基于熱釋電紅外傳感器探測(cè)距離影響因素分析

雷蕾

摘要：紅外探測(cè)主要利用物體紅外能量完成探測(cè)工作，并且將工作結(jié)果轉(zhuǎn)換為設(shè)備可以識(shí)別的信息最后輸出，隨著應(yīng)用過程中技術(shù)的不斷完善，已經(jīng)應(yīng)用于防盜，防火與其它產(chǎn)品。該類型傳感器其特點(diǎn)體現(xiàn)在靈敏度高，響應(yīng)速度快，但是其不足之處在于其探測(cè)距離比較近，后期研究工作重點(diǎn)就在于如何提升探測(cè)系統(tǒng)有效距離，本文就基于熱釋電紅外傳感器探測(cè)距離影響因素分析作簡要闡述。

關(guān)鍵詞：熱釋電紅外傳感器；探測(cè)距離；影響因素分析

在如何有效提升探測(cè)距離方面，思路之一就是利用其它材料，但是在技術(shù)與成本方面會(huì)受到一定限制，需要通過試驗(yàn)分析從而獲得其它的解決問題思路。

一、探測(cè)系統(tǒng)工作原理

（一）紅外傳感器工作原理

紅外傳感器將接收到的物體紅外熱量轉(zhuǎn)換為設(shè)備可以識(shí)別的電信號(hào)，此類型傳感器釋熱電元件串聯(lián)，兩個(gè)元件同步接收信號(hào)，由于元件的極性相反，信號(hào)輸出會(huì)相互抵消，從而對(duì)背景輻射等產(chǎn)生的誤報(bào)起到一定補(bǔ)償作用。但是其不利方面是被觀測(cè)目標(biāo)移動(dòng)也會(huì)受到影響，主要體現(xiàn)在移動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)方向沿元件中垂面，則不會(huì)輸出電壓信號(hào)。

（二）菲涅爾透鏡工作原理

菲涅爾透鏡作用體現(xiàn)在聚焦，將探測(cè)區(qū)域內(nèi)部分為數(shù)量不等的明、暗區(qū)，從而使得處于探測(cè)范圍內(nèi)的物體以溫度變化形式產(chǎn)生紅外信號(hào)。將探測(cè)空間紅外信號(hào)集中于傳感器，通過鏡片窄帶來實(shí)現(xiàn)紅外線聚集，其作用類似于凸透鏡。需要考慮到的鏡透參數(shù)有光通量，厚度的不均勻性，焦距誤差，透過率等。

二、對(duì)紅外探測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生影響的因素分析

對(duì)于同一系統(tǒng)，紅外探測(cè)系統(tǒng)信號(hào)隨距離增大會(huì)呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)，與探測(cè)信號(hào)有關(guān)聯(lián)的因素包括，首先是感知部位，以人體為例進(jìn)行說明，人體某些部位其輻射較強(qiáng)，而某些部位其輻射相對(duì)較弱。前者如人的膝部，臉部，手臂，后者如人的身體下部，探測(cè)系統(tǒng)所在的位置越高，有效探測(cè)距離就會(huì)越遠(yuǎn)。

環(huán)境溫度、目標(biāo)溫度會(huì)存在差值，熱釋電現(xiàn)象和環(huán)境溫度也會(huì)存在差值，并且差值十分明顯，晶體、熱釋電電壓接收紅外輻射，溫度是動(dòng)態(tài)變化的，溫度變化與晶體材料、結(jié)構(gòu)、參數(shù)有一定關(guān)系。當(dāng)環(huán)境溫度與人體溫度二者間差異越大時(shí)，系統(tǒng)探測(cè)距離就會(huì)有效增加。

探測(cè)距離與透鏡面積二者之間著密切的聯(lián)系，菲涅爾透鏡目的在于將所探測(cè)空間范圍內(nèi)紅外線集中于傳感器，鏡面面積符越大，聚焦于敏感元件信號(hào)就會(huì)越強(qiáng)，探測(cè)距離也就會(huì)相應(yīng)增加。除過與透鏡面積有關(guān)系外，區(qū)段數(shù)量會(huì)對(duì)探測(cè)距離產(chǎn)生影響，從外觀方面來看，透鏡可以將其分為方形，圓形，長形。從功能上來看可以將其分為雙區(qū)多段，多區(qū)多段，單區(qū)多段。鏡片表面刻錄了數(shù)量不等的同心圓，從小到大，從淺到深，環(huán)線多并且密集，焦距遠(yuǎn)，感應(yīng)角度大?？啼洯h(huán)線深，感應(yīng)距離就遠(yuǎn)，焦距也就近，光線集中并且越強(qiáng)，就需要與同心圓環(huán)的距離越近。同一行圓環(huán)形成垂直感應(yīng)區(qū)，同心環(huán)形成水平感應(yīng)段。前者數(shù)量越多，感應(yīng)角度越大，鏡片越長，感應(yīng)段越多，同樣感應(yīng)角度增大。感應(yīng)區(qū)段數(shù)量與被感應(yīng)移動(dòng)幅度呈反比關(guān)系 ，數(shù)量越多，目標(biāo)需要移動(dòng)幅度就比較小，相反被探測(cè)的目標(biāo)就需要在較大范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，并且運(yùn)動(dòng)幅度大，同心圓交錯(cuò)，區(qū)段盲區(qū)就能夠有效減少。在實(shí)際工作環(huán)境下，探頭視場(chǎng)角度對(duì)鏡片的影響體現(xiàn)在，水平感應(yīng)角度、垂直感應(yīng)角度受限，鏡片面積會(huì)受到限制。

