毕业设计（论文）-基于红外线探测技术的电路设计与研究.doc

班 级 07511 学 号 07511040 本科毕业设计论文 题 目 基于红外线探测技术的电路设计与研究 学 院 长安学院 专 业 微电子学 学生姓名 导师姓名 毕业设计（论文）诚信声明书本人声明：本人所提交的毕业论文基于红外线探测技术的电路设计与研究是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果，论文中所引用他人的无论以何种方式发布的文字、研究成果，均在论文中加以说明；有关教师、同学和其他人员对本文的写作、修订提出过并为我在论文中加以采纳的意见、建议，均已在我的致谢辞中加以说明并深致谢意。本论文和资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。论文作者： （签字） 时间：2011年5月20日指导教师已阅：（签字） 时间：2011年5月20日西安电子科技大学长安学院毕业设计（论文）任务书学生姓名 王博 学号 07511040 指导教师 李刚 职称 高 工学 院 长安学院 专 业 微 电 子 学题目名称 基于红外线探测技术的电路设计与研究 任务与要求1 熟悉、掌握红外线的知识及相关知识，并能够应用。2 查阅各种资料，理解红外线的前沿动态。3 独立完成毕业论文工作，论文全文字数不少于15000字；论文由中英文摘要、目录、引言、正文、结论、参考文献和记录等部分组成；中文摘要不少于300字，英文摘要不少于300个单词；引言包括问题的提出及背景，国内外现状，前人所做的成果等。4 要求论文结构合理，概念清楚，逻辑清晰，语言通顺，文笔流畅。5 按时提交开题报告及论文提纲。6 工作作风严谨，刻苦钻研，每周与指导教师至少沟通联系一次。7 按时参加论文答辩。开始日期2010年1月5日 完成日期2011年5月24日院 长_（签字） 年 月 日注：本任务书一式两份，一份交学院，一份学生自己保存。西安电子科技大学长安学院毕业设计（论文）工作计划学生姓名 王 博 学号 07511040 指导教师 李 刚 职称 高级工程师 学院 长安学院 专业 微电子学 题目名称 基于红外线探测技术的电路设计与研究 一、 毕业设计（论文）进度起止时间工作内容2010.1.52010.2.28查阅相关文献资料，学习有关红外线探测技术的知识。2010.3.12010.3.31基本设计出两套可行性的红外线探测的电路方案，然后经过方案论证来选择最佳方案。2010.4.120104.30对于所选择的最佳方案进行模拟仿真测试，对其原理与稳定性进行评估。2010.5.12010.5.24进行资料进行整理，撰写论文、毕业论文答辩二、主要参考书目（资料）1袁华王召巴，红外探测技术的原理及发展前景，20082吴政江.单片机控制红外线防盗报警器J.锦州师范学院学报，20113宋文绪.传感器与检测技术M.北京.高等教育出版社，20044余锡存，单片机及接口技术M.西安电子科技大学出版社，20005李全利。单片机原理及接口技术M北京航空航天大学出版社20046康华光。电子技术基础（模拟部分）M.高等教育出版社20047许爱钧，彭秀华。单片机高级语言C51应用程序设计M。北京航空航天大学出版社2006三、主要仪器设备及材料硬件：红外线探头、STC89C51、电子元件等软件：protel、MultiSim、WindowsXP版等四、教师的指导安排情况（场地安排、指导方式等）1. 每周至少报告、指导一次；2. 采取面谈方式（教师休息室、教研室等），电话、电邮随时联系指导。五、对计划的说明注：本计划一式两份，一份交学院，一份学生自己保存（计划书双面打印）西安电子科技大学长安学院毕业设计（论文）中期检查表学院长安学院专业微电子学学生姓名王博学号07511040班级07511导师姓名李刚职称高工单位西电电院题目名称基于红外线探测技术的电路设计与研究检查内容检查结果题目是否更换及更换原因否学生出勤情况出勤正常进度评价（完成总工作量的百分比）60%质量评价、进度描述初步完成硬件及软件调试总体评价（按优、良、中、及格、不及格五挡评价）良存在的问题与建议抓紧时间完成后续问题，写好毕业论文学院审核（盖章）注：此表由指导教师填写，中期检查成绩将作为毕业设计总成绩的一部分；此表装订入毕业设计（论文）中。西安电子科技大学长安学院毕业设计（论文）成绩登记表学院长安学院专业微电子学姓名王博学号07511040成绩题目名称基于红外线探测技术的电路设计与研究指导教师李刚职称高工指导教师评语及对成绩的评定意见签名 年 月 日评阅人评语及成绩评定意见签名 年 月 日答辩小组意见签名 年 月 日学院答辩委员会意见答辩委员会主任签名 （学院盖章） 年 月 日注：学院、专业名均写全称；成绩登记表双面打印。摘 要摘要目前红外技术作为一种高技术，它与激光技术并驾齐驱，在军事上占有举足轻重的地位。