(chǎng)畸變傳感器就是利用此特性。同時(shí),入侵者的入侵也可能使空間電容發(fā)生變化,電容變化傳感器就是利用此特性。
      2.2.2  入侵探測(cè)器
      入侵探測(cè)器是由傳感器和信號(hào)處理器組成的用來(lái)探測(cè)入侵者入侵行為的電子和機(jī)械部件組成的裝置。入侵探測(cè)器的分類可按其所用傳感器的特點(diǎn)分為開(kāi)關(guān)型入侵探測(cè)器、震動(dòng)型入侵探測(cè)器、聲音探測(cè)器、超聲波入侵探測(cè)器、次聲入侵探測(cè)器、主動(dòng)與被動(dòng)紅外入侵探測(cè)器、微波入侵探測(cè)器、激光入侵探測(cè)器、視頻運(yùn)動(dòng)入侵探測(cè)器和多種技術(shù)復(fù)合入侵探測(cè)器。也可按防范警戒區(qū)域分為點(diǎn)形入侵探測(cè)器、直線型入侵探測(cè)器、面型入侵探測(cè)器和空間型入侵探測(cè)器。
      1.點(diǎn)型入侵探測(cè)器
      對(duì)于門窗、柜臺(tái)、展櫥、保險(xiǎn)柜等防范范圍僅是某一特定部位使用的入侵探測(cè)器為點(diǎn)型入侵探測(cè)器,點(diǎn)型入侵探測(cè)驗(yàn)器通常有開(kāi)關(guān)型和振動(dòng)型兩種。
      (1) 開(kāi)關(guān)入侵探測(cè)器
      開(kāi)關(guān)入侵探測(cè)器是采用開(kāi)關(guān)型傳感器構(gòu)成的??梢允俏?dòng)開(kāi)關(guān)、干簧繼電器、易斷金屬導(dǎo)線或壓力墊等構(gòu)成。不論是常開(kāi)型或是常閉型,當(dāng)其狀態(tài)改變時(shí)均可直接向報(bào)警控制器發(fā)出報(bào)警信號(hào),由報(bào)警控制器發(fā)出聲光警報(bào)信號(hào)。
      (2) 震動(dòng)入侵探測(cè)器
      當(dāng)入侵者進(jìn)入防范區(qū)域?qū)嵤?時(shí),總會(huì)引起地面、墻壁、門窗、保險(xiǎn)柜等發(fā)生震動(dòng),我們可以采用壓電式傳感器、電磁感應(yīng)傳感器或其它可感受振動(dòng)信號(hào)的傳感器來(lái)感受入侵時(shí)發(fā)生的振動(dòng)信號(hào),這種探測(cè)器我們稱之為振動(dòng)入侵探測(cè)器。
      墻震動(dòng)探測(cè)器及玻璃破碎探測(cè)器是典型的震動(dòng)入侵探測(cè)器,這種探測(cè)器常使用壓電式傳感器或?qū)щ娀善_(kāi)關(guān)傳感器。
      壓電傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)制成的,當(dāng)壓電材料受到某方向的壓力時(shí),在一特定方向兩個(gè)相對(duì)電極上分別感應(yīng)出電荷,電荷量的大小與壓力成正比。我們把壓電傳感器貼在玻璃上,當(dāng)玻璃受到震動(dòng)時(shí),傳感器相應(yīng)的兩電極上感應(yīng)出電荷,形成一微弱的電位差,可以采用高放大倍數(shù)高輸入阻抗的集成放大電路進(jìn)行放大產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。采用半導(dǎo)體壓力傳感器的壓電電阻效應(yīng)制成的壓電式震動(dòng)入侵探測(cè)器,當(dāng)半導(dǎo)體材料硅片受外力作用時(shí),晶體處于扭曲狀態(tài),載流子的遷移率隨之發(fā)生變化,從而發(fā)生結(jié)晶電阻的阻抗發(fā)生變化,引起輸出電壓的變化,此輸出電壓加到燒結(jié)在同一硅片上的集成放大電路而產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。
      導(dǎo)電簧片開(kāi)關(guān)型玻璃破碎探測(cè)器結(jié)構(gòu)如圖2-9所示,上簧片橫向略呈彎曲的形狀,它對(duì)噪聲頻率有吸收作用。絕緣體、定位螺絲將上下金屬導(dǎo)電簧片絕緣固定在底座上,而右端觸頭處可靠接觸。
      圖2-9  導(dǎo)電簧片開(kāi)關(guān)型玻璃破碎探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖
      玻璃破碎探測(cè)器的外殼粘附在需防范的玻璃的內(nèi)側(cè)。環(huán)境溫度和濕度的變化及輕微震動(dòng)產(chǎn)生的低頻振動(dòng),甚至敲擊玻璃所產(chǎn)生的振動(dòng)都能被上簧片的彎曲部分吸收,不改變上下電極的接觸狀態(tài),只有當(dāng)探測(cè)器探測(cè)到玻璃破碎或足以使玻璃破碎的強(qiáng)沖擊力時(shí)產(chǎn)生的特殊頻率范圍的振動(dòng)才能使上下簧片振動(dòng),處于不斷開(kāi)閉狀態(tài),觸發(fā)控制電路產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。
      近年來(lái)隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展,一種采用微處理器的新型聲音分析式玻璃破碎探測(cè)器已經(jīng)出現(xiàn),它是利用微處理器的聲音分析技術(shù)來(lái)分析與破碎相關(guān)的特定聲音頻率后進(jìn)行準(zhǔn)確的報(bào)警。傳感器接收防范范圍內(nèi)的各種聲頻信號(hào)送給微處理器,微處理器對(duì)其進(jìn)行分析和處理以識(shí)別出玻璃破碎的入侵信號(hào),這種探測(cè)器的誤報(bào)率極低。
