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p1 安全管理資訊系統電子感測器介紹IntroductionofElectronicSenor 授課老師 卓世明 p2 目標 介紹保全系統中常見的電子偵測器設備參考書 谷腰欣司 感測器 譯者 趙中興 全華書局 2006 DeltonT Horn 電子保全系統 譯者 張益蜂 全華書局 1995 MichaelKhairallah PhysicalSecuritySystemsHandbook TheDesignandImplementationofElectronicSecuritySystems Butterworth Heinemann ElsevierInc 2005ThomasNorman IntegratedSecuritySystemsDesign ConceptsSpecificationsandImplementation Butterworth Heinemann ElsevierInc Jan 2007 p3 感測器 Sensor 定義 能將待測物理量或化學量轉換成另一對應可記錄的輸出裝置有時稱為感應器 偵測器 察覺器 檢測器 傳感器或轉換器等功能主要用來代替人類感官檢測外界訊息 包括視覺 聽覺 觸覺 嗅覺 味覺 有些感測器還可偵測人類無法檢測到的外界訊息 如電磁感測感測器通常會伴隨一控制電路 來比較感測器的變化 用以輸出某一警報信號 p4 從人的五感開始談起 1 人體五感 感覺器官 來感受週遭的環境視覺 眼睛觀察事物是因來感測可見光線聽覺 用雙耳聽到外來時聲音觸覺 用皮膚來感觸外來事物實體嗅覺與味覺 可以用鼻子與舌頭感覺氣味與味道感受週遭的環境順序第一是視覺 其次是為聽覺 觸覺 嗅覺 最後為味覺 當五感第一個視覺被斷絕時 人體將流失近大半所能獲得的情報 不僅無法清楚地掌握文字與畫面 連自由地行走都將會有困難 p5 從人的五感開始談起 2 p6 感測器 Sensor 感測器種類包括以物理原理 以金屬元件為主光 紅外線 磁力振動 超音波 距離 壓力化學原理 以電位化學量來感測氣體 瓦斯 一氧化碳等 離子溫 溼 度生物原理 以生物材料為感測元件醫療 空氣品質之監測等做為檢出的對象感測器 p7 感測器應用 感應照明燈 感測器常伴隨某些裝置組合成一反應系統感應照明設備含紅外線感測器控制電路照明裝置控制電路為一比較器電路根據比較器輸出產生燈光開 關的動作 紅外線感測器 控制電路 輸出裝置 150W燈光 p8 感測器應用 警報系統 警報系統 AlarmSystem 含感測器控制電路警報輸出裝置 感測器磁簧開關 控制電路 警報輸出裝置 p9 常用保安感測器 警戒 保全用途磁簧開關 磁力 水銀開關 傾斜 微動開關振動開關 玻璃破碎感測器紅外線溫感器光遮斷感測器超音波感測器 遮斷感測器 安全用途溫 濕度感測器瓦斯感測器 一氧化碳 酒精感測器電磁 電流感測器位準感測器 流速感測器 p10 門禁辨識 DoorIdentification 門禁辨識可分成機械辨識 包含條碼辨識 BarCodeID 無線射頻辨識 RFID 光學辨識 OCR 手寫辨識 晶片辨識 與其他機械辨識等生物辨識 包含指紋辨識 膧孔辨識 臉型辨識 靜脈辨識等生物辨識一般感測器可視為一開關 在電路上容易視為通路 Close 或斷路 Open 進行處理 但門禁辨識使用的感應設備輸出則較為複雜 需要複雜的電路進行資料分析 p11 常用保安感測器 警戒 保全用途磁簧開關 磁力 水銀開關 傾斜 微動開關振動開關 玻璃破碎感測器紅外線溫感器光遮斷感測器超音波感測器 遮斷感測器 安全用途溫 濕度感測器瓦斯感測器 一氧化碳 酒精感測器電磁 電流感測器位準感測器 流速感測器 p12 磁簧開關 ReedSwitch 1 或稱門閥開關 DoorSwitch 警報系統中最常用的開關裝置 此種便宜裝置可做為門窗有效監視裝置 嵌壁式 表面式 p13 磁簧開關是含一由磁簧管為主體將機械的動作轉換為通路 close 或斷路 open 