红外成像、红外侦察、红外跟踪、红外制导、红外预警、红外对抗等在现代和未来战争中都是很重要的战术和战略手段。在70年代以后，军事红外技术又逐步向民用部门转化。红外加热和干燥技术广泛应用于工业、农业、医学、交通等各个行业和部门。红外测温、红外测湿、红外理疗、红外检测、红外报警、红外遥感、红外防伪更是各行业争相选用的先进技术。该报警器能探测人体发出的红外线，由外线报警器采用STC89C51作为主要的芯片来制作，STC89C51芯片的功能比较全。红外对射由发射管和接收管两部分组成，当发射管和接收管在某一角度的范围之内，接收头接收到发射管发出的红外信号时，相应的指示灯点亮。当有障碍物阻挡了红外对射管之间的信号传输，那么相应的指示灯熄灭，同时报警器鸣叫，提示报警。关键字 红外线 热释电 红外传感器 STC89C51 ABSTRACTABSTRACT Currently, as a high-tech infrared technology, which go hand in hand with the laser technology, the military occupies a pivotal position. Infrared imaging, infrared detection, infrared tracking, infrared-guided, infrared early warning, infrared countermeasures and other war in modern and future are very important tactical and strategic means. 70 years later, military infrared technology and the gradual conversion to the civilian sector. Infrared heating and drying technology is widely used in industry, agriculture, medicine, transportation and other industries and sectors. Infrared temperature measurement, infrared moisture measuring, infrared therapy, infrared detection, infrared alarm, infrared remote sensing, infrared security is the use of advanced technology industries competing The alarm can detect the infrared body issued by the external alarm as the main chip used STC89C51 to make, STC89C51 Functional Comparison of the whole chip. Infrared radiation received by the tubes and pipes composed of two parts, when the launch tube and receiver tube in a range of angles within the launch tube receiver receives the infrared signal, the corresponding lamp lights up. When there are obstacles blocking the infrared signal transmission between the radio tube, then the corresponding indicator light is off, and alarm call and prompts the police.Keywords： infrared yroelectric nfrared ensorSTC89C51目 录目录第一章绪论11.1选题背景11.2红外线11.3本文研究的目的和意义3第二章红外线技术32.1引言32.2红外技术的发展史32.2.1红外技术的发展32.2.2红外探测器32.2.3红外技术的主要应用领域52.3红外技术产业62.4国内外红外产业82.4.1国内红外产业8 2.4.2 国外红外产业.11第三章热释电红外报警器123.1热释电红外传感器123.2被动式红外报警器的结构原理133.2.1结构133.2.2工作原理133.3菲涅尔透镜133.3.1菲涅尔透镜分类143.3.2菲涅尔透镜的功能及应用153.4红外线探测器153.4.1主要特征163.4.2工作原理16第四章系统硬件设计164.1系统总体结构164.2硬件174.2.1单片机89C51概述174.2.289C51的参数及管脚说明194.2.389C51外部引脚图204.2.489c51功能块图错误！