      為減少誤報(bào)率,人們還采用一種超低頻檢測(cè)和音頻識(shí)別技術(shù)的雙技術(shù)探測(cè)器。如果超低頻探測(cè)技術(shù)探測(cè)到玻璃被敲擊時(shí)所發(fā)出的超低頻波,而在隨后的一段特定時(shí)間間隔內(nèi),音頻識(shí)別技術(shù)也捕捉到玻璃被擊碎后發(fā)出的高頻聲波,那么雙技術(shù)探測(cè)器就會(huì)確認(rèn)發(fā)生玻璃破碎,并觸發(fā)報(bào)警。
      電動(dòng)式振動(dòng)入侵探測(cè)器是利用電磁感應(yīng)傳感器將振動(dòng)轉(zhuǎn)換成線圈兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出。將電動(dòng)式振動(dòng)入侵傳感器與保險(xiǎn)柜、貴重物體固定在一起,當(dāng)入侵者搬動(dòng)或觸動(dòng)保險(xiǎn)柜等物體產(chǎn)生振動(dòng),電動(dòng)傳感器隨之振動(dòng),線圈與電動(dòng)傳感器是固定在一起的,而磁鐵是通過(guò)彈簧與殼體連接在一起,殼體振動(dòng)后,磁鐵隨之運(yùn)動(dòng),在線圈上感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì),其大小E=nBLv,B為磁感應(yīng)強(qiáng)度,L為每匝線圈的長(zhǎng)度,n為繞組匝數(shù),v為物體的振動(dòng)速度。輸出電壓E正比于振動(dòng)速度,電動(dòng)傳感器具有較高的靈敏度,輸出電動(dòng)勢(shì)較高,不需要高增益的放大器,而且電動(dòng)傳感器輸出阻抗低,噪聲干擾小。
      2.直線型入侵探測(cè)器
      直線型入侵探測(cè)器是指警戒范圍為一條線束的探測(cè)器,當(dāng)在這條警戒線上的警戒狀態(tài)被破壞時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。zui常見(jiàn)的直線型報(bào)警探測(cè)器為紅外入侵探測(cè)器、激光入侵探測(cè)器。探測(cè)器的發(fā)射機(jī)發(fā)射出一束紅外光或激光,經(jīng)反射或直接射到接收器上,如光束被遮斷,則發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
      (1) 紅外入侵探測(cè)器
      物理學(xué)告訴我們,電磁場(chǎng)是物質(zhì)存在的一種形式,電磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是由麥克斯韋方程組來(lái)描述的,根據(jù)麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論,如果在空間的某區(qū)域內(nèi)有變化的電場(chǎng)(或磁場(chǎng)),那么在鄰近區(qū)域內(nèi)將引起變化的磁場(chǎng)(或電場(chǎng)),而這變化的磁場(chǎng)或電場(chǎng)又在更遠(yuǎn)的區(qū)域引起新的變化電場(chǎng)或磁場(chǎng)。這種由近到遠(yuǎn),以有限的速度在空間內(nèi)傳播的過(guò)程稱電磁波。我們平時(shí)所熟悉的光波,無(wú)線電波都是不同波長(zhǎng)的電磁波。表2-1列出了不同電磁波的波長(zhǎng)范圍。
      表2-1  電磁波的波長(zhǎng)劃分表

         
      波長(zhǎng)范圍(μm
      頻率范圍(MHz
      無(wú)線電波
      >1×103
      <3×105
      紅外光
      0.781×103
      3×1053.84×108
      可見(jiàn)光
      0.390.78
      3.84×1087.7×108
      紫外光
      0.010.39
      7.7×1083×1010
      X射線
      10-510-2
      3×10103×1013

      紅外光是電磁波,它同樣具有向外輻射的能力,它的波長(zhǎng)介于無(wú)線電波的微波和可見(jiàn)光之間。
      物理學(xué)告訴我們,凡是溫度高于零度的物體都能產(chǎn)生熱輻射,而溫度低于1725℃的物體產(chǎn)生的熱輻射光譜集中在紅外光區(qū)域,因而自然界的物體都能向外輻射紅外光。對(duì)某種物體來(lái)說(shuō),由于其本身的物理和化學(xué)性質(zhì)不同,物體本身溫度不同,所產(chǎn)生的紅外輻射的波長(zhǎng)和距離也不同,通常分為三個(gè)波段。
      近紅外:波長(zhǎng)范圍0.75?m~3?m
      中紅外:波長(zhǎng)范圍3?m~25?m
      遠(yuǎn)紅外:波長(zhǎng)范圍25?m~1000?m
      紅外光在大氣中輻射時(shí)會(huì)產(chǎn)生衰減現(xiàn)象,主要是由于大氣中各種氣體對(duì)輻射的吸收(如水氣、二氧化碳)和大氣中懸浮微粒(如雨、霧、云、塵埃等微粒)對(duì)紅外光造成的散射。
