基于热释电红外传感器探测距离影响因素分析

雷蕾

摘要：红外探测主要利用物体红外能量完成探测工作，并且将工作结果转换为设备可以识别的信息最后输出，随着应用过程中技术的不断完善，已经应用于防盗，防火与其它产品。该类型传感器其特点体现在灵敏度高，响应速度快，但是其不足之处在于其探测距离比较近，后期研究工作重点就在于如何提升探测系统有效距离，本文就基于热释电红外传感器探测距离影响因素分析作简要阐述。

关键词：热释电红外传感器；探测距离；影响因素分析

在如何有效提升探测距离方面，思路之一就是利用其它材料，但是在技术与成本方面会受到一定限制，需要通过试验分析从而获得其它的解决问题思路。

一、探测系统工作原理

（一）红外传感器工作原理

红外传感器将接收到的物体红外热量转换为设备可以识别的电信号，此类型传感器释热电元件串联，两个元件同步接收信号，由于元件的极性相反，信号输出会相互抵消，从而对背景辐射等产生的误报起到一定补偿作用。但是其不利方面是被观测目标移动也会受到影响，主要体现在移动方向运动方向沿元件中垂面，则不会输出电压信号。

（二）菲涅尔透镜工作原理

菲涅尔透镜作用体现在聚焦，将探测区域内部分为数量不等的明、暗区，从而使得处于探测范围内的物体以温度变化形式产生红外信号。将探测空间红外信号集中于传感器，通过镜片窄带来实现红外线聚集，其作用类似于凸透镜。需要考虑到的镜透参数有光通量，厚度的不均匀性，焦距误差，透过率等。

二、对红外探测系统产生影响的因素分析

对于同一系统，红外探测系统信号随距离增大会呈现逐渐减小趋势，与探测信号有关联的因素包括，首先是感知部位，以人体为例进行说明，人体某些部位其辐射较强，而某些部位其辐射相对较弱。前者如人的膝部，脸部，手臂，后者如人的身体下部，探测系统所在的位置越高，有效探测距离就会越远。

环境温度、目标温度会存在差值，热释电现象和环境温度也会存在差值，并且差值十分明显，晶体、热释电电压接收红外辐射，温度是动态变化的，温度变化与晶体材料、结构、参数有一定关系。当环境温度与人体温度二者间差异越大时，系统探测距离就会有效增加。

探测距离与透镜面积二者之间着密切的联系，菲涅尔透镜目的在于将所探测空间范围内红外线集中于传感器，镜面面积符越大，聚焦于敏感元件信号就会越强，探测距离也就会相应增加。除过与透镜面积有关系外，区段数量会对探测距离产生影响，从外观方面来看，透镜可以将其分为方形，圆形，长形。从功能上来看可以将其分为双区多段，多区多段，单区多段。镜片表面刻录了数量不等的同心圆，从小到大，从浅到深，环线多并且密集，焦距远，感应角度大。刻录环线深，感应距离就远，焦距也就近，光线集中并且越强，就需要与同心圆环的距离越近。同一行圆环形成垂直感应区，同心环形成水平感应段。前者数量越多，感应角度越大，镜片越长，感应段越多，同样感应角度增大。感应区段数量与被感应移动幅度呈反比关系 ，数量越多，目标需要移动幅度就比较小，相反被探测的目标就需要在较大范围内运动，并且运动幅度大，同心圆交错，区段盲区就能够有效减少。在实际工作环境下，探头视场角度对镜片的影响体现在，水平感应角度、垂直感应角度受限，镜片面积会受到限制。

三、测试方案及结果分析

（一）基于菲涅尔透镜的测试

首先需要建立坐标系，坐标原点为传感器，之后是透镜安装工作，菲涅尔透镜安装在传感器的探测窗口，并且透镜型号需存在差异。窗口面积是一定的，透镜通过窗口时对同一目标进行探测与感知。之后在传感器感应范围内使目标沿着纵轴方向，以一定间距移动，移动位置范围需要与透镜平行，当信号不存在时就可以停止，并且记录下不同测试距离时的结果。

通过对测试结果进行分析可以看出，区段型号不同的透镜在输出距离相同的红外信号幅值存在差异。电压值小于一定范围时，可以将其默认为无法感知到目标红外信号。当电压值增大到一定范围时会出现削顶现象，通过对不同数据进行分析就可以得到单区段，双区段，甚至是多区段的探测距离。

（二）环境、目标温度与测结果的关系

通过调整室内温度，使其保持在测量工作允许的范围内，透镜与目标二者间的距离恰当并匀速移动，观察信号波形，通过以温度不同时的图形分析，从而得到温度对信号产生的影响。考虑到释电传感器对于温度较敏感，通过分析可以得到结果，低温情况下其红外信号峰值明显要小于高温情况。

（三）对两种测试方案的结果分析

通过对两种测试方案进行分析可以得到最后的结果，在探测距离方面广角式透镜相比于幕帘式透镜其探测有效距离更远。从区段数来分析，区段数量越多，被感应目标需要移动的幅度就会越小，相反就会越大，其背后原因在于区段数量增加，红外感知系统灵敏度也会相应增加，有效探测距离也就会相应增加。分析比较被探测目标的电压信号，黑白两镜片相比而言，前者有效感知距离更远，原因就在于前者透光性与抗干扰性更好，圆环线多而密。也证明了透镜圆环线多且密，那么感应角度就会越大，焦距相应越远。刻录深焦距就比较近，而感应距离较远。

从温度方面来考虑，目标与环境温度二者间差异越大，系统有效探测距离就会越大，应用于实际工作中的效果就会越好。

四、结语

通过对影响到传感器探测距离造成影响的因素进行试验，从而得到了影响探测距离的因素，目标温度与环境温度差值，目标感知部位，透镜区段数量，透镜面积等都会对有效探测距离造成影响。并且当各项因素组合时其造成的影响又会存在一定差异，在实际测量工作中应用需要注意到相关方面，并且通过合理措施避免对正常工作造成影响。

参考文献：

[1]王孟禄，张镭.热释电红外探测实验装置的设计与应用[J].实验科学与技术，2017（01）.

[2]祁松明，郑涛.面向动静态人体的被动式热释电红外探测器[J].中国住宅设施，2014（05）.

课题支持：课题名称：红外焦平面阵列非均匀性的研究；课题来源：益阳市指导性科技计划项目；（课题编号：益科字【2016】51號，序号：19 ）