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什么是入侵报警探测器及传感器  

2008-02-09 15:50:53|  分类: 防盗报警系统 |  标签: |举报 |字号 订阅

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入侵报警探测器

入侵报警探测器用来探测入侵者的入侵行为。需要防范入侵的地方可以是某些特定的部位,如门、窗、柜台、展览厅的展柜;或是条线,如边防线、警戒线、边界线;有时要求防范范围是个面,如仓库、重要建筑物的周界围网(铁丝网或围本墙);有时又要求防范的是个空间,如档案室、资料室、武器室、珍贵物品的展厅等,它不允许入侵者进入其空间的任何地方。因此入侵报警系统在设计时就应根据被防范场所的不同地理特征、外部环境及警戒要求选用合适的探测器以达到安全防范的目的。

入侵探测器应有防拆、防破坏等保护功能。当入侵者企图拆开外壳或信号传输线断路、短路或接其它负载时,探测器应能发出报警信号。

入侵探测器还要有较强的抗干扰能力。在探测范围内,任何小动物或长150mm、直径为30 mm具有与小动物类似的红外辐射特性的圆筒大小物体都不应使探测器产生报警;探测器对于与射束轴线成15°或更大一点的任何界外光源的辐射干扰信号应不产生误报;探测器应能承受常温气流和电铃的干扰;应能承受电火花的干扰。

传感器

传感器是入侵探测器的核心,它是一种物理量转换器件,可以将入侵时所产生的力、压力、位移、振动、温度、声音、光强等物理量转化为易于处理的电信号和电参量,如电压、电流、电阻、电容等。这种转换是按照一定的规律进行的。被探测的信号我们称之为输入信号x,转换后的电信号称之为输出信号y,那么有y=f(x),f称之为转换函数。转换函数则反映了一定的转换规律。对传感器来说输入信号除了被探测的入侵行为所产生的物理信号外,还包括有干扰所产生的气压、温度、振动、噪声等干扰信号,因此实际上转换函数应是一多元函数,但好的传感器会使干扰对输出的影响被忽略。

传感器的输出电信号有两种,一种是连续变化的信号,我们称之为模拟量。如光电二极管输出的电流随光照强度大小而变化就是一种连续变化的物理量。但报警控制器通常只接收入侵行为是否发生的有无信号来决定相应的防范措施。这就需要将连续变化的模拟信号转换成只有“有”和“无”两种状态的数字量,通常用“1”表示“有”,用“0”表示“无”。这种转换可以在探测器中完成,也可以在报警控制器中完成。通常是将传感器探测到的模拟信号与一预先确定的基准信号相比较,小于基准信号可认为该信号为干扰引入而非入侵信号,判定为“0”,超过基准值时的信号则只能在入侵行为发生时产生,判定为“1”。

也有少数的传感器产生并输出的信号只有两种状态,如干簧继电器的“通”与“断”,已经是数字信号而不需转换和比较,可直接被控制器接收。

1.开关传感器

开关传感器是一种简单、可靠的传感器,也是一种最廉价的传感器,广泛应用于安防系统中。它可以将压力、磁场或位移等在入侵行为发生时所产生的物理量转化为传感器内部电路的“开”和“关”两种电信号。

(1) 微动开关、簧片型接触开关

开关在压力的作用下接通,从而发出报警信号;在无压力作用时是断开的;或者反过来工作。此类开关通常用在某些点探测器中,用以监视门、窗、柜台等特殊部位。

(2) 舌簧继电器

舌簧继电器又称干簧继电器,是一种将磁场力转化为电信号的传感器,其结构如图1。

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图1  干簧继电器的构造

干簧管的干簧触点常做成常开、常闭或转换三种不同形式。开关簧片通常烧结在与簧片热膨胀系数相近的玻璃管上,管内充有氮气或惰性气体以避免触点被氧化和腐蚀,还可以有效防止空气中尘埃与水气污染。

干簧管中的簧片是用铁镍合金制成,具有很好的导磁性能,与线圈或磁块配合,构成了干簧继电器状态的变换控制器,簧片上的触点镀金、银、铑等贵金属,以保证通断能力。常开舌簧继电器的两个簧片在外磁场作用下其自由端产生的磁极极性正好相反,二触点相互吸合,外磁场不作用时触点是断开的,故称常开式舌簧继电器。 常闭舌簧管的结构正好与常开式相反,是无磁场作用时吸合,有磁场作用时断开。转换式舌簧继电器有常开、常闭两对触点,在外磁场作用下状态发生转换。