未定义书签。4.3总体设计思路204.3.1时钟电路设计214.3.2复位电路设计224.3.3LED发光显示电路设计224.3.4信号检测电路设计23第五章总结24致 谢26参考文献28附录一30附录二32第一章 绪论3第一章 绪论1.1 选题背景红外科学技术是研究红外辐射的产生、传输、转换探测及应用的一种高新技术。军事应用是推动红外技术发展的主要动力。在历次战争中,红外技术曾显示出巨大的威力,它已成为现代军事装备的重要组成部分。红外成像、红外侦察、红外跟踪、红外制导、红外预警、红外对抗等,在现代战争和未来战争中都是必不可少的战术和战略手段。另一方面,由于红外技术的独特功能,近年来,军用红外技术已逐步实现了向民用部门的转化。红外成像、红外测温、红外测湿、红外检测、红外报警、红外侦查、红外夜视、等已是各行各业争相选用的先进技术,红外技术在民用部门中发挥着日益重要的作用。随着社会的进步，人们对家居生活安全性的要求也越来越高，各种防盗探测器应运而生。由于红外线是不可见光，有很强的隐蔽性和保密性，因而在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用。此外，随着半导体技术和新型材料的发展，热释电红外探测器的防误报能力、控制范围与可靠性都有了很大程度的提高，可以满足多数环境下的使用要求，因此，在防盗、报警、安全、自动控制等方面，热释电红外传感器比其他类型的传感器应用更为广泛。1.2 红外线红外线是什么？他是怎样来的？很多人都会有这样的想法。红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，由德国科学家霍胥尔于1800年发现，又称为红外热辐射,他将太阳光用三棱镜分解开，在各种不同颜色的色带位置上放置了温度计，试图测量各种颜色的光的加热效应。结果发现，位于红光外侧的那支温度计升温最快。因此得到结论：太阳光谱中，红光的外侧必定存在看不见的光线，这就是红外线。也可以当作传输之媒界。太阳光谱上红外线的波长大于可见光线，波长为0.751000m。红外线可分为三部分，即近红外线，波长为(0.75-1)(2.5-3)m之间；中红外线，波长为(2.5-3)(25-40)m之间；远红外线，波长为(25-40)l000m之间。红外线的产生。在绝对0度（0K）以上，任何物体都会产生电磁波辐射。物体内部的原子，电子在原子核外部占据不同的能级（能量级别），能级高的在更外部；能级低的在相对里边。温度越高，原子的能量越大，电子将会升到更高的能级。当电子从较高的能级掉到较低的能级时，会产生一个光子，产生的光子的能量等于两个电子能级的能量差。真正的红外线夜视仪是光电倍增管成像，与望远镜原理完全不同，白天不能使用，价格昂贵且需电源才能工作。近红外近红外线或称短波红外线，波长0.761.5微米，穿入人体组织较深,约510毫米；远红外线或称长波红外线，波长1.5400微米，多被表层皮肤吸收，穿透组织深度小于2毫米。远红外线的发现远红外线的发现西元1800年德国科学家霍胥尔发现太阳光中的红外线外侧所围绕著一种用肉眼无法看见的光源，波长介於5.6-1000UM的远红外线，经过这种光源照射时，会对有机体产生放射、穿透、吸收、共振的效果。美国太空总署(NASA)研究报告指出，在红外线内，对人体有帮助4-14微米的远红外线，能渗透人体内部15CM，从内部发热，从体内作用促进微血管的扩张，使血液循环顺畅，达到新陈代谢的目的，进而增加身体的免疫力及治愈率。但是根据黑体辐射理论，一般的材料要产生足够强度的远红外线，并不容易，通常必须藉助特殊物质作能量的转换，将它所吸收的热量经由内部分子的振动再发放较长波长的远红外线出来。红外线的波长范围近红外线|(NearInfra-red,NIR)|7002,000nm|0.72MICRON中红外线|(MiddleInfra-red,MIR)|3,0005,000nm|35MICRON远红外线|(FarInfra-red,FIR)|8,00014,000nm|814MICRON红外线的发现公元1666年牛顿发现光谱并测量出3,900埃7,600埃（400nm700nm）是可见光的波长。1800年4月24日英国伦敦皇家学会（ROYALSOCIETY）的威廉赫歇尔发表太阳光在可见光谱的红光之外还有一种不可见的延伸光谱，具有热效应。他所使用的方法很简单，用一支温度计测量经过棱镜分光后的各色光线温度，由紫到红，发现温度逐渐增加，可是当温度计放到红光以外的部分，温度仍持续上升，因而断定有红外线的存在。在紫外线的部分也做同样的测试，但温度并没有增高的反应。紫外线是1801年由RITTER用氯化银（Silverchloride）感光剂所发现的。