      大氣中紅外輻射的衰減是隨著波長(zhǎng)不同而變化的,對(duì)某些波長(zhǎng)的紅外輻射衰減較少,這些波長(zhǎng)區(qū)稱為紅外的“大氣窗口”。能通過(guò)大氣的紅外輻射基本上分為三個(gè)波段,1?m ~2.5?m;3?m ~5?m;8?m ~14?m,這三個(gè)紅外大氣窗口為我們使用提供了方便。
      紅外探測(cè)器分為被動(dòng)紅外探測(cè)器和主動(dòng)紅外探測(cè)器兩種形式。
      所謂被動(dòng)紅外探測(cè)器只有紅外線接收器。當(dāng)被防范范圍內(nèi)有目標(biāo)入侵并移動(dòng)時(shí),將引起該區(qū)域內(nèi)紅外輻射的變化,而紅外探測(cè)器能探測(cè)出這種紅外輻射的變化并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。實(shí)際上除入侵物體發(fā)出紅外輻射外,被探測(cè)范圍內(nèi)的其它物體如室外的建筑物、地形、樹(shù)木、山和室內(nèi)的墻壁、課桌、家俱等都會(huì)發(fā)生熱輻射,但因這些物體是固定不變的,其熱輻射也是穩(wěn)定的,當(dāng)入侵物體進(jìn)入被監(jiān)控區(qū)域后,穩(wěn)定不變的熱輻射被破壞,產(chǎn)生了一個(gè)變化的熱輻射,而紅外探測(cè)器中的紅外傳感器就能收到這變化的輻射,經(jīng)放大處理后報(bào)警。在使用中,把探測(cè)器放置在所要防范的區(qū)域里,那些固定的景物就成為不動(dòng)的背景,背景輻射的微小信號(hào)變化為噪聲信號(hào),由于探測(cè)器的抗噪能力較強(qiáng),噪聲信號(hào)不會(huì)引起誤報(bào),紅外探測(cè)器一般用在背景不動(dòng)或防范區(qū)域內(nèi)無(wú)活動(dòng)物體的場(chǎng)合。
      如只考慮紅外傳感器本身的噪聲,在探測(cè)距離內(nèi),被動(dòng)紅外探測(cè)器的作用距離為:
                                   
      式中,
      D0——光學(xué)系統(tǒng)通光口徑
      η——光學(xué)系統(tǒng)的傳輸效率
      NA——光學(xué)系統(tǒng)數(shù)值孔徑,NA= D0 /2f
      ω——目標(biāo)的輻射強(qiáng)度
      τ——大氣透過(guò)率
      D*——傳感器的光譜探測(cè)度
      w——視場(chǎng)角
      △f——等效噪聲帶寬
      Vs/Vn——探測(cè)器確定的信噪比。
      可見(jiàn)要提高作用距離R,應(yīng)增大通光口徑D。、傳輸效率η和光譜探測(cè)度D*,減少視場(chǎng)角w和等效噪聲帶寬Δf。
      為了提高被動(dòng)紅外入侵探測(cè)器的報(bào)警精度以及減少誤報(bào)率,現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用的被動(dòng)紅外探測(cè)器,多數(shù)做成把幾個(gè)紅外接收單元集成在一個(gè)探測(cè)器中,稱為多元被動(dòng)紅外探測(cè)器。這樣的探測(cè)器由于具有幾個(gè)接收單元,則不僅能檢測(cè)出其防范區(qū)域有入侵者時(shí)的紅外變化,還可以因各單元安裝方向的不同而接收信號(hào)的大小不同,檢測(cè)出入侵者走動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的單元信號(hào)差值的變化,從而達(dá)到雙重檢測(cè)的目的,大大提高了報(bào)警精度,減少了誤報(bào)率。
      主動(dòng)紅外探測(cè)器是由紅外光發(fā)射器和接收器兩個(gè)部件構(gòu)成。
      主動(dòng)紅外發(fā)射器發(fā)出一束經(jīng)調(diào)制的紅外光束,投向紅外接收器,形成一條警戒線。當(dāng)目標(biāo)侵入該警戒線時(shí),紅外光束被部分或全部遮擋,接收機(jī)接收信號(hào)發(fā)生變化而報(bào)警。
      主動(dòng)紅外探測(cè)器的發(fā)射光源通常為紅外發(fā)光二極管。其特點(diǎn)是體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、功耗小,交、直流供電都能工作,晶體管、集成電路都能直接推動(dòng)。而砷鎵鋁雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器也工作在紅外波段,故也是一種主動(dòng)紅外探測(cè)器。主動(dòng)紅外探測(cè)器的光源通常為脈沖調(diào)制的脈沖波形,發(fā)射機(jī)采用自激多諧振蕩器作為調(diào)制電源,產(chǎn)生很高占空比的脈沖波形,去調(diào)制紅外發(fā)光二極管發(fā)光,發(fā)射出紅外脈沖調(diào)制光譜。這樣大大降低了電源的功耗,又增加了系統(tǒng)抗雜散光干擾的能力。