之裝置磁簧管是由二片平行放置低磁滯鐵性簧片 尾部有一小部份重疊形成一間隙 這兩片簧片是被完全密封在一支充入惰性氣體之玻璃管上若兩簧片平時為斷路 NormalOpen NO 當有磁場近接 兩片簧片就會因磁場產生密合動作 形成通路若兩簧片平時為通路 NormalClose NC 當有磁場近接 兩片簧片就會因磁場產生分開動作 形成斷路使用磁石移動作靠近磁簧管就會引動 磁場之靠近或遠離便成此感測器做開關動作 外掛式 磁簧開關 ReedSwitch 2 磁鐵 磁簧管 p14 水銀開關 傾斜開關 水銀開關 又稱傾側開關 以一接著兩根電極的小巧容器儲存著一小滴水銀 一般是玻璃管 容器中多數注入惰性氣體或真空 因為重力的關係 水銀球很容易隨容器中較低的地方流去 水銀本身為導電體如果平時水銀珠是接觸兩個電極 通路 NormalClose NC 開關傾斜將導致斷路 如果平時水銀珠是不接觸兩個電極 斷路 NormalOpen NO 開關水平將導致通路常用於傾斜警報如一般不常移動家電 或震動警報如汽車防盜 玻璃管 水銀球 p15 微動開關 MicroSwitch 微動開關是一個標準型按鈕開關 用來偵測微小動作 透過一根長而輕的連桿 來壓放按鈕 即使很小的力量也可讓按鈕開 關 因此 又稱精密彈簧動作開關或靈敏開關如果平時按鈕是一通路 NormalClose NC 壓下按鈕產生斷路 如果平時按鈕是一通路 NormalOpen NO 壓下按鈕產生通路常用於門窗開起感應 電腦滑鼠也是使用微動開關 玻璃管 水銀球 p16 振動開關 VibrationSwitch 感應方式又分為光電式感應及機械式感應兩大類 是一種感應靈敏之觸發性感應開關機械式原理類似水銀開關 一般使用滾珠製成 又稱為滾球開關 可分為震動型滾珠開關 傾斜型滾珠開關及離心滾珠開關三種常用於需震動感應之裝置 如震動感應器 汽車防盜警報 p17 玻璃破碎感測器 GlassAlarmSensor 玻璃破碎感測器一般使用導電簧片式震動 利用慣性質量振動引起的電接點通斷來報警的 通常將傳感器粘附在玻璃內側或邊框上 粘附在玻璃上時探測半徑約2米左右 環境溫度 25 50 感測器可以感應玻璃破碎時產生的2KHz左右的振動頻率 對一般的衝擊和震動不予感應 p18 關於紅外線幅射 光的種類 紅外線 可見光 紫外線 X射線蒲郎克定律 物體只要高於絕對零度 攝氏零下273 都會發出幅射黑體幅射理論 自然界中所有物體只要溫度高於絕對零度 其內部原子會因熱擾動而發出電磁幅射 此稱為熱幅射每一個物體都會放射出紅外線的熱幅射 此幅射量乃是由物體的溫度所控制決定 溫度高的物體所幅射出的紅外線能量就會較溫度低的物體所幅射出的為高物體自常溫到1000 間產生的主要幅射波長均落在紅外線波段 不可見光 因此無論是黑夜 白晝 我們周圍到處充滿了肉眼看不到的紅外線影像 p19 焦電型紅外線感測器 1 紅外線感測器可分為熱型感測器及量子型感測器 熱型的原理是利用吸收紅外線來感測溫度的變化 量子型則是利用半導體的光電效應來感測溫度熱型紅外線感測器主要由是利用人體接近溫度變化產生電荷現象 故又名 焦電型 Pyro electric 人體紅外線感測器熱電型紅外線使用熱電偶 鋯鈦酸鉛PZT或鉭酸鋰LiTaO3 來製作 基本原理是熱釋電效應 即元件受熱時 會在受熱面與不熱面兩端產生正負相反的電荷集中 此時在元件兩端並聯的一個電阻會有電流通過 如此等同一電壓訊號 比較電壓高於某個值時 便可知有無人體接近常用來作防盜報警 來客電動門 非接觸開關和火災警報器等 p20 焦電型紅外線感測器 2 量子型紅外線感測器原理乃入射光子將半導體中的電子自基態 價電帶 激發至導電帶 產生電壓差 photovoltaic原理 或電阻變化 photoconductive原理 量子型的感度比熱型的來的好 但價格也比較貴紅外線感測器的應用用途 p21 光遮斷感測器 Photo interrupter 是一種以光和電子訊號相互轉變之裝置 由一發光與一受光元件組合而成 藉由受光元件感測光線來探知物體之存在為目的之一種電子機械裝置 發光元件一般發出紅外光線 