底片所能感应的近红外线波长是肉眼所能看见光线波长的两倍，用底片可以记录到的波长上限是13,500埃，如果再加上其它特殊的设备，则最高可以达到20,000埃，再往上就必须用物理仪器侦测了。红外线自1800年被发现以来，人们对她的研究从来没有停止过，目前已经开发出了众多的应用产品，从医疗、检测、航空到军事等领域，几乎处处都能看到红外的身影。但人们对她的研究仍然延续，时不时出现的新发明新应用，带给我们惊讶与感叹，人类对这座宝藏的开发还远远不够，红外产业还有广阔的扩张空间！1.3 本文研究的目的和意义随着时代的不断进步，人们对自己所处环境的安全性提出了更高的要求，尤其是在家居安全方面，不得不时刻留意那些不速之客。现在现在很多小区都安装了智能报警系统，因而大大提高了小区的安全程度，有效保证了居民的人身财产安全。由于红外线是不见光很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用。此外，在电子防盗、人体探测等领域中，被动式热释电红外探测器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点而受到广大用户和专业人士的欢迎。目前国内使用的各类防盗、保安报警器基本都是以超声波、主动式红外发射接收以及微波等技术为基础。而这里所设计的被动式红外报警器则采用了美国的传感元件热释电红外传感器。这种热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号，同时，它还能鉴别出运动的生物与其它非生物。热释电红外传感器既可用于防盗报警装置，也可以用于自动控制、接近开关、遥测等领域。用它制作的防盗报警器与目前市场上销售的许多防盗报警器材相比，具有如下特点：不需要用红外线或电磁波等发射源。灵敏度高、控制范围大。隐蔽性好，可流动安装。第二章 红外线技术 5第二章 红外线技术2.1 引言当今年代，红外线发展火热。红外线(Infraredrays)也是一种光线，由于它的波长比红色光（750nm)还长，超出了人眼可以识别的（可见光）范围，所以我们看不见它。红外线由德国科学家霍胥尔于1800年发现，又称为红外热辐射(InfraredRadiation)。通常把波长为0.751000m的光都称为红外线，并可以按照波长继续细分为三部分，即近红外线，波长为0.751.50m之间；中红外线，波长为1.506.0m之间；远红外线，波长为6.0l000m之间。红外对射的特点是不影响周边环境、不干扰其它设备，红外线是一种光线，但又不同于普通可见光，它不会查觉有了它不仅大大提高了劳动生产率，降低了成本，而且减轻了人们的劳动强度，改善了劳动条件。可以使用一对红外线发射与接收的装置，构成红外线的对射系统，称为主动式红外线应用系统。当红外线收、发装置之间的隐形光路被阻挡时，接收装置可以立即察觉到，发出警示信号。利用这种对射系统，可以很方便地构建各种隐蔽的防盗警戒布控，还可以用于各种设备的安全防护或者自动控制方面，过探测特定空间中，一定波长范围内红外光线的位置移动，识别空间范围内是否有移动人体存在，达到安全警戒或者自动控制的目的1。使用红外线做信号载波的优点很多：成本低、传播范围和方向可以控制（不会穿过墙壁，对隔壁家的电视造成影响）、不产生电磁辐射干扰，也不受干扰等等。因此被广泛地应用在各个技术领域中。2.2 红外技术的发展史伴随着红外这个词汇日益成为安防界点击率最高的词汇之一，越来越多的人渴望进一步的了解红外这门技术及它的应用。2.2.1 红外技术的发展1800年，英国天文学家F.W.赫歇耳发现了红外线。上世纪70年代，热成像系统和电荷耦合器件被成功地应用。上世纪末以焦面阵列（FPA）为代表的红外器件被成功地应用。红外技术的核心是红外探测器。2.2.2 红外探测器单元红外探测器：如InSb（锑化铟）、HgCdTe（碲镉汞）、非本征硅，以及热电等探测器。线列：以60元、120元、180元和256元等，可以拼接到1024元甚至更多元。4N系列扫描型焦平面阵列：如211所的研制生产的4x288。凝视型焦平面阵列(IRFPA)：致冷型256x256、320x240、384x288，更大规模的如640x512，10241024和1280720元阵列也已有了；非致冷型160120、320x240已广泛应用于各个行业中，384x288、640x480也已开始应用。红外探测器按其特点可分为四代：第一代（1970s80s）：主要是以单元、多元器件进行光机串/并扫描成像；第二代（1990s2000s）：是以4x288为代表的扫描型焦平面；第三代：凝视型焦平面；第四代：目前正在发展的以大面阵、高分辨率、多波段、智能灵巧型为主要特点的系统芯片，具有高性能数字信号处理功能，甚至具备单片多波段探测与识别能力。目前非制冷焦平面探测器的主流技术为热敏电阻式微辐射热计，根据使用的热敏电阻材料的不同可以分为氧化钒探测器和非晶硅探测器两种。