三、測(cè)試方案及結(jié)果分析

（一）基于菲涅爾透鏡的測(cè)試

首先需要建立坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)為傳感器，之后是透鏡安裝工作，菲涅爾透鏡安裝在傳感器的探測(cè)窗口，并且透鏡型號(hào)需存在差異。窗口面積是一定的，透鏡通過窗口時(shí)對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)與感知。之后在傳感器感應(yīng)范圍內(nèi)使目標(biāo)沿著縱軸方向，以一定間距移動(dòng)，移動(dòng)位置范圍需要與透鏡平行，當(dāng)信號(hào)不存在時(shí)就可以停止，并且記錄下不同測(cè)試距離時(shí)的結(jié)果。

通過對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析可以看出，區(qū)段型號(hào)不同的透鏡在輸出距離相同的紅外信號(hào)幅值存在差異。電壓值小于一定范圍時(shí)，可以將其默認(rèn)為無法感知到目標(biāo)紅外信號(hào)。當(dāng)電壓值增大到一定范圍時(shí)會(huì)出現(xiàn)削頂現(xiàn)象，通過對(duì)不同數(shù)據(jù)進(jìn)行分析就可以得到單區(qū)段，雙區(qū)段，甚至是多區(qū)段的探測(cè)距離。

（二）環(huán)境、目標(biāo)溫度與測(cè)結(jié)果的關(guān)系

通過調(diào)整室內(nèi)溫度，使其保持在測(cè)量工作允許的范圍內(nèi)，透鏡與目標(biāo)二者間的距離恰當(dāng)并勻速移動(dòng)，觀察信號(hào)波形，通過以溫度不同時(shí)的圖形分析，從而得到溫度對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的影響?？紤]到釋電傳感器對(duì)于溫度較敏感，通過分析可以得到結(jié)果，低溫情況下其紅外信號(hào)峰值明顯要小于高溫情況。

（三）對(duì)兩種測(cè)試方案的結(jié)果分析

通過對(duì)兩種測(cè)試方案進(jìn)行分析可以得到最后的結(jié)果，在探測(cè)距離方面廣角式透鏡相比于幕簾式透鏡其探測(cè)有效距離更遠(yuǎn)。從區(qū)段數(shù)來分析，區(qū)段數(shù)量越多，被感應(yīng)目標(biāo)需要移動(dòng)的幅度就會(huì)越小，相反就會(huì)越大，其背后原因在于區(qū)段數(shù)量增加，紅外感知系統(tǒng)靈敏度也會(huì)相應(yīng)增加，有效探測(cè)距離也就會(huì)相應(yīng)增加。分析比較被探測(cè)目標(biāo)的電壓信號(hào)，黑白兩鏡片相比而言，前者有效感知距離更遠(yuǎn)，原因就在于前者透光性與抗干擾性更好，圓環(huán)線多而密。也證明了透鏡圓環(huán)線多且密，那么感應(yīng)角度就會(huì)越大，焦距相應(yīng)越遠(yuǎn)?？啼浬罱咕嗑捅容^近，而感應(yīng)距離較遠(yuǎn)。

從溫度方面來考慮，目標(biāo)與環(huán)境溫度二者間差異越大，系統(tǒng)有效探測(cè)距離就會(huì)越大，應(yīng)用于實(shí)際工作中的效果就會(huì)越好。

四、結(jié)語

通過對(duì)影響到傳感器探測(cè)距離造成影響的因素進(jìn)行試驗(yàn)，從而得到了影響探測(cè)距離的因素，目標(biāo)溫度與環(huán)境溫度差值，目標(biāo)感知部位，透鏡區(qū)段數(shù)量，透鏡面積等都會(huì)對(duì)有效探測(cè)距離造成影響。并且當(dāng)各項(xiàng)因素組合時(shí)其造成的影響又會(huì)存在一定差異，在實(shí)際測(cè)量工作中應(yīng)用需要注意到相關(guān)方面，并且通過合理措施避免對(duì)正常工作造成影響。

參考文獻(xiàn)：

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課題支持：課題名稱：紅外焦平面陣列非均勻性的研究；課題來源：益陽市指導(dǎo)性科技計(jì)劃項(xiàng)目；（課題編號(hào)：益科字【2016】51號(hào)，序號(hào)：19 ）