傳感器原理大全

開(kāi)關(guān)傳感器

開(kāi)關(guān)傳感器是一種簡(jiǎn)單、可靠的傳感器，也是一種最廉價(jià)的傳感器，廣泛應(yīng)用于安防技術(shù)中。它可以將壓力、磁場(chǎng)或位移等在入侵行為發(fā)生時(shí)所產(chǎn)生的物理量轉(zhuǎn)化為傳感器內(nèi)部電路的“開(kāi)”和“關(guān)”兩種電信號(hào)。

(1) 微動(dòng)開(kāi)關(guān)、簧片型接觸開(kāi)關(guān)

開(kāi)關(guān)在壓力的作用下接通，從而發(fā)出報(bào)警信號(hào);在無(wú)壓力作用時(shí)是斷開(kāi)的;或者反過(guò)來(lái)工作。此類(lèi)開(kāi)關(guān)通常用在某些點(diǎn)探測(cè)器中，用以監(jiān)視門(mén)、窗、柜臺(tái)等特殊部位。

(2) 舌簧繼電器

舌簧繼電器又稱(chēng)干簧繼電器，是一種將磁場(chǎng)力轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖2-2。

圖2-2 干簧繼電器的構(gòu)造

干簧管的干簧觸點(diǎn)常做成常開(kāi)、常閉或轉(zhuǎn)換三種不同形式。開(kāi)關(guān)簧片通常燒結(jié)在與簧片熱膨脹系數(shù)相近的玻璃管上，管內(nèi)充有氮?dú)饣蚨栊詺怏w以避免觸點(diǎn)被氧化和腐蝕，還可以有效防止空氣中塵埃與水氣污染。

干簧管中的簧片是用鐵鎳合金制成，具有很好的導(dǎo)磁性能，與線圈或磁塊配合，構(gòu)成了干簧繼電器狀態(tài)的變換控制器，簧片上的觸點(diǎn)鍍金、銀、銠等貴金屬，以保證通斷能力。常開(kāi)舌簧繼電器的兩個(gè)簧片在外磁場(chǎng)作用下其自由端產(chǎn)生的磁極極性正好相反，二觸點(diǎn)相互吸合，外磁場(chǎng)不作用時(shí)觸點(diǎn)是斷開(kāi)的，故稱(chēng)常開(kāi)式舌簧繼電器。 常閉舌簧管的結(jié)構(gòu)正好與常開(kāi)式相反，是無(wú)磁場(chǎng)作用時(shí)吸合，有磁場(chǎng)作用時(shí)斷開(kāi)。轉(zhuǎn)換式舌簧繼電器有常開(kāi)、常閉兩對(duì)觸點(diǎn)，在外磁場(chǎng)作用下?tīng)顟B(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換。

使用時(shí)通常把磁鐵安裝在被防范物體(如門(mén)、窗等)的活動(dòng)部位(門(mén)扇、窗扇)，干簧管安裝在固定部位(門(mén)框、窗框)，如圖2-3所示。

圖2-3 安裝在門(mén)窗上的磁控開(kāi)關(guān)

磁鐵與舌簧管的位置要調(diào)整適當(dāng)，以保征門(mén)窗關(guān)閉時(shí)磁鐵與干簧管接近而干簧管觸點(diǎn)動(dòng)作，當(dāng)門(mén)窗打開(kāi)時(shí)干簧管觸點(diǎn)復(fù)位而產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

(3) 易斷金屬導(dǎo)線

易斷金屬線是一種用導(dǎo)電性能好的金屬材料制成的機(jī)械強(qiáng)度不高、容易斷裂的導(dǎo)線，用它作為傳感器時(shí)，可將其捆繞在門(mén)、窗把手或被保護(hù)的物體上，當(dāng)門(mén)、窗被強(qiáng)行打開(kāi)或物體被意外移動(dòng)時(shí)金屬線斷裂，使與其連通的電路斷路而發(fā)出報(bào)警信號(hào)。易斷金屬導(dǎo)線可以是0.1mm～0.5mm的漆包線，也可以采用一種導(dǎo)電膠粘帶。易斷金屬導(dǎo)線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是不便于偽裝且沒(méi)有自恢復(fù)功能。