非制冷焦平面阵列探测器的发展，其性能可以满足部分的军事用途和几乎所有的民用领域，真正实现了小型化、低价格和高可靠性，成为红外探测成像领域中极具前途和市场潜力的发展方向。氧化钒技术由美国的Honeywell公司在九十年代初研发成功，目前其专利授权BAE、L-3/IR、FLIR-INDIGO、DRS、以及日本NEC、以色列SCD等几家公司生产。非晶硅技术主要由法国的CEA/LETI/LIR实验室在九十年代末研发成功，目前主要由法国的SOFRADIR和ULIS公司生产。目前世界上只有美国、法国、日本、以色列四个国家拥有非制冷焦平面探测器产业化生产的能力，其核心技术仅有美国和法国两个国家掌握，日本和以色列则由美国取得技术许可，在其国内生产和有限制地使用。对我国的出口则设置了更多严格的限制，如大家遇到的帧频限制。我国已经开展了从单元、线列到红外焦平面的探测器研究工作。产品已覆盖1m-3m、3m-5m和8m-14m三个大气窗：光子探测器有光导、光伏、量第二章 红外线技术 7子阱等结构；热探测器有热敏电阻，温差电偶与电堆、热电等类型。多种焦平面阵列已走出实验室，开始获得实际应用。随着红外探测器从第一代主要是以单元、多元器件进行光机串/并扫描成像到目前第四代的飞速发展，带动了相关技术和与此相应的红外应用技术的快速发展，红外材料、光学元件加工与镀膜、制冷器、前放、专用信号读出处理电路、图像处理、系统设计、系统检测、仿真与试验技术等，已经形成了比较完整的研究生产体系。2.2.3 红外技术的主要应用领域红外技术早期只局限于军事领域的应用，伴随着冷战的结束，红外技术开始大规模地走入民用领域。随着世界经济的快速发展、红外技术的快速进步和产品成本的不断下降，民用领域应用将具有更为广阔的发展空间。军用领域红外技术可用于对远、中、近程军事目标的监视、告警、预警与跟踪；红外成像的精确制导；武器平台的驾驶、导航；探测隐身武器系统；光电对抗等。在美、英、法、德、日、以色列等发达国家的军队中，红外热像仪已配置在陆、空、海军等各个军种中，例如海湾战争中平均每个美国士兵配备1.7具红外热像仪。与发达国家相比，目前我国军队中红外热像仪的应用相对较少，其市场需求量相当巨大。民用领域红外测温、红外成像已在工业、交通、电力、石化、农业、医学、遥感、安全监控与防范和科学研究等民用领域广泛应用，成为自动控制、在线监测、非接触测量、设备故障诊断、资源勘查、遥感测量、环境污染监测分析、人体医学影检查等重要方法。系统级产品种类和量产规模的不断扩大导致了红外器件成本的降低，这个发展趋势不但促进了这项技术在民用领域能够不断地探寻更多的应用用途，同时又拉动了这项技术本身所牵引的基础行业的发展。民用领域的红外热像仪市场极有可能呈现出爆发性增长，未来全球民用潜在需求市场高达上千亿美元。2.3 红外技术产业按产品和技术类别可分为：红外传感器、红外成像器、红外材料、光学元件、制冷器、前放、专用信号读出处理电路、图像处理、系统设计、系统检测、仿真与试验等；按应用领域可分为：安防领域、消防领域、电力领域、企业制程控制领域、医疗领域、建筑领域、遥感领域等。安防领域从2006年至今，全球视频监控市场年增长速度达到70%左右，预计到2010年，全球视频监控市场规模将达到近60亿美元。中国视频监控市场，2006年规模达18亿元，预计2010年将达到近70亿元。随着商业和民用安防监控实际需求的不断增长、部署监控系统性价比的不断提升，以及“国家应急体系”、“平安建设”、“科技强警”等重大工程项目在全国不断推进，我国视频监控市场将持续升温，并不断创造出更多的市场需求和机会。北京奥运会、上海世博会、广州亚运会等国内大型活动的举办和世界社会安全形势的多变，对各种危险性的预防也提出了越来越高的要求，具有全天时准全天候的红外监视显得更加突出。非制冷红外探测器的出现和市场价格的可接收性，红外报警已从近红外主动照射成像报警、点源红外探测报警快速向红外凝视焦平面成像发展。红外成像、红外/可见光融合的智能视频监控报警系统将获得快速发展，并将广泛运用到海边防、银行、机场、油库、军械库、图书文献库、文物部门、监狱等重要部门，以及交通、工业、仓储、港口码头、物联网和森林防火等行业市场。到2009年，全国约有300万个监控摄像头用于城市监控与报警系统。未来按三十分之一配置红外热像仪，市场规模即达10万只，平均每台按5万元计算（目前售价约为10万元），市场需求总量达到50亿元。红外安防已经开始成为安防领域的又一热门产业！消防领域消防领域是世界上发达国家红外热像仪最大的民用市场。据统计，目前全球有大约500万消防人员，如果每辆消防车辆配备一台热像仪，市场总量将达到20万台。第二章 红外线技术 9据我国公安部消防局装备处的统计资料，目前我国消防车保有量约为2.3万辆，按照公安部、国家发展和改革委员会、建设部修订的城市消防站建设标准要求，到2009年，每个消防站的消防车配置将由3.2辆增加到5辆，全国消防车总量因此将达到近3.6万辆。