      對(duì)光束遮擋型的探測(cè)器,要適當(dāng)選取有效的報(bào)警zui短遮光時(shí)間。遮光時(shí)間選得太短,會(huì)引起不必要的噪聲干擾,如小鳥(niǎo)飛過(guò)、小動(dòng)物穿過(guò)都會(huì)引起報(bào)警;而遮光時(shí)間太長(zhǎng),則可能導(dǎo)致漏報(bào)。通常以10m/s的速度通過(guò)鏡頭的遮光時(shí)間,來(lái)定zui短遮光時(shí)間。若人的寬度為20cm,則zui短遮光時(shí)間為20cm/(10m/s)=20ms。大于20ms,系統(tǒng)報(bào)警;小于20ms則不報(bào)警。
      主動(dòng)紅外探測(cè)器體積小、重量輕、便于隱蔽,采用雙光路甚至四光路的主動(dòng)紅外探測(cè)器可大大提高其抗噪防誤報(bào)的能力以及加大防范的垂直面,另外主動(dòng)紅外探測(cè)器壽命長(zhǎng)、價(jià)格低、易調(diào)整,因此被廣泛使用在安全防范工程中。
      然而當(dāng)主動(dòng)紅外探測(cè)器用在室外自然環(huán)境時(shí),比如無(wú)星光和月亮的夜晚,以及夏日中午太陽(yáng)光背景輻射的強(qiáng)度比超過(guò)100dB時(shí),會(huì)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(主要為可見(jiàn)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。
      另外室外的大霧會(huì)引起傳輸中紅外光的散射,大大縮短主動(dòng)紅外探測(cè)器的有效探測(cè)距離。雖然大部份應(yīng)用在室外的主動(dòng)紅外探測(cè)器在出廠時(shí),已考慮到了上述因素,但在使用中還是應(yīng)該充分注意到大霧天造成的影響。某些經(jīng)常有大霧的地區(qū),甚至不適合采用室外安裝這種探測(cè)器。
      (2) 激光入侵探測(cè)器
      激光與一般光源相比有如下特點(diǎn):
      a.方向性好,亮度高。一束激光的發(fā)散角可做到小于10-3~10-5弧度,即使在幾公里以外激光光束的直徑也僅擴(kuò)展到幾毫米或幾厘米。由于激光光束發(fā)散角小,幾乎是一束平行光束,光束能聚集在一個(gè)很小的平面上,產(chǎn)生很大的光功率密度,其亮度很高。
      激光光源和其它光源的亮度比較:
      光源       亮度(w/Sr?cm2)
      蠟燭       0.5
      電燈        470
      太陽(yáng)表面   0.165M
      氦-氖激光  15M
      紅寶石激光   10億兆~37億兆
      b.激光的單色性和相干性好。
      激光是單一頻率的單色光,如氦氖激光器的波長(zhǎng)為6328?,在其頻率范圍內(nèi)譜線寬度ΔU=10-1Hz,而其他一般光的ΔU = 107-109 Hz。光的相干性取決于其單色性。
      光的相干長(zhǎng)度δm與譜線寬度的關(guān)系是:
      δm=c/ΔU,其中c為光速。
      一般光源的相干長(zhǎng)度為幾個(gè)毫米。單色光源氦-86燈,λ=6057?,相干長(zhǎng)度δm=38.6cm;而氦氖激光器λ= 6328?,δm=40km。
      按激光器的工作物質(zhì)來(lái)分,激光器可分為如下幾種:
      固體激光器:它的工作物質(zhì)為固體,如釹玻璃、紅寶石等。
      液體染料激光器:它的工作物質(zhì)為液體染料,如若丹明香豆素等。
      氣體激光器:它的工作物質(zhì)是二氧化碳、氦-氖、氮分子等。
      半導(dǎo)體激光器:它的工作物質(zhì)是半導(dǎo)體材料,如砷化鎵。
      激光探測(cè)器與主動(dòng)紅外式探測(cè)器有些相似,也是由發(fā)射器與接收器兩部分構(gòu)成。發(fā)射器發(fā)射激光束照射在接收器上,當(dāng)有入侵目標(biāo)出現(xiàn)在警戒線上,激光束被遮擋,接收機(jī)接收狀態(tài)發(fā)生變化,從而產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。
      激光探測(cè)器的作用距離:
                                                    
      式中
          P1——激光功率;
          QT——光束發(fā)散角;
          M—— 調(diào)制光速調(diào)制度;
          SR——接收面積;
          PR——接收到的功率。
      由上式可以看出,要提高探測(cè)器的作用距離,應(yīng)增大激光源的發(fā)射光率,增加光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率,減少發(fā)射裝置的發(fā)散角,也可采用高靈敏的光電傳感器。
      激光具有高亮度,高方向性,所以激光探測(cè)器十分適用于遠(yuǎn)距離的線控報(bào)警裝置。由于能量集中,可以在光路上加裝反射鏡,圍繞成光墻,從而可以用一套激光器來(lái)封鎖場(chǎng)地的四周,或封鎖幾個(gè)主要通道路口。
      激光探測(cè)器采用半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)在紅外線波段時(shí),處于不可見(jiàn)范圍,便于隱蔽,不易被*分子所發(fā)現(xiàn)。激光探測(cè)器采用脈沖調(diào)制,抗干擾能力較強(qiáng),其穩(wěn)定性能好,一般不會(huì)因機(jī)器本身而產(chǎn)生誤報(bào),如果采用雙光路系統(tǒng),可靠性更會(huì)大大提高。