受光元件為一光電晶體 量子型感測器 將接收光線轉換成電壓對射式裝置 如發光與受光元件分別為不同裝置時 放於不同地點時 受光於發光方向可容易感應發光存在 此時可視為通路 NormalClose 當發光與受光之間某一物體進入 光線遮斷 便可視同一斷路常用來作防盜報警 來客電動門和非接觸開關等 發射電路 接收電路 p22 超音波感測器 Ultrasonic 反射式裝置 在光遮斷感測器裡 使用到發光與受光元件組合 如發光與受光元件為同位置裝備 受光平時無法感應發光存在 可視為斷路 NormalOpen 當受光收到某一物體之光線反射時 便可視同為一通路 超音波感測器使用此一原理所謂的超音波 是指頻率超越人類可聽範圍的音波 約16KHz以上 超音波反射效果一般優於紅外線超音波接收器乃單一頻 的壓電感測器 指的是受到音波壓 振動 而產生電壓變化的感測器 常用來作物體距離量測 防盜報警和非接觸開關等 發射電路 接收電路 p23 對射式與反射式感測器比較 對射式裝置 遮斷型開關 發射源與接收端不同地點可使用紅外線 可見光或超音波紅外線表現效果好 方向性 反射式裝置 反射型開關 發射源與接收端同一地點可使用紅外線或超音波 超音波表現效果好接收端感應方式紅外線 可見光 光能轉電位感應超音波 聲波振動感應 p24 常用保安感測器 警戒 保全用途磁簧開關 磁力 水銀開關 傾斜 微動開關振動開關 玻璃破碎感測器紅外線溫感器光遮斷感測器超音波感測器 遮斷感測器 安全用途溫 濕度感測器瓦斯感測器 一氧化碳 酒精感測器電磁 電流感測器位準感測器 流速感測器 p25 溫度感測器 1 常用溫度感測元件包括熱敏電阻 ThermallySensitiveResistance 熱電偶 焦電型元件 感溫IC電阻式溫度感測器 ResistanceTemperatureDetector 感測器原理是將感測元件偵測到的溫度變化轉為電阻變化 再以電壓方式輸出 因此 控制電路可以設計一電流比較器來取得溫度值熱敏電阻 為對溫度十分敏感之電阻體 亦稱作熱阻體 Thermistor 此種元件在溫度改變時內部電阻值會產生變化 p26 溫度感測器 2 熱電偶 Thermocouple 使用二種不同性質金屬端點接觸連成一閉迴路 不同種類金屬擁有自由電子數不同 當溫度改變會造成接觸面之自由電子運動而使金屬間產生電位差 當兩端溫度相同時 端點所產生之熱電動勢相同 故迴路中不會有電流 若兩端間存在溫度差 導致熱電動勢大小不同而產生一電流由高電動勢往低電動勢流動感溫IC 半導體材料之導電性易受到溫度影響 故以半導體材料構成之積體電路 Integratedcircuit IC 之導電性亦受到溫度影響 於是便有感溫IC出現 感溫IC使用上十分方便 且能獲得極佳的線性電流輸出 非常適合於低溫範圍內測量電阻式溫度感測器 RTD 為一具有溫度特性之電阻體 可用以製造RTD之金屬很多 其中以白金 銅 鎳等材質最普遍 RTD元件之感測方式主要有浸入探針 immersionprobe 型及表面溫度感測 surfaceprobe 型兩種型態 p27 溫度感測器 3 溫度感測元件比較 p28 濕度感測器 一般濕度感測器用以檢出濕度或結露等的方法有測定感濕材料因水氣的吸收 脫離 或結露而產生的電氣阻抗或電容量的變化測定因濕度變化而產生氣體熱傳導度的差異測定因濕度變化或結露而產生的水晶振動子的共振頻率變化測定因濕度變化 射線穿越水滴而造成的衰減及光的吸收 反射感測器大致可分為七大類電解質濕度感測器高分子濕度感測器陶瓷濕度感測器晶體振盪濕度感測器常用於農業上有關控制 監測 預警等各方面之應用 半導體濕度感測器厚膜濕度感測器結露濕度感測器 p29 瓦斯感測器 瓦斯煙霧感測器的使用可分為瓦斯洩漏的檢出及濃度的測定 瓦斯取樣分析一般瓦斯感測器可分為接觸燃燒式 半導體式 熱傳導式或熱阻體式三種感測器接觸燃燒式 將白金線周圍以氧化鋁等物燒結 再於其表面披覆白金或鈀等氧化觸媒 將此加熱至300 左右時 可燃性氣體就在表面上接觸燃燒 而使白金線之溫度升高 並使電阻增加 利用此性質作瓦斯之偵知原理半導體瓦斯感測器為利用半導體表面吸著瓦斯時導電率 