我国消防车中配备红外热像仪的还很少，如果每台消防车配备一台红外热像仪，平均每台按10万元计算（目前售价约为15万元），全球消防领域的市场需求总量达到200亿元，我国将达到36亿元。电力领域作为最成熟、最有效的电力在线检测手段，红外热像仪可以大大提高供电设备运行的可靠性，大大降低了设备的检修时间。虽然电力行业是目前我国民用红外热像仪应用最多的行业，但仅限于广东、浙江、江苏、山东等沿海经济发达地区，而且目前这些发达地区的拥有量也仅为需求量的20%。据统计，我国电力行业红外热像仪的总需求量约为2.5万台，以平均每台售价6万元（目前售价约为10万元）计算，市场需求总额约为15亿元。企业制程控制领域目前，我国制造业共有约130多万家企业，这些制造业如果利用红外热像仪做制程控制，则能大大提高企业的产品品质，如制造业中10%的大型企业配备红外热像仪，按每家企业配备一台红外热像仪来计算，则市场需求总量将达到13万台，以每台售价10万元计算，则市场需求额可达130亿元。医疗领域红外技术的医学应用主要包括人体温度检测、疾病临床诊断、疾病治疗与保健三个领域。红外测温检测在非典、流感期间发挥了重要作用；医用红外热成像技术是对结构成像技术（B超、CT、核磁共振）是一个很好的补充，许多以往结构成像技术不能表现或晚于机能表现的异常信息，却能通过红外热成像技术表达。据文献报道，在发现肿瘤方面，它比CT、核磁早612个月。它又是疼痛及软组织损伤的唯一可查仪器。目前，医用红外热成像技术正在生物信息、无创检测、亚健康评估、肿瘤预测、中医诊断客观化、人体异常信息的无创监测（包括SARS疫情监测）等重大前沿领域得到广泛的应用。各种红外理疗仪已经逐步进入了人们的家庭。我国医用红外热像仪的研制起步较晚，1991年才开始研制医用红外，由于技术和市场的原因，销售量一直较小，目前在使用的医用红外热像仪产品大约有200台，北京协和医院、军区总医院、309医院、304医院、721医院、电力总医院、北京医院等均有此类设备，据报道，目前全国各大医院均已建立了红外医疗中心，80%的中小型医院成立了红外医疗科室，国内医疗界对红外医疗设备的需求大大增加。建筑领域2006年11月1日，中国工程建设标准化协会批准实施红外热像法检测建筑外墙饰面层脱粘结缺陷技术规程，对红外热像仪在建筑行业的应用进行了规范。目前，我国建筑企业约为10万家，如果每家配备1台红外热像仪，则市场需求总量可达10万台，以平均每台售价5万元计算，市场需求额可达50亿元。遥感领域红外遥感仪器获取地物目标的红外波段辐射数据，经过信号或信息处理可以获得地球环境的信息。在地球资源探查、气象预报、防灾减灾、抗灾搜救等方面具有重要的应用价值和广阔的应用空间。2.4 国内外红外产业2.4.1 国内红外产业红外技术已广泛应用于陆、海、空各军兵种，其中红外成像精确制导是各国红外技术应用的主流方向之一。红外成像制导技术是由美国人从60年代初开始研创。有资料统计，在过去的20年里，世界范围内多次的局部战争和有限军事冲突中，被导弹击中的飞机中有90%是被红外制导导弹击落的,有85%的地面和海上目标是被有红外制导能力的武器系统所击中。红外制导技术的扩展应用领域相当宽广，大量装备的还有阵地型、机载型、舰载型和星载型制导火控系统和预告警系统。这些地面系统由于基本不受体积、重量、造型和时效性的严格限制，又有人工参与进行维护和参数的现场设置。2.4.2国外红外产业在欧、美发达国家，非消耗性红外成像制导（指挥、预警和火控）系统的列第二章 红外线技术 11装率较高，几乎军用（警用）舰船上、飞机上、战车上和重要的地面阵地都装备了大量的红外成像设备，并发挥了相当重要的作用。单兵武器更是一个广大的市场，目前全球军队数量约为2000万人，如果10%的军队按每个士兵配备具红外热像仪，每具红外热像仪按2000美元（目前售价约为1万美元）计算，全球单兵军用红外热像仪市场需求总量即可达40亿美元。根据国际光学学会（SPIE）估计，目前全球军用红外热像仪的实际年需求至少为30亿美元。根据美国MaxtechInternational发布的红外市场报告，2006年全球民用红外热像仪的销售额为16.3亿美元，几年来，全球民用红外热像仪市场需求年均增长率已超过了15%，预计2010年全球民用红外热像仪市场供给将达到28亿美元。全球民用红外热像仪市场的供给和需求趋势由于红外技术具有很高的军用和民用价值，近年来国外主要厂家纷纷在核心器件及系统产品的产业化进程中加大投入和研发的力度。FLIR公司、L-3公司、FLUKE公司、SOFRADIR/ULIS公司、NEC公司是民用热像仪领域较强的竞争者。FLIR公司是民用领域竞争实力最强的红外热像仪公司，2006年，FILR公司取得了宝马汽车公司为其新款7系列轿车配备的红外热像仪订单，并获得了美国政府35万台的出口许可申请，该公司的vo2非制冷红外成像器在国内市场占有很大份额。