      3.面型入侵探測(cè)器
      面型入侵探測(cè)器的警戒范圍為一個(gè)面。當(dāng)警戒面上出現(xiàn)入侵目標(biāo)時(shí)即能發(fā)出報(bào)警信號(hào)。振動(dòng)式或感應(yīng)式報(bào)警探測(cè)器常被用做面報(bào)警探測(cè)器,例如把用做點(diǎn)報(bào)警探測(cè)器的振動(dòng)探測(cè)器安裝在墻面或玻璃上,或安裝在某一要求保護(hù)的鐵絲網(wǎng)或隔離網(wǎng)上,當(dāng)入侵者觸及時(shí)網(wǎng)發(fā)生振動(dòng),探測(cè)器即能發(fā)生報(bào)警信號(hào)。
      面型入侵探測(cè)器更多的是使用電磁感應(yīng)探測(cè)器。電場(chǎng)畸變探測(cè)器是一種電磁感應(yīng)探測(cè)器,當(dāng)目標(biāo)侵入防范區(qū)域時(shí),引起傳感器線路周圍電磁場(chǎng)分布的變化,我們把能響應(yīng)這畸變并進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)的裝置稱為電場(chǎng)畸變探測(cè)器。這種電場(chǎng)畸變探測(cè)器有平行線電場(chǎng)畸變探測(cè)器、泄漏電纜電場(chǎng)畸變探測(cè)器。
      (1) 平行線電場(chǎng)畸變?nèi)肭痔綔y(cè)器
      平行線電場(chǎng)畸變?nèi)肭痔綔y(cè)器是由傳感器線支撐桿、跨接件和傳感器電場(chǎng)信號(hào)發(fā)生接收裝置構(gòu)成,如圖2-10所示。傳感器是一些平行線(2條~10條)構(gòu)成,在這些導(dǎo)線中一部分是場(chǎng)線,它們與振蕩頻率為1kHz~40kHz的信號(hào)發(fā)生器相連接,工作時(shí)場(chǎng)線向周圍空間輻射電磁場(chǎng)能量。另一部分線為感應(yīng)線,場(chǎng)線輻射的電磁場(chǎng)在感應(yīng)線上產(chǎn)生感應(yīng)電流。當(dāng)入侵者靠近或穿越平行導(dǎo)線時(shí),就會(huì)改變周圍電磁場(chǎng)的分布狀態(tài),相應(yīng)地使感應(yīng)線中的感應(yīng)電流發(fā)生變化,由接收信號(hào)處理器分析后發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
      傳感器線通過(guò)跨接件固定在支撐桿上??缃蛹嫌刑胤N鋼彈簧片,一方面可以拉緊傳感器線,另一方面可使探測(cè)區(qū)內(nèi)有連接的電磁場(chǎng),沒(méi)有盲區(qū)。信號(hào)發(fā)生、接收器安裝在中間支撐桿上。
      平行線電場(chǎng)畸變?nèi)肭痔綔y(cè)器主要用于戶外周界報(bào)警。通常沿著防范周界安裝數(shù)套電場(chǎng)探測(cè)器,組成周界防范系統(tǒng)。信號(hào)分析處理器常采用微處理器,信號(hào)分析處理程序可以分析出入侵者和小動(dòng)物引起的場(chǎng)變化的不同,從而將誤報(bào)率降到了zui低。
      (2) 泄漏電纜電場(chǎng)畸變?nèi)肭痔綔y(cè)器
      所謂泄露電纜是一種特制的同軸電纜,見(jiàn)圖2-11,其中心是銅導(dǎo)線,外面包圍著絕緣材料(如聚乙烯),絕緣材料外面用兩條金屬散層以螺旋方式交叉纏繞并留有孔隙。電纜zui外面為聚乙烯保護(hù)層。當(dāng)電纜傳輸電磁能量時(shí),屏蔽層的空隙處便將部分電磁能量向外輻射。為了使電纜在一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)能夠均勻地向空間泄漏能量,電纜空隙的尺寸大小是沿電纜變化的。
      圖2-10  平行線電場(chǎng)畸變探測(cè)器
      圖2-11  泄漏電纜結(jié)構(gòu)示意圖
      把平行安裝的兩根泄漏電纜分別接到高強(qiáng)信號(hào)發(fā)生器和接收器上就組成了泄漏電纜入侵探測(cè)器。當(dāng)發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖電磁能量沿發(fā)射電纜傳輸并通過(guò)泄漏孔向空間輻射時(shí),在電纜周圍形成空間電磁場(chǎng),同時(shí)與發(fā)射電纜平行的接收電纜通過(guò)泄漏孔接收空間電磁能量并沿電纜送入接收器,泄漏電纜可埋入地下,如圖示2-12所示。當(dāng)入侵者進(jìn)入探測(cè)區(qū)時(shí),使空間電磁場(chǎng)的分布狀態(tài)發(fā)生變化,因而接收電纜收到的電磁能量發(fā)生變化,這個(gè)變化量就是入侵信號(hào),經(jīng)過(guò)分析處理后可使報(bào)警器動(dòng)作。
      泄漏電纜探測(cè)器可全天候工作,抗干擾能力強(qiáng),誤報(bào)漏報(bào)率都較低,適用于高保安,長(zhǎng)周界的安全防范場(chǎng)所。
      (3) 振動(dòng)傳感電纜型入侵探測(cè)器