使用时通常把磁铁安装在被防范物体(如门、窗等)的活动部位(门扇、窗扇),干簧管安装在固定部位(门框、窗框),如图2所示。

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图2 安装在门窗上的磁控开关

磁铁与舌簧管的位置要调整适当,以保征门窗关闭时磁铁与干簧管接近而干簧管触点动作,当门窗打开时干簧管触点复位而产生报警信号。

(3) 易断金属导线

易断金属线是一种用导电性能好的金属材料制成的机械强度不高、容易断裂的导线,用它作为传感器时,可将其捆绕在门、窗把手或被保护的物体上,当门、窗被强行打开或物体被意外移动时金属线断裂,使与其连通的电路断路而发出报警信号。易断金属导线可以是0.1mm~0.5mm的漆包线,也可以采用一种导电胶粘带。易断金属导线具有结构简单、价格低廉的优点,缺点是不便于伪装且没有自恢复功能。

(4) 压力垫

压力垫也可以作为开关报警探测器的一种传感器。压力垫通常放在防范区域的地毯下面,如图3所示。将两长条形金属带平行相对地分别放在地毯背面和地板之间,两条金属带之间有几个位置使用绝缘材料支撑,使两条金属带互不接触,此时相当于传感器开关断开,当入侵者进入防范区域时,踩踏地毯而使相应部位受力凹陷,两条金属带接触,此时相当于传感器开关闭合而发出报警信号。

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图3 压力垫使用示意图

2.压力传感器

压力传感器把传感器上受到的压力变化转换为相应的电量变化,经过放大成为电信号。某些晶体材料,当某方向受到外力作用时,其内部就会产生极化现象,在某方向两个表面上产生正负电荷,当作用力改变时,电荷的大小和极性随之改变,晶体所产生的电荷量大小和极性随之改变,晶体所产生的电荷量大小与外力的大小成正比,这种现象称正压电效应。反之某些晶体加一交变电场,晶体将产生机械变形,这种现象称逆压电效应。图4为压电效应原理示意图。

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图4 压电效应原理示意图

具有压电效应的晶体材料我们称之为压电材料。压力传感器就是利用压电材料的正压电效应制成。

现在常用的压电材料是人工合成的。天然的压电单晶也有,但效率低,利用难度较大,用的较少,只有在高温或低温等特殊状态下,才利用单晶石英晶体。

压电陶瓷是人工烧结的一种常用多晶压电材料,压电陶瓷烧结方便,容易成形,强度高,而且压/电转换的系数大,为天然单晶石英晶体的几十倍,而制造成本只有石英单晶的百分之一,因此压电陶瓷广泛被用做高效压力传感器材料。

常用的压电陶瓷材料有钛酸钡、铌镁酸铅,铅钛酸铅等。

压电陶瓷材料烧结后,最初并不具有压力特性。这种陶瓷材料内部有许多无序排列的“电畴”,这些“电畴”在一定外界温度下,接受一强化电场的作用,使其按外电场的方向整齐排列,这就是极化过程。极化后的陶瓷材料在撤去外电场后,其内部电畴的排列不变,具有很强的极化排列,这时陶瓷材料才具有压电性。
压电陶瓷材料通常做成长方体。当某一方向上的对应两面受到外力作用时,在压电陶瓷的这两面上就会出现电荷堆积,电量的大小与受力的大小成正比。此时压电陶瓷相当于一个静电发生器,或是一个以压电材料为介质的电容器,电容量的大小为

C=ε?ε0?A/δ

式中,

ε0 —— 真空介电常数(8.85×10-12 F/m);
ε  ——  压电材料相对介电常数;
A  —— 受力极板面积;
δ —— 压电材料厚度。

而电容两端的开路电压U=Q/C,Q为极板上电荷量的大小,与所受外力成正比,一般电量Q很小,因此感应出的U也很小。为了能检测出U的变化,要求压电陶瓷本身有相应的阻抗,同时前端放大器也应有极高的输入阻抗,通常探测器的前端放大器用场效应管来担当。由于输入阻抗过高,很容易窜入干扰信号,为此前端放大器应直接接在传感器的输出端,信号经放大后输出一个高电平 、低阻抗的探测电信号。