第三章 热释电红外报警器3.1 热释电红外传感器热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶,其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成,其极化随温度的变化而变化为了抑制因自身温度变化而产生的干扰该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式,因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化并将其转换为电信号输出热释电红外传感器在结构上引入场效应管的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该电阻阻抗高达104M,故引入的N沟道结型场效应管应接成共漏形式即源极跟随器来完成阻抗变换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三部分组成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. 图3.1 传感器内部结构 图3.1是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图使用时D端接电源正极,G端接电源负极,S端为信号输出该传感器将两个极性相反特性一致的探测第三章热释电红外报警器 13单元串接在一起,目的是消除因环境和自身变化引起的干扰它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,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两个探测元上,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0.220m为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度,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3.2 被动式红外报警器的结构原理3.2.1 结构被动式红外报警器主要由光学系统热释电红外传感器信号滤波和放大信号处理和报警电路等几部分组成菲涅尔透镜可以将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外探测元上,同时也产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区,以适应热释电探测元要求信号不断变化的特性;热释电红外传感器是报警器设计中的核心器件,它可以把人体的红外信号转换为电信号以供信号处理部分使用;信号处理主要是把传感器输出的微弱电信号进行放大滤波延迟比较,为报警功能的实现打下基础3.2.2 工作原理在该探测技术中,所谓“被动”是指探测器本身不发出任何形式的能量,只是靠接收自然界能量或能量变化来完成探测目的被动红外报警器的特点是能够响应入侵者在所防范区域内移动时所引起的红外辐射变化,并能使监控报警器产生报警信号,从而完成报警功能当人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜被聚焦在热释电红外传感器的探测元上时,电路中的传感器将输出电压信号,然后使该信号先通过一个由C1C2R1R2组成的带通滤波器,该滤波器的上限截止频率为16Hz,下限截止频率为0.16Hz由于热释电红外传感器输出的探测信号电压十分微弱(通常仅有1mV左右),而且是一个变化的信号,同时菲涅尔透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式(脉冲电压的频率由被测物体的移动速度决定,通常为0.110Hz左右),所以应对热释红外传感器输出的电压信号进行放大3.3 菲涅尔透镜菲涅尔透镜(FRESNELLNES)是一种精密的光学系统，它是根据对接收灵敏度和接收角度的要求设计制造的。通常由聚乙烯材料注塑成薄纹片，再刻上精细的镜面和纹理。其技术精度要求甚高，优质透镜必须纹理清晰、表面光洁、厚度在065mm左右，红外光的透过率应大于65。透镜应严格按要求安装在外壳上，并需仔细调整透镜与传感器窗口之间的距离(焦距)，才能获得最佳效果。革涅尔透镜的种类很多，其几何形状、探测角、焦距及用途也f=尽相同。3.3.1 菲涅尔透镜分类常用的菲涅尔透镜可大致归纳为以下几类。i长方形透镜。是常用普通型透镜，如Q一6型尺寸为68X38mm，焦距为29mm，水平角120。，垂直角80。，探测距离大干10m；Q一1A型尺寸为588X45mm，水平角850。垂直角45。，探测距离大于10m。2半球状透镜。适合吊顶安装，若设计成小型探测器，可作吊顶式自动灯、自动门等。