(4) 壓力墊

壓力墊也可以作為開(kāi)關(guān)報(bào)警探測(cè)器的一種傳感器。壓力墊通常放在防范區(qū)域的地毯下面，如圖2-4所示。將兩長(zhǎng)條形金屬帶平行相對(duì)地分別放在地毯背面和地板之間，兩條金屬帶之間有幾個(gè)位置使用絕緣材料支撐，使兩條金屬帶互不接觸，此時(shí)相當(dāng)與傳感器開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，當(dāng)入侵者進(jìn)入防范區(qū)域時(shí)，踩踏地毯而使相應(yīng)部位受力凹陷，兩條金屬帶接觸，此時(shí)相當(dāng)于傳感器開(kāi)關(guān)閉合而發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

圖2-4 壓力墊使用示意圖

2.壓力傳感器

壓力傳感器把傳感器上受到的壓力變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電量變化，經(jīng)過(guò)放大成為電信號(hào)。某些晶體材料，當(dāng)某方向受到外力作用時(shí)，其內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在某方向兩個(gè)表面上產(chǎn)生正負(fù)電荷，當(dāng)作用力改變時(shí)，電荷的大小和極性隨之改變，晶體所產(chǎn)生的電荷量大小和極性隨之改變，晶體所產(chǎn)生的電荷量大小與外力的大小成正比，這種現(xiàn)象稱(chēng)正壓電效應(yīng)。反之某些晶體加一交變電場(chǎng)，晶體將產(chǎn)生機(jī)械變形，這種現(xiàn)象稱(chēng)逆壓電效應(yīng)。圖2-5為壓電效應(yīng)原理示意圖。

圖2-5 壓電效應(yīng)原理示意圖

具有壓電效應(yīng)的晶體材料我們稱(chēng)之為壓電材料。壓力傳感器就是利用壓電材料的正壓電效應(yīng)制成。

現(xiàn)在常用的壓電材料是人工合成的。天然的壓電單晶也有，但效率低，利用難度較大，用的較少，只有在高溫或低溫等特殊狀態(tài)下，才利用單晶石英晶體。

壓電陶瓷是人工燒結(jié)的一種常用多晶壓電材料，壓電陶瓷燒結(jié)方便，容易成形，強(qiáng)度高，而且壓/電轉(zhuǎn)換的系數(shù)大，為天然單晶石英晶體的幾十倍，而制造成本只有石英單晶的百分之一，因此壓電陶瓷廣泛被用做高效壓力傳感器材料。

常用的壓電陶瓷材料有鈦酸鋇、鈮鎂酸鉛，鉛鈦酸鉛等。

壓電陶瓷材料燒結(jié)后，最初并不具有壓力特性。這種陶瓷材料內(nèi)部有許多無(wú)序排列的“電疇”，這些“電疇”在一定外界溫度下，接受一強(qiáng)化電場(chǎng)的作用，使其按外電場(chǎng)的方向整齊排列，這就是極化過(guò)程。極化后的陶瓷材料在撤去外電場(chǎng)后，其內(nèi)部電疇的排列不變，具有很強(qiáng)的極化排列，這時(shí)陶瓷材料才具有壓電性。

壓電陶瓷材料通常做成長(zhǎng)方體。當(dāng)某一方向上的對(duì)應(yīng)兩面受到外力作用時(shí)，在壓電陶瓷的這兩面上就會(huì)出現(xiàn)電荷堆積，電量的大小與受力的大小成正比。此時(shí)壓電陶瓷相當(dāng)于一個(gè)靜電發(fā)生器，或是一個(gè)以壓電材料為介質(zhì)的電容器，電容量的大小為

C=ε·ε0·A/δ

式中，

ε0 —— 真空介電常數(shù)(8.85TImes;10-12 F/m);

ε —— 壓電材料相對(duì)介電常數(shù);

A —— 受力極板面積;

δ —— 壓電材料厚度。

而電容兩端的開(kāi)路電壓U=Q/C，Q為極板上電荷量的大小，與所受外力成正比，一般電量Q很小，因此感應(yīng)出的U也很小。為了能檢測(cè)出U的變化，要求壓電陶瓷本身有相應(yīng)的阻抗，同時(shí)前端放大器也應(yīng)有極高的輸入阻抗，通常探測(cè)器的前端放大器用場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)?yè)?dān)當(dāng)。由于輸入阻抗過(guò)高，很容易竄入干擾信號(hào)，為此前端放大器應(yīng)直接接在傳感器的輸出端，信號(hào)經(jīng)放大后輸出一個(gè)高電平 、低阻抗的探測(cè)電信號(hào)。