有机压电材料是新近研究开发出来的新型压电材料,如聚氯乙烯、聚二氟乙烯等,它具有柔软、不易破碎的特点。

半导体压力传感器是利用硅结晶的压电电阻效应以及二极管、晶体管的电流、电压特性制成的元件。当硅半导体材料受到外力作用时,晶体处于扭曲状态,由于载流子迁移率的变化而导致晶体阻抗变化的现象称之为压电电阻效应。用ΔR表示晶体阻抗的变化,它的变化率为:

ΔR/R = (Δρ/ρ)?τ?σ=G?σ

式中,

τ——压电电阻系数
ρ——电阻率
σ——应力
G ——比例因子

半导体压力传感器的比例因子G高达200,G越高,灵敏度越高。

图5所示为半导体压力传感器结构。当硅膜片受压时,扩散电阻值发生变化,将R1、R2、R3、R4接成桥路,如图6所示。

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图5  半导体压力传感器结构                                     图6 压力传感器输入输出桥

图7为半导体压力传感器的压电传输特性,可以看出输出电压随压力的变化而变化,且线性度较好。

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图7 压电传输特性

用来检测压力的传感器还有静电容式压力传感器和硅振动式压力传感器。静电容式压力传感器是将压力膜微小的位置变化转换成静电容变化的传感器。硅振动式压力传感器是用微加工方法将膜片加工成长50µm、宽20µm~30µm、厚5µm的硅振子膜片,当膜片受到压力时,则把压力转换为张力,使膜片产生振动。但为使振子不直接与测量膜片接触,防止振子的污染和劣化,而将其全部封在真空室内,故硅振动式压力传感器的工作条件要求极高,在这里就不详细描述了。

3.声传感器

入侵事件发生时,总会有说话、走动、击碎玻璃、锯钢筋等声音发生,能够把这些声音信号转换成一定电量的传感器都被称为声传感器。

声音为一种机械波,声音的传播是机械波在媒质中传播的过程。当声波频率在20Hz~20kHz时人耳能接收到,称为可闻声波。当频率低于20Hz时称为次声波,高于20kHz时称为超声波,次声波和超声波人耳均听不到。

(1) 驻极体传感器

驻极体是一种永久性带电的介电材料,它能把声能或机械能转换成电能,或者将电能转换成机械能或声能。

驻极体传感器的核心是驻极体箔。它由一张绝缘薄膜组成,薄膜上带电荷,通常由聚四氟乙烯等碳卤聚合物制成,具有极高的绝缘电阻。通过外电场对绝缘薄膜两侧充电,则膜上的电荷能长时间保存。若在常温和相对干燥的环境下保存,聚四氟乙烯上的电荷能保存近百年;在常温和相对湿度为95%的潮湿环境下,电荷的衰减时间也能达到近10年。

通常把一片驻极体膜紧贴在一块金属板上,另一片驻极体膜相对安放,中间为10µm的薄空气层,构成一个驻极体传感器。二片相对而立的驻极体膜形成一个电容器,根据静电感应原理,与驻极体相对应的金属板上会感应出大小相等、方向相反的电荷。驻极体上的电极在空隙中形成静电场,在声波作用下,驻极体箔会有一个位移d。在驻极体膜开路的条件下,膜片两端感应的静电场

U=E?d =σd1d/ε0 (d1 +εd2 )

式中,
E —— 膜片间隙中电场强度
σ—— 驻极体表面电荷密度
d1—— 驻极体箔的厚度
d2—— 膜间空气厚度
εO—— 自由空间介电常数
ε—— 驻极体材料的相对介电常数

驻极体箔的相对位移d与所加声强成正比,因此传感器输出的电压仅与声强有关,而与频率无关。驻极体传感器能保证在声频范围内具有恒定的灵敏度,这是极大的优点。

(2) 磁电传感器

磁电式传感器俗称“动圈式传感器”,它是由一个固定磁场和在这磁场中可作垂直轴向运动的线圈组成,线圈安装在一个振动膜上,振动膜在声强的作用下运动,带动线圈在固定的磁场中作切割磁力线的运动,此时在线圈两端的感应电动势E的大小为:

E=BLv

式中,
B——磁感应强度
L——线圈的长度
v——线圈的运动速度

线圈的运动速度v与声强的大小有关,故而线圈的输出电压也取决于声强的大小。

4. 光电传感器

光电传感器是指能够将可见光转换成某种电量的传感器。光敏二极管是最常见的光传感器。光敏二极管的外型与一般二极管一样,只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口,以便于光线射入,为增加受光面积,PN结的面积做得较大,光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下,并与负载电阻相串联,当无光照时,它与普通二极管一样,反向电流很小(<µA),称为光敏二极管的暗电流;当有光照时,载流子被激发,产生电子-空穴,称为光电载流子。在外电场的作用下,光电载流子参于导电,形成比暗电流大得多的反向电流,该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比,于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。

光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外,还有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大,一般光敏三极管只引出两个极——发射极和集电极,基极不引出,管壳同样开窗口,以便光线射入。为增大光照,基区面积做得很大,发射区较小,入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏,发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流Iceo=(1+β)Icbo(很小),比一般三极管的穿透电流还小;当有光照时,激发大量的电子-空穴对,使得基极产生的电流Ib增大,此刻流过管子的电流称为光电流,集电极电流Ic=(1+β)Ib,可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。

5.热电传感器

热电传感器是一种将热量变化转换为电量变化的一种能量转换器件。热释电红外线元件是一种典型的热量传感器。

可见光的波长通常在1µm以上,而1µm以下的光人眼是看不到的。0.8µm以下的红外光具有很高的放射能量(W/m2),差不多等于800K(500℃)以上高温物体释放的能量,因此常用红外光发射能量来检测入侵者的入侵及其活动。

一般的热释电材料为LiTaO3, 当受到红外线照射时,热释电材料的温度发生变化,同时其表面电荷也会发生变化。当以LiTaO3为代表的热释电材料处于自极化状态时,吸收红外线入射波后,结晶的表面温度改变,自极化也发生改变,结晶表面的电荷变得不平衡,把这种不平衡电荷的电压变化取出来,便可测出红外线。热释电材料只有在温度变化时才产生电压,如果红外线一直照射,则没有不平衡电压,一旦无红外线照射时,结晶表面电荷就处于不平衡状态,从而输出电压。

热释电红外线传感器因红外光线的照射与遮挡得到或失去热量,从而产生电压输出。从原理上讲应与波长无关,但由热释电材料做成的传感器有一个透光窗,而透光窗的选材与波长有关系。如以SiO2为窗材的传感器,它与1µm以上波长的红外线无关,而有的窗材只能通过4µm附近波长的光,有的能透过6.1µm波长的光,有的能透过8µm ~14µm波长的光,所以使用不同的窗材就可确认是哪个波长的光产生的热。

热释电元件组成的红外探测器只与窗材的波长有关,而量子型的红外光探测器与红外光的波长有关,它的特点是灵敏度高,响应速度快,响应的灵敏度与红外线波长有关。每个入射光子产生的能量

E=hc/λ=1124λ

式中,

h——普朗克常数,

h=4.14×10-15(ev?s)=6.625×10-34(J?S)

c——光速,c=3×1010cm/s

1µm红外光的能量为1.24eV,10 µm红外光的能量为0.12eV,与可见光相比,红外线光的能量较小。量子型的红外传感器又分为光导电型和光电动势型两种。光导电型的元件材料有PbS、PbSe、Hg、Cd、Te等,它是利用红外线照射时阻抗减少的特点来获取检测信号的;而光电动势型是在Ge、IrSb等半导体基片上形成PN结,当红外线照射时产生光电动势,Ge的禁带宽度为0.6ev,Ge二极管对0.6µm和1.9µm的红外光较敏感,当入射红外光的波长在0.6µm~1.9 µm时,在PN结上形成的电动势随入射光量的增大而增大,从而经放大可输出探测电信号。

6.电磁感应传感器

电磁场也是物质存在的一种形式。电磁场的运动规律由麦克斯韦方程组来表示,根据麦克斯韦理论,当入侵者入侵防范区域,使原先防范区域内电磁场的分布发生变化,这种变化可能引起空间电场的变化,电场畸变传感器就是利用此特性。同时,入侵者的入侵也可能使空间电容发生变化,电容变化传感器就是利用此特性。

编辑整理:张新房 www.zhangxinfang.com

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