如：08型半球形透镜，直径为24mm，水平探测角1000，垂直探测角60。，探测距离35m；另外，还有RS一8型半球状透镜等。3水平薄片形。这类透镜设计独特如：SC一62型透镜，探测区域是两个水平1000、垂直191o的窄平面，对应两个高精度传感器，特别适合对某一水平高度进行监测；SC一82型透镜，水平角1400，垂直角12。，用它组成的探测器可避免地面小动物活动产生的干扰。由于这类透镜水平角特别大。垂直角特别小，故适合于特殊场合的探测。4光束式透镜。如：BS-05型透镜的水平角仅50，可形成一束细长的探测区，其探测距离远，有效距离可达30m以上，适用于走廊、长通道等长距离、小角度的应用场合。5抗灯光干扰型。通用型透镜普遍采用聚乙烯材料制作，由于其透明度较高，易受强光源干扰产生误动作。为了提高透镜的抗干扰能力，在制作材料中加入某些添加剂，制成乳白色或黑色透镜，其中以黑色最为理想。经实际测试，如果配以双脉冲标准线路，其抗灯光干扰指标可达到10000Lx(勒克斯)，远远超过国家标准。黑色透镜如BS一94V3，乳白色透镜有0X一1、0X一1A等。试验证明，不加菲涅尔透镜的传感器探测距离为2m左右。加透镜后有效探测距离可达1015m甚至以上。这是因为移动的人体(或动物体)发射的红外线进入透镜后，会产生一个交替出现的“盲区”和“高敏区”，从而形成了光脉冲。而透镜是由许多“盲区”第三章热释电红外报警器 15和“高敏区”组成的，于是便形成一系列光脉冲进入传感器，大大提高了检测灵敏度。3.3.2 菲涅尔透镜的功能及应用菲涅尔透镜的传感器具有双重因素触发功能，即首先必须是动物体，还必须在其移动时才能触发检测，因此其误触发率非常小。由于这一特点，配有菲涅尔透镜的热型红外传感器被广泛应用于防盗报警、火灾检测、自动门、自动水龙头、自动灯、自动电梯及非接触温度测量等领域。菲涅尔透镜是一种精密的光学系统，专门是用来与热释电红外传感器配套使用，其结构如图3.3所示。 图 3.3 菲涅尔透镜结构它由经过特殊设计的透镜组构成，上面的每个透镜单元都只有一个不大的视场，相邻两个单元透镜的视场即不连续也不重叠，都相隔一个盲区。当热源(比如人)在透镜前运动时，顺次从某一单元透镜视场进入又退出，投射信号会出现一个接一个的断续信号，但是热源信号始终都是集中在透镜中部的。将连续的热源信号变成断续的辐射信号，使热释电传感器能正常工作。3.4 红外线探测器在红外线探测器中，热电元件检测人体的存在或移动，并把热电元件的输出信号转换成电压信号。然后，对电压信号进行波形分析。于是，只有当通过波形分析检测到由人体产生的波形时，才输出检测信号。例如，在两个不同的频率范围内放大电压信号，且将被放大的信号用于鉴别由人体引起的信号。于是，误将诸如热电元件的爆米花噪声一类噪声当作为由人体所产生而在准备加以检测乃得以防止。该红外线探测器包括红外线发射器、接收器、以及信号处理器，信号处理器的信号输出端经红外线发射电路与红外线发射器连接；信号输入端经红外线接收电路与红外线接收器连接，其反馈信号输出端与外围控制电路连接。本技术采用微型单片机作为信号处理器产生编码信号，驱动红外线发射器发出带有编码信号的红外线信号，并实时检测经过放大电路处理后的反射信号，其编码信号能够保证多个相同型号的传感器同时同地工作而不相互干扰。而且工作频率一致、可靠性高、功耗小。3.4.1 主要特征一种红外线探测器，其特征在于，包括：热电元件；电流-电压变换器，它把来自所述热电元件的电流变换成电压信号；第一放大器，它以具有发送频带中心在第一频率处的第一带通滤波器特征来放大从所述电流-电压变换器接收到的所述电压信号；红外线探测器第二放大器，它以具有发送频带中心在高于第一频率的第二频率处的第二带通滤波器特征来放大从所述电流-电压变换器接收到的所述电压信号；以及爆米花噪声探测器，它把所述第二放大器的输出信号与阈值相比较以输出爆米花检测信号；输出电路，它把所述第一放大器的输出信号与预定阈值相比较以输出检测信号，以及控制器，当从所述爆米花噪声探测器接收到所述的爆米花检测信号时，该控制器控制所述电流-电压变换器、所述第一放大器、所述输出电路、所述第二放大器和所述爆米花噪声探测器中的至少一个，以防止所述输出电路输出所述检测信号。3.4.2 工作原理红外探测器是靠探测人体发射的红外线来进行工作的。探测器收集外界的红外辐射进而聚集到红外传感器上。红外传感器通常采用热释电元件，这种元件在接收了红外辐射温度发出变化时就会向外释放电荷，检测处理后产生报警。红外线探测器这种探测器是以探测人体辐射为目标的。所以辐射敏感元件对波长为10m左右的红外辐射必须非常敏感。为了对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。红外探测器，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。而且制成的两个电极化方