有機(jī)壓電材料是新近研究開(kāi)發(fā)出來(lái)的新型壓電材料，如聚氯乙烯、聚二氟乙烯等，它具有柔軟、不易破碎的特點(diǎn)。

半導(dǎo)體壓力傳感器是利用硅結(jié)晶的壓電電阻效應(yīng)以及二極管、晶體管的電流、電壓特性制成的元件。當(dāng)硅半導(dǎo)體材料受到外力作用時(shí)，晶體處于扭曲狀態(tài)，由于載流子遷移率的變化而導(dǎo)致晶體阻抗變化的現(xiàn)象稱(chēng)之為壓電電阻效應(yīng)。用ΔR表示晶體阻抗的變化，它的變化率為：

ΔR/R = (Δρ/ρ)·τ·σ=G·σ

式中，

τ——壓電電阻系數(shù)

ρ——電阻率

σ——應(yīng)力

G ——比例因子

半導(dǎo)體壓力傳感器的比例因子G高達(dá)200，G越高，靈敏度越高。

圖2-6所示為半導(dǎo)體壓力傳感器結(jié)構(gòu)。當(dāng)硅膜片受壓時(shí)，擴(kuò)散電阻值發(fā)生變化，將R1、R2、R3、R4接成橋路，如圖2-7所示。

圖2-6 半導(dǎo)體壓力傳感器結(jié)構(gòu) 圖2-7 壓力傳感器輸入輸出橋

圖2-8為半導(dǎo)體壓力傳感器的壓電傳輸特性，可以看出輸出電壓隨壓力的變化而變化，且線性度較好。

圖2-8 壓電傳輸特性

用來(lái)檢測(cè)壓力的傳感器還有靜電容式壓力傳感器和硅振動(dòng)式壓力傳感器。靜電容式壓力傳感器是將壓力膜微小的位置變化轉(zhuǎn)換成靜電容變化的傳感器。硅振動(dòng)式壓力傳感器是用微加工方法將膜片加工成長(zhǎng)50?m、寬20?m～30?m、厚5?m的硅振子膜片，當(dāng)膜片受到壓力時(shí)，則把壓力轉(zhuǎn)換為張力，使膜片產(chǎn)生振動(dòng)。但為使振子不直接與測(cè)量膜片接觸，防止振子的污染和劣化，而將其全部封在真空室內(nèi)，故硅振動(dòng)式壓力傳感器的工作條件要求極高，在這里就不詳述了。

3.聲傳感器

入侵事件發(fā)生時(shí)，總會(huì)有說(shuō)話、走動(dòng)、擊碎玻璃、鋸鋼筋等聲音發(fā)生，能夠把這些聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成一定電量的傳感器都稱(chēng)為聲傳感器。

聲音為一種機(jī)械波，聲音的傳播是機(jī)械波在媒質(zhì)中傳播的過(guò)程。當(dāng)聲波頻率在20Hz～20kHz時(shí)人耳能接收到，稱(chēng)為可聞聲波。當(dāng)頻率低于20Hz時(shí)稱(chēng)為次聲波，高于20kHz時(shí)稱(chēng)為超聲波，次聲波和超聲波人耳均聽(tīng)不到。

(1) 駐極體傳感器

駐極體是一種永久性帶電的介電材料，它能把聲能或機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，或者將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能或聲能。

駐極體傳感器的核心是駐極體箔。它由一張絕緣薄膜組成，薄膜上帶電荷，通常由聚四氟乙烯等碳鹵聚合物制成，具有極高的絕緣電阻。通過(guò)外電場(chǎng)對(duì)絕緣薄膜兩側(cè)充電，則膜上的電荷能長(zhǎng)時(shí)間保存。若在常溫和相對(duì)干燥的環(huán)境下保存，聚四氟乙烯上的電荷能保存近百年;在常溫和相對(duì)濕度為95%的潮濕環(huán)境下，電荷的衰減時(shí)間也能達(dá)到近10年。

通常把一片駐極體膜緊貼在一塊金屬板上，另一片駐極體膜相對(duì)安放，中間為10?m的薄空氣層，構(gòu)成一個(gè)駐極體傳感器。二片相對(duì)而立的駐極體膜形成一個(gè)電容器，根據(jù)靜電感應(yīng)原理，與駐極體相對(duì)應(yīng)的金屬板上會(huì)感應(yīng)出大小相等、方向相反的電荷。駐極體上的電極在空隙中形成靜電場(chǎng)，在聲波作用下，駐極體箔會(huì)有一個(gè)位移d。在駐極體膜開(kāi)路的條件下，膜片兩端感應(yīng)的靜電場(chǎng)