      這種入侵探測(cè)器是在一根塑料護(hù)套內(nèi)裝有三芯導(dǎo)線的電纜兩端,分別接上發(fā)送裝置與接收裝置,并將電纜波浪狀或呈其它曲折形狀固定在網(wǎng)狀的圍墻上(如圖2-13所示)。用這樣有一定長(zhǎng)度的的電纜構(gòu)成一個(gè)防區(qū)。每?jī)蓚€(gè)或四個(gè)、六個(gè)防區(qū)共用一個(gè)控制器(稱為多通道控制器),由控制器將各防區(qū)的報(bào)警信號(hào)傳送至控制中心。當(dāng)有入侵者觸動(dòng)網(wǎng)狀圍墻,破壞網(wǎng)狀圍墻等行為使其震動(dòng)并達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)(安裝時(shí)強(qiáng)度可調(diào),以確定其報(bào)警靈敏度),就會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。這種入侵探測(cè)器精度*,漏報(bào)率為零,誤報(bào)率幾乎為零。且可全天候使用(不受氣候的影響)。它特別適合圍網(wǎng)狀的周界圍墻(即采用鐵網(wǎng)構(gòu)成的圍墻)使用。
      圖2-12  泄漏電纜產(chǎn)生空間場(chǎng)示意圖
      圖2-13  振動(dòng)傳感電纜型入侵探測(cè)器示意圖
      (4) 電子圍欄式入侵探測(cè)器
      電子圍欄式入侵探測(cè)器也是一種用于周界防范的探測(cè)器。它由三大部分組成,即脈沖電壓發(fā)生器、報(bào)警信號(hào)檢測(cè)器以及前端的電圍欄,其系統(tǒng)原理框圖如圖2-14所示。
      當(dāng)有入侵者入侵時(shí),觸碰到前端的電子圍欄或試圖剪斷前端的電子圍欄,都會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
      這種探測(cè)器的電子圍欄上的裸露導(dǎo)線,接通由脈沖電壓發(fā)生器發(fā)出的高達(dá)1萬(wàn)伏的脈沖電壓(但能量很小,一般在4焦耳以下,對(duì)人體不會(huì)構(gòu)成生命危害),所以即使入侵者戴上絕緣手套,也會(huì)產(chǎn)生脈沖感應(yīng)信號(hào),使其報(bào)警。這種電子圍欄如果使用在市區(qū)或來(lái)往人群多的場(chǎng)合時(shí),安裝前應(yīng)事先征得當(dāng)?shù)?等部門的同意。
      (5) 微波墻式入侵探測(cè)器
      圖2-14  電子圍欄式入侵探測(cè)器
      微波墻式入侵探測(cè)器,主要也是用于周界防范。它類似主動(dòng)紅外對(duì)射式入侵探測(cè)器的工作方式,不同的是用于探測(cè)的波束是微波而不是紅外線。另外,這種探測(cè)器的波束更寬、呈扁平狀、象一面墻壁的形狀,所以防范的面積更大。其安裝后構(gòu)成的原理框圖如圖2-15所示。
      圖2-15  微波墻式入侵探測(cè)器原理圖
      這種探測(cè)器在使用時(shí),應(yīng)注意使墻式微波波束控制在防范區(qū)域內(nèi),不向外擴(kuò)展,以免引起誤報(bào)。另外,在防范區(qū)域(波束)內(nèi),不應(yīng)有花草樹(shù)木等物體,以免當(dāng)有風(fēng)吹動(dòng)時(shí),產(chǎn)生誤報(bào)。
      4.空間入侵探測(cè)器
      空間入侵探測(cè)器是指警戒范圍是一個(gè)空間的報(bào)警器。當(dāng)這個(gè)警戒空間任意處的警戒狀態(tài)被破壞,即發(fā)生報(bào)警信號(hào)。聲入侵探測(cè)器和微波入侵探測(cè)器以及被動(dòng)紅外探測(cè)器等都屬于空間入侵探測(cè)器。
      (1) 聲入侵探測(cè)器
      聲入侵探測(cè)器是常用的空間防范探測(cè)器。通常將探測(cè)說(shuō)話、走路等聲響的裝置稱聲控探測(cè)器。當(dāng)探測(cè)物體被破壞(如打碎玻璃、鑿墻、鋸鋼筋)時(shí),發(fā)生固有聲響的裝置稱為聲發(fā)射探測(cè)器。
      ① 聲控入侵探測(cè)器
      聲控探測(cè)器是用聲傳感器把聲音信號(hào)變成電信號(hào),經(jīng)前置放大送報(bào)警控制器處理后發(fā)出報(bào)警處理信號(hào),也可將報(bào)警信號(hào)經(jīng)放大推動(dòng)喇叭和錄音機(jī),以便監(jiān)聽(tīng)和錄音。
      駐極體傳感器被廣泛地應(yīng)用在聲控探測(cè)器中。在聲控探測(cè)器中使用的駐極體送話器由一個(gè)金屬極板蒙上機(jī)械張緊的駐極體箔(約10?M),駐極體箔與金屬板之間構(gòu)成一只電容。根據(jù)靜電感應(yīng)的原理,與駐極體相對(duì)著的金屬板上就會(huì)感應(yīng)出大小相等、方向相反的電荷。駐極體電荷在空隙中形成靜電場(chǎng)。在聲波作用下,駐極體箔發(fā)生運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生位移,在電容極板上感應(yīng)出電壓。
      駐極體送話器的頻率響應(yīng)范圍主要取決于送話器的結(jié)構(gòu)。在此頻率范圍內(nèi),駐極體箔的位移與所加的聲強(qiáng)成正比,送話器的輸出電壓僅與聲強(qiáng)有關(guān),而與頻率無(wú)關(guān),音頻駐極體送話器在20Hz~15000Hz的頻率范圍內(nèi)有恒定的靈敏度。