電阻 會變化而做成 材質有SnO2 二氧化錫 ZnO 氧化鋅 Fe2O3 三氧化二鐵 等 p30 一氧化碳 CO 感測器 一氧化碳偵測器分為半導體感測元件與電化學感測元件兩大類同瓦斯感測器 半導體型式氣體偵測器使用的氧化物半導體 將此加熱時 會因為CO氣體在氧化物半導體的表面做吸附 adsorption 作用或是去吸附 desorption 作用 致使半導體的自由電子的量增加與否 進而造成材料整體電阻改變 利用此種效應所製成之氣體偵測器 以二氧化錫 SnO2 的氧化物是被應用最為廣泛的材料 p31 感測器特性 評估感測器可由以下數據來表現誤差 Error 精確度 Accuracy 重複性 Repeatability 靈敏度 Sensitivity 解析度 Resolution 範圍 Range 及展幅 Span 直線性 Linearity 滯後現象 Hysteresis p32 電子式感測器之基本偵測方法 電容式 利用電容量的改變來偵測激源變化電阻式 利用電阻值之改變電感式 利用線圈電流改變產生感應電壓磁阻式 永久磁鐵或電磁線圈之磁通量的改變被磁阻干擾而改變通過之路徑 Open Close 光傳導式 利用相對運動來感應電壓量測電壓變化磁抗式 固態材料受光照射其內部電阻值會與照度成正比光伏特式 兩種不同材料做成接合面 受光照產生電壓電位計式 透過可變電阻分壓值取得激源變化壓電式 石英晶體被擠壓 形狀改變產生電壓應變計式 形狀的導體受力量改變幾何形狀 電阻值改變熱電式 利用熱產生電阻值改變 p33 智慧型 感測器 智慧型 感測器 IntelligentSensor 感測器必須經過某一控制電路處理變成為有智慧的 它具備接近人類的判斷能力與人類的基本特性 有時可稱此感測器為 SmartSensor 智慧型感測器 IntelligentSensor 具備以下的條件 具有判斷的功能可作不同資料的補正可作統計性的資料處理可作攫取資料的分析可作多數的感測器之間資料的交換可適應環境的變化可作演算的變換與擁有是當記憶空間等 p34 感測器之控制電路 1 感測器的偵測方法 不管是開關型 或是電阻值 電壓等變化 取得的資訊需要經過控制電路處理信號處理 感測器輸出為類比 Analog 信號 必須轉換為數位 Digital 信號 才能分析 一般稱為ADC Analogtodigitalconverter 轉換數位 Digital 信號 以電池為例 一般為0 5伏特 對應所謂的0跟1將感測器的資訊轉為0跟1 有時是一連串的0跟1 後 輸入到控制電路 控制電路常使用微處理器 Micro processor P 來分析 處理該信號 p35 感測器之控制電路 2 一般的微處理器 常以所謂8051單晶片為代號處理器 它有許多通用輸入 輸出埠 GeneralpurposeInput Output GPIO 可以連接許多的輸入 輸出點或其他用途 如鍵盤的按鍵處理 將ADC產生之感測器的數位資訊 0 1 連接到微處理器之GPIO後 透過微處理器內部的程式 Program 可持續性的監視並產生必要的輸出以一喇叭警報器為例 當磁簧開關感測某一門 窗不當被開啟 微處理器使用另一GPIO輸出使喇叭響起警報的的動作 此類輸出必須經過所謂的DAC Digitaltoanalogconverter 的處理 才能使喇叭動作 p36 感測器之控制電路 3 警報感測 AlarmSensor 系統之功能區塊以門禁喇叭警報系統為例 控制電路可以使用按鍵方式或一段時間方式來解除警報 ADC P DAC 感測器 控制電路 警報輸出 p37 門禁系統 門禁系統屬公共安全管理系統範疇 在建築物內的主要管理區 包括出入口 電梯 設備控制機房 貴重物品庫房等通道口 安裝門磁開關 電控鎖或讀卡機等控制裝置 由中心控制室監控 中控室能夠對各通道口的位置 通行對象及通行時間等進行控制或設定門禁系統作用在於管理人群進出管制區域 限制未授權人士進出特定區域 並使已授權者在進出上更為簡捷門禁辨識可分成機械辨識與生物辨識 生物辨識將於下一單元介