U=E·d =σd1d/ε0 (d1 +εd2 )

式中，E —— 膜片間隙中電場(chǎng)強(qiáng)度

σ—— 駐極體表面電荷密度

d1—— 駐極體箔的厚度

d2—— 膜間空氣厚度

εO—— 自由空間介電常數(shù)

ε—— 駐極體材料的相對(duì)介電常數(shù)

駐極體箔的相對(duì)位移d與所加聲強(qiáng)成正比，因此傳感器輸出的電壓僅與聲強(qiáng)有關(guān)，而與頻率無(wú)關(guān)。駐極體傳感器能保證在聲頻范圍內(nèi)具有恒定的靈敏度，這是極大的優(yōu)點(diǎn)。

(2) 磁電傳感器

磁電式傳感器俗稱(chēng)“動(dòng)圈式傳感器”，它是由一個(gè)固定磁場(chǎng)和在這磁場(chǎng)中可作垂直軸向運(yùn)動(dòng)的線圈組成，線圈安裝在一個(gè)振動(dòng)膜上，振動(dòng)膜在聲強(qiáng)的作用下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)線圈在固定的磁場(chǎng)中作切割磁力線的運(yùn)動(dòng)，此時(shí)在線圈兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的大小為：

E=BLv，

式中，

B——磁感應(yīng)強(qiáng)度

L——線圈的長(zhǎng)度

v——線圈的運(yùn)動(dòng)速度

線圈的運(yùn)動(dòng)速度v與聲強(qiáng)的大小有關(guān)，故而線圈的輸出電壓也取決于聲強(qiáng)的大小。

4.光電傳感器

光電傳感器是指能夠?qū)⒖梢?jiàn)光轉(zhuǎn)換成某種電量的傳感器。光敏二極管是最常見(jiàn)的光傳感器。光敏二極管的外型與一般二極管一樣，只是它的管殼上開(kāi)有一個(gè)嵌著玻璃的窗口，以便于光線射入，為增加受光面積，PN結(jié)的面積做得較大，光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態(tài)下，并與負(fù)載電阻相串聯(lián)，當(dāng)無(wú)光照時(shí)，它與普通二極管一樣，反向電流很小(

光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的功能外，還有對(duì)電信號(hào)放大的功能。光敏三級(jí)管的外型與一般三極管相差不大，一般光敏三極管只引出兩個(gè)極——發(fā)射極和集電極，基極不引出，管殼同樣開(kāi)窗口，以便光線射入。為增大光照，基區(qū)面積做得很大，發(fā)射區(qū)較小，入射光主要被基區(qū)吸收。工作時(shí)集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。在無(wú)光照時(shí)管子流過(guò)的電流為暗電流Iceo=(1+β)Icbo(很小)，比一般三極管的穿透電流還小;當(dāng)有光照時(shí)，激發(fā)大量的電子-空穴對(duì)，使得基極產(chǎn)生的電流Ib增大，此刻流過(guò)管子的電流稱(chēng)為光電流，集電極電流Ic=(1+β)Ib，可見(jiàn)光電三極管要比光電二極管具有更高的靈敏度。

5.熱電傳感器

熱電傳感器是一種將熱量變化轉(zhuǎn)換為電量變化的一種能量轉(zhuǎn)換器件。熱釋電紅外線元件是一種典型的熱量傳感器。

可見(jiàn)光的波長(zhǎng)通常在1?m以上，而1?m以下的光人眼是看不到的。0.8?m以下的紅外光具有很高的放射能量(W/m2)，差不多等于800K(500℃)以上高溫物體釋放的能量，因此常用紅外光發(fā)射能量來(lái)檢測(cè)入侵者的入侵及其活動(dòng)。

一般的熱釋電材料為L(zhǎng)iTaO3， 當(dāng)受到紅外線照射時(shí)，熱釋電材料的溫度發(fā)生變化，同時(shí)其表面電荷也會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)以LiTaO3為代表的熱釋電材料處于自極化狀態(tài)時(shí)，吸收紅外線入射波后，結(jié)晶的表面溫度改變，自極化也發(fā)生改變，結(jié)晶表面的電荷變得不平衡，把這種不平衡電荷的電壓變化取出來(lái)，便可測(cè)出紅外線。熱釋電材料只有在溫度變化時(shí)才產(chǎn)生電壓，如果紅外線一直照射，則沒(méi)有不平衡電壓，一旦無(wú)紅外線照射時(shí)，結(jié)晶表面電荷就處于不平衡狀態(tài)，從而輸出電壓。