      ② 聲發(fā)射入侵探測(cè)器
      聲發(fā)射探測(cè)器是監(jiān)控某一頻帶的聲音發(fā)出報(bào)警信號(hào),而對(duì)其它頻帶的聲音信號(hào)不予響應(yīng)。主要監(jiān)控玻璃破碎聲、鑿墻、鋸鋼筋聲等入侵時(shí)的破壞行為所發(fā)出的聲音,玻璃破碎聲發(fā)射探測(cè)器通常也用駐極體傳話器作聲電傳感器。當(dāng)玻璃破碎時(shí),發(fā)出的破碎聲由多種頻率的聲響構(gòu)成。據(jù)測(cè)定,主要頻率為10kHz~15kHz高頻聲響信號(hào)。當(dāng)錘子打擊墻壁、天花板的磚、混凝土?xí)r會(huì)產(chǎn)生一個(gè)頻率為1kHz左右的衰減信號(hào),大約持續(xù)5ms;據(jù)鋼筋時(shí)產(chǎn)生頻率約3.5kHz、持續(xù)時(shí)間約15ms的聲音信號(hào)。采用帶通濾波器濾去高于或低于探測(cè)聲信號(hào)的干擾信號(hào),經(jīng)放大后產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。
      ③ 次聲入侵探測(cè)器
      次聲為頻率很低的音頻信號(hào)。探測(cè)器的工作原理與聲發(fā)射探測(cè)器相同,不過(guò)采用低通濾波器濾去高頻和中頻音頻信號(hào),而放大次低頻信號(hào)報(bào)警。
      房屋通常由墻天花板、門、窗、地板同外界隔離。由于房屋里外環(huán)境不同,強(qiáng)度、氣壓等均有一定差異,一個(gè)人想闖入就要破壞這空間屏障,如打開(kāi)門窗、打碎玻璃、鑿墻開(kāi)洞等,由于室內(nèi)外的氣壓差,在缺口處產(chǎn)生氣流擾動(dòng),發(fā)出一個(gè)次聲;另外由于開(kāi)門、碎窗、破墻產(chǎn)生加速度,則內(nèi)表面空氣被壓縮產(chǎn)生另一次聲,而這二次聲頻率大約為1Hz左右。兩種次聲波在室內(nèi)向四周擴(kuò)散,先后傳入次聲探測(cè)器,只有當(dāng)這二次聲強(qiáng)度達(dá)到一定閾值后才能報(bào)警,所以只要外部屏障不被破壞,在覆蓋區(qū)域內(nèi)部開(kāi)關(guān)門窗,移動(dòng)家俱,人員走動(dòng),都低于閾值,不會(huì)報(bào)警。但是這種特定環(huán)境下如果采用其它超聲、微波或紅外探測(cè)器都會(huì)導(dǎo)致誤報(bào)。
      ④ 超聲波入侵探測(cè)器
      所謂超聲波是指頻率在20kHz以上的音頻信號(hào),這種音頻信號(hào)人的耳朵是聽(tīng)不到的。超聲波探測(cè)器是利用超聲波技術(shù)構(gòu)造的探測(cè)器,通常分為多普勒式超聲波探測(cè)和超聲波聲場(chǎng)型探測(cè)器兩種。
      多普勒式超聲波探測(cè)器是利用超聲對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)構(gòu)成的報(bào)警裝置。通常,多普勒式超聲波探測(cè)器是將超聲波發(fā)射器與接收器裝在一個(gè)裝置內(nèi)。所謂多普勒效應(yīng)是指在輻射源(超聲波發(fā)生器)與探測(cè)目標(biāo)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),接收的回波信號(hào)頻率會(huì)發(fā)生變化。如圖2-16所示,設(shè)超聲波發(fā)射接收器發(fā)射的信號(hào)為:
      U = Um Sin(ωot+jo)
      式中,ωo為發(fā)射超聲波的角頻率,ωo=2πfo,jo為發(fā)射信號(hào)的初始相位。那么當(dāng)發(fā)射接收器與目標(biāo)間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),經(jīng)目標(biāo)反射后超聲波發(fā)射接收器接收到的回波信號(hào)為:
      Ur= Um Sin[ωo(t-tr)+jo]
      =Um Sinjj
      式中,tr為超聲波往返于超聲波發(fā)射接收器和目標(biāo)之間所需的時(shí)間,設(shè)目標(biāo)與發(fā)射接收器之間的距離為S(t),超聲波的速度為c,則有
      tr=2S(t)/c
      且S(t)= So-vr?t
      式中,So為初始時(shí)刻目標(biāo)與發(fā)射接收器的距離,vr為目標(biāo)與發(fā)射接收器相對(duì)運(yùn)動(dòng)的徑向速度?;夭ǖ慕穷l率為
      ωr=dψ/dt=ωo?(1+2vr/c)
      也可寫成fr=f0(1+2vr/c)= f0+fd
      fd=(2vr/c)?f0
      由此可見(jiàn)目標(biāo)以徑向速度vr向發(fā)射接收器運(yùn)動(dòng),使接收到的信號(hào)頻率不再是發(fā)射頻率fo,而是fo+fd,這種現(xiàn)象稱多譜勒效應(yīng),fd稱為多譜勒頻率。當(dāng)目標(biāo)背向探測(cè)器運(yùn)動(dòng)時(shí),νr為負(fù)值,則所接收的回波信號(hào)頻率為fo-fd。
