通过转动红外热释电检测静止人的设计总结

【摘 要】本项目设计研究的转动热释电红外传感检测器，跟市面上的被动式热释电红外传感器相比，能稳定有效地检测到静态人体，达到良好的检测效果。

【关键词】红外传感器 人体识别 转动 静止人

1.设计问题的提出

在自然界，任何物体只要是温度高于绝对零度的就会不断向外发出红外辐射，还以光速传播能量。因为红外线具有很强的热效应，在某些绝缘物质中，当交互变化的红外线照射到晶体表面时，晶体温度迅速变化，这时会发生电荷的变化，从而形成一个明显的外电场，这种现象称为热释电效应。若将释放出的电荷通过放大器放大成一种控制信号，利用此原理制成的红外传感器称为热释电红外传感器。热释电传感器是一种将热量变化转换为电量变化的能量转换器件。

热适电传感器（也叫红外线传感器）是利用不同温度所发出的红外线的波长不同的道理（人体的红外波长约为纳米）制成的。我们一般使用的这种的热热电传感器只能探测或感应移动的体温为人体的热源，因此必须要移动才能感知到有人的存在或者有人经过（自动门和红外放到就是运用了这个道理）。因此运用这种传感器做出来的探测器只能探测到移动的人，而无法判别其侦测范围是否有人的存在（静止不动的人），因此我们项目无法直接使用这种传感器作为我们的单片机进行判定探测器。所以对我们来说是一大挑战与技术难题。

因此，我和小组团队翻阅了许多资料，还组织了多次的小会进行讨论。偶然与老师的交流中，受到老师的启发让我们想起了，我们物理学中的力学的一章中――参照系与相对的思想，因此查阅了力学书，从中发现了和解决我们如何去探测静止人体体温热源。

2.设计思路的基础

在太阳系中太阳是静止不动的（不考虑自传），而地球是围绕太阳进行公转的。所以按照相对原理来说太阳是不动的，是地球在动，但是我们在地球上确是看到太阳是围绕地球运动的（托勒密地心说），我们知道太阳才是太阳系的中心，而地球是公转的。产生如此的差异是因为我们所选取的参照系的不同。因此，在地球上看到太阳绕地球转动是因为我们选取地球作为我们观测的参照系从而使我们产生了如此的假象。

我和小组成员基于上述理论在这个项目中充分运用力学与宇宙学理论思想来解决我们的这一难题。我们让热适电传感器转动起来，而使得以传感器为参考系时，使其感觉到静的人实在移动的，用这种方法“欺骗”传感器，当无人体体温热源时候，无论传感器转不转动，都感受不到移动的热源，当有静止的热源时。传感器移动可感受到移动热源的“错觉”而有所感应，当有移动的热源时，这是最好的情况了，传感器无论转不转动都能感应到移动的热源，因此，运用如上理论是在理论上可以感知的存在的效果的。

3.设计方案操作

针对以上提出的设计思路在实际操作上我们应如何实现。我和小组研究总结了多套方案，应用其中一种最简单的方法：即通过采用小型摇头电风扇。我和小组人员把风扇想成传感器探测头，然后将风扇反置并缩小一定比例，就是一个最简单的“感知存在”型的组成传感器了。如针对相对更大面积区域的检测，则可以通过使用步进电机来带动传感器探头顺时针转360°以及再反转360°的无限循环。以上这两种方案不仅容易实现，成本也比较低廉，最重的是这种旋转探头的方法可以扩大传统热适电传感器的感应范围，提高性能，可谓是一举两得！这样我们可以通过单片机来控制步进电机从而控制传感器，也实现了这种传感器的可调控（调节转动的间隔，转动的速度，转动的角度，从而有不同的旋转速度又会有不同的感应灵敏度）。

转动热释电红外传感器在结构上引入场效应管，其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。故引入的N沟道结型场效应管应接成共漏形式来完成阻抗变换。转动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以及360°转动电机4个部分组成。在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。因此，传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，目的是消除因环境和自身变化引起的干扰。利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿。对于辐射至传感器的红外辐射，转动热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至2个探测元上，从而使传感器输出电压信号。制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料，它的探测波长范围为0.2～20um。为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏度，该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片。这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外。

本项目的特色与创新点在于菲尼尔透镜的设计，若没有合理的菲涅尔透镜，传感器在旋转的情况下，将一直处于不稳定状态，失去检测静态人体的功能。探头旋转会使热释电的灵敏度加大，这就要求设计相应的菲涅尔透镜，透镜厚度、接收角度和折射角度都经过实验改良设计。

4.设计运行和试验过程的注意事项

在实际的运行过程中，我们发现：在转动热释电时转速不能太快，否则会对热释电判断造成很大干扰，产生误判，即室内并没有人时传感器会误认为有人。所以转动的速度上要有所控制，不能过快。同时热释电应当尽量避免对准阳光或日光灯（两者皆为全波段）产生影响。为此，在设计转动热释电红外探测器的布置和安装宜遵循以下原则：（1）选择安装位置时，应使探测报警器具有最大的探测、警戒范围，使可能的入侵者都处于红外探测视场范围之内。红外探测视场包括水平（面）视场和垂直（面）视场。（2）红外线热释电传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。红外线热释电传感器对于径向移动反应最不敏感，而对于横切方向（即与半径垂直的方向）移动则最为敏感。在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环。按照实际现场布置和安装探测器时，要注意其探测范围和视场角。不同房间的监护应选择与之对应的热释电红外探测器。或探测器的视场光束应有利于来犯者横向切割，同时要注意探测器的窗口与监测区的相对角度，防止出现“死角”。（3）热释电红外探测头不应对准任何温度会快速变化的物体，如火炉、暖气片、电加热器、空调器以及白炽灯等强光源，也不宜受到阳光或探照灯的直接照射，防止误报。红外探测器不能安装在热力源的上方及其附近。若无法避免热源，则离热源的距离至少在1.5m 以上。（4）检测器电路板在工厂已调试好，保证检测距离大于6m。若整个报警系统有问题，请不要调整或改动这部分电路，否则检测距离就不能保证。

5.总结

我和小组人员完成了模型的构建，通过大量的实验与总结，设计合适的菲涅尔透镜，选择电动机的转速和排查各种影响因素。通过采用电风扇转速电机使得探头旋转使热释电的灵敏度加大，最后，经过实验排查各种影响因素，达到稳定检测静态人体的功能，例如旋转时的绕线问题、环境风速问题等。本项目设计系统成本低，不需人手控制，适用于学校、商场等大规模室内场所的红外监测，可以有效地对人员进行智能控制，达到科学管理与节能的目的。