熱釋電紅外線傳感器因紅外光線的照射與遮擋得到或失去熱量，從而產(chǎn)生電壓輸出。從原理上講應(yīng)與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，但由熱釋電材料做成的傳感器有一個(gè)透光窗，而透光窗的選材與波長(zhǎng)有關(guān)系。如以SiO2為窗材的傳感器，它與1?m以上波長(zhǎng)的紅外線無(wú)關(guān)，而有的窗材只能通過(guò)4?m附近波長(zhǎng)的光，有的能透過(guò)6.1?m波長(zhǎng)的光，有的能透過(guò)8?m ~14?m波長(zhǎng)的光，所以使用不同的窗材就可確認(rèn)是哪個(gè)波長(zhǎng)的光產(chǎn)生的熱。

熱釋電元件組成的紅外探測(cè)器只與窗材的波長(zhǎng)有關(guān)，而量子型的紅外光探測(cè)器與紅外光的波長(zhǎng)有關(guān)，它的特點(diǎn)是靈敏度高，響應(yīng)速度快，響應(yīng)的靈敏度與紅外線波長(zhǎng)有關(guān)。每個(gè)入射光子產(chǎn)生的能量

E=hc/λ=1124λ

式中，h——普朗克常數(shù)，h=4.14TImes;10-15(ev·s)=6.625TImes;10-34(J·S)

c——光速，c=3TImes;1010cm/s

1?m紅外光的能量為1.24eV，10 ?m紅外光的能量為0.12eV，與可見(jiàn)光相比，紅外線光的能量較小。量子型的紅外傳感器又分為光導(dǎo)電型和光電動(dòng)勢(shì)型兩種。光導(dǎo)電型的元件材料有PbS、PbSe、Hg、Cd、Te等，它是利用紅外線照射時(shí)阻抗減少的特點(diǎn)來(lái)獲取檢測(cè)信號(hào)的;而光電動(dòng)勢(shì)型是在Ge、IrSb等半導(dǎo)體基片上形成PN結(jié)，當(dāng)紅外線照射時(shí)產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)，Ge的禁帶寬度為0.6ev，Ge二極管對(duì)0.6?m和1.9?m的紅外光較敏感，當(dāng)入射紅外光的波長(zhǎng)在0.6?m~1.9 ?m時(shí)，在PN結(jié)上形成的電動(dòng)勢(shì)隨入射光量的增大而增大，從而經(jīng)放大可輸出探測(cè)電信號(hào)。

6.電磁感應(yīng)傳感器

電磁場(chǎng)也是物質(zhì)存在的一種形式。電磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律由麥克斯韋方程組來(lái)表示，根據(jù)麥克斯韋理論，當(dāng)入侵者入侵防范區(qū)域，使原先防范區(qū)域內(nèi)電磁場(chǎng)的分布發(fā)生變化，這種變化可能引起空間電場(chǎng)的變化，電場(chǎng)畸變傳感器就是利用此特性。同時(shí)，入侵者的入侵也可能使空間電容發(fā)生變化，電容變化傳感器就是利用此特性。

2.2.2 入侵探測(cè)器

入侵探測(cè)器是由傳感器和信號(hào)處理器組成的用來(lái)探測(cè)入侵者入侵行為的電子和機(jī)械部件組成的裝置。入侵探測(cè)器的分類(lèi)可按其所用傳感器的特點(diǎn)分為開(kāi)關(guān)型入侵探測(cè)器、震動(dòng)型入侵探測(cè)器、聲音探測(cè)器、超聲波入侵探測(cè)器、次聲入侵探測(cè)器、主動(dòng)與被動(dòng)紅外入侵探測(cè)器、微波入侵探測(cè)器、激光入侵探測(cè)器、視頻運(yùn)動(dòng)入侵探測(cè)器和多種技術(shù)復(fù)合入侵探測(cè)器。也可按防范警戒區(qū)域分為點(diǎn)形入侵探測(cè)器、直線型入侵探測(cè)器、面型入侵探測(cè)器和空間型入侵探測(cè)器。

1.點(diǎn)型入侵探測(cè)器

對(duì)于門(mén)窗、柜臺(tái)、展櫥、保險(xiǎn)柜等防范范圍僅是某一特定部位使用的入侵探測(cè)器為點(diǎn)型入侵探測(cè)器，點(diǎn)型入侵探測(cè)驗(yàn)器通常有開(kāi)關(guān)型和振動(dòng)型兩種。