      超聲波發(fā)射器發(fā)射25kHz~40kHz的超聲波充滿室內(nèi)空間,超聲波接收器接收從墻壁、天花板、地板及室內(nèi)其它物體反射回來(lái)的超聲能量,并不斷的與發(fā)射波的頻率加以比較。當(dāng)室內(nèi)沒(méi)有移動(dòng)物體時(shí),反射波與發(fā)射波的頻率相同,不報(bào)警;當(dāng)入侵者在探測(cè)區(qū)內(nèi)移動(dòng)時(shí),超聲反射波會(huì)產(chǎn)生大約±100Hz多普勒頻移,接收機(jī)檢測(cè)出發(fā)射波與反射波之間的頻率差異后,即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
      圖2-16  多譜勒效應(yīng)示意圖
      場(chǎng)型超聲波入侵探測(cè)器是將發(fā)射器和接收器分別安裝在不同位置。超聲波在密閉的房間內(nèi)經(jīng)固定物體(如墻、地板、天花板、家具)多次反射,布滿各個(gè)角落。由于多次反射,室內(nèi)的超聲波形成復(fù)雜的駐波狀態(tài),有許多波腹點(diǎn)和波節(jié)點(diǎn)。波腹點(diǎn)能量密度大,波節(jié)點(diǎn)能量密度低,造成室內(nèi)超聲波能量分布的不均勻。當(dāng)沒(méi)有物體移動(dòng)時(shí),超聲波能量處于一種穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)改變室內(nèi)固定物體分布時(shí),超聲能量的分布將發(fā)生改變。而當(dāng)室內(nèi)有一移動(dòng)物體時(shí),室內(nèi)超聲能量發(fā)生連續(xù)變化,而接收器接收到這連續(xù)變化的信號(hào)后,就能探測(cè)出移動(dòng)物體的存在,變化信號(hào)的幅度與超聲頻率和物體移動(dòng)的速度成正比。
      (2) 微波入侵探測(cè)器
      微波是一種頻率很高的無(wú)線電波,波長(zhǎng)很短,一般在0.001m~1m之間,由于微波的波長(zhǎng)與一般物體的幾何尺寸相當(dāng),所以很容易被物體所反射。按工作原理微波入侵探測(cè)器可分為移動(dòng)型微波探測(cè)器和阻擋型微波探測(cè)器。
      ① 移動(dòng)型微波探測(cè)器
      移動(dòng)型微波探測(cè)器又稱多普勒式微波入侵探測(cè)器。其工作原理與多譜勒式超聲波探測(cè)器相同,只不過(guò)探測(cè)器發(fā)射和接收的是微波而不是超聲波。
      微波發(fā)射器通過(guò)天線向防范區(qū)域內(nèi)發(fā)射微波信號(hào),當(dāng)防范區(qū)域內(nèi)無(wú)移動(dòng)目標(biāo)時(shí),接收器接收到的微波信號(hào)頻率與發(fā)射信號(hào)頻率相同,為fo。當(dāng)有移動(dòng)目標(biāo)時(shí),由于多普勒效應(yīng),目標(biāo)反射的微波信號(hào)頻率將發(fā)生偏移,偏移的多普勒頻率為fd,接收機(jī)分析fd的大小以產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。
      由于多普勒效應(yīng)告訴我們,偏移的多普勒頻率fd,正比于目標(biāo)徑向的移動(dòng)速度而反比于工作波長(zhǎng),所以微波探測(cè)器較多普勒超聲探測(cè)器有更高的靈敏度。
      多普勒微波探測(cè)器的探測(cè)距離通常用下式表示:
                                                          
      式中,
      PI——微波發(fā)射功率;
      GI——發(fā)射天線的增益;
      λ——微波波長(zhǎng);
      σ——目標(biāo)截面積;
      k——卡爾茲曼常數(shù),k=1.38×10-23J/K;
      To——接收機(jī)噪聲溫度;
      Bn——接收機(jī)等噪聲帶寬;
      Fn——接收機(jī)噪聲系數(shù);
      L——微波系統(tǒng)損耗;
      M——檢測(cè)所需要的zui小信噪比。
      由上式可以看出,要增加探測(cè)距離,可增加發(fā)射天線增益,提高發(fā)射天線的方向性,將視角變小。而提高發(fā)射功率固然可以增大探測(cè)距離,但不經(jīng)濟(jì),尤其是大功率的微波幅射還有損健康,所以一般不采用。
      ② 阻擋型微波探測(cè)器
      阻擋型微波探測(cè)器由發(fā)射器、接收器和信號(hào)處理器組成。使用時(shí)將發(fā)射天線和接收天線相對(duì)放置在監(jiān)控場(chǎng)地的兩端,發(fā)射天線發(fā)射的微波束直接送達(dá)接收天線。當(dāng)沒(méi)有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)遮斷微波束時(shí),微波能量被接收天線接收,發(fā)出正常工作信號(hào);當(dāng)有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)阻擋微波束時(shí),天線接收到的微波能量減弱或消失,此時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。
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