(1) 開(kāi)關(guān)入侵探測(cè)器

開(kāi)關(guān)入侵探測(cè)器是采用開(kāi)關(guān)型傳感器構(gòu)成的?？梢允俏?dòng)開(kāi)關(guān)、干簧繼電器、易斷金屬導(dǎo)線或壓力墊等構(gòu)成。不論是常開(kāi)型或是常閉型，當(dāng)其狀態(tài)改變時(shí)均可直接向報(bào)警控制器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，由報(bào)警控制器發(fā)出聲光警報(bào)信號(hào)。

(2) 震動(dòng)入侵探測(cè)器

當(dāng)入侵者進(jìn)入防范區(qū)域?qū)嵤┓缸飼r(shí)，總會(huì)引起地面、墻壁、門(mén)窗、保險(xiǎn)柜等發(fā)生震動(dòng)，我們可以采用壓電式傳感器、電磁感應(yīng)傳感器或其它可感受振動(dòng)信號(hào)的傳感器來(lái)感受入侵時(shí)發(fā)生的振動(dòng)信號(hào)，這種探測(cè)器我們稱(chēng)之為振動(dòng)入侵探測(cè)器。

墻震動(dòng)探測(cè)器及玻璃破碎探測(cè)器是典型的震動(dòng)入侵探測(cè)器，這種探測(cè)器常使用壓電式傳感器或?qū)щ娀善_(kāi)關(guān)傳感器。

壓電傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)制成的，當(dāng)壓電材料受到某方向的壓力時(shí)，在一特定方向兩個(gè)相對(duì)電極上分別感應(yīng)出電荷，電荷量的大小與壓力成正比。我們把壓電傳感器貼在玻璃上，當(dāng)玻璃受到震動(dòng)時(shí)，傳感器相應(yīng)的兩電極上感應(yīng)出電荷，形成一微弱的電位差，可以采用高放大倍數(shù)高輸入阻抗的集成放大電路進(jìn)行放大產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。采用半導(dǎo)體壓力傳感器的壓電電阻效應(yīng)制成的壓電式震動(dòng)入侵探測(cè)器，當(dāng)半導(dǎo)體材料硅片受外力作用時(shí)，晶體處于扭曲狀態(tài)，載流子的遷移率隨之發(fā)生變化，從而發(fā)生結(jié)晶電阻的阻抗發(fā)生變化，引起輸出電壓的變化，此輸出電壓加到燒結(jié)在同一硅片上的集成放大電路而產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

導(dǎo)電簧片開(kāi)關(guān)型玻璃破碎探測(cè)器結(jié)構(gòu)如圖2-9所示，上簧片橫向略呈彎曲的形狀，它對(duì)噪聲頻率有吸收作用。絕緣體、定位螺絲將上下金屬導(dǎo)電簧片絕緣固定在底座上，而右端觸頭處可靠接觸。

圖2-9 導(dǎo)電簧片開(kāi)關(guān)型玻璃破碎探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖

玻璃破碎探測(cè)器的外殼粘附在需防范的玻璃的內(nèi)側(cè)。環(huán)境溫度和濕度的變化及輕微震動(dòng)產(chǎn)生的低頻振動(dòng)，甚至敲擊玻璃所產(chǎn)生的振動(dòng)都能被上簧片的彎曲部分吸收，不改變上下電極的接觸狀態(tài)，只有當(dāng)探測(cè)器探測(cè)到玻璃破碎或足以使玻璃破碎的強(qiáng)沖擊力時(shí)產(chǎn)生的特殊頻率范圍的振動(dòng)才能使上下簧片振動(dòng)，處于不斷開(kāi)閉狀態(tài)，觸發(fā)控制電路產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

近年來(lái)隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，一種采用微處理器的新型聲音分析式玻璃破碎探測(cè)器已經(jīng)出現(xiàn)，它是利用微處理器的聲音分析技術(shù)來(lái)分析與破碎相關(guān)的特定聲音頻率后進(jìn)行準(zhǔn)確的報(bào)警。傳感器接收防范范圍內(nèi)的各種聲頻信號(hào)送給微處理器，微處理器對(duì)其進(jìn)行分析和處理以識(shí)別出玻璃破碎的入侵信號(hào)，這種探測(cè)器的誤報(bào)率極低。

為減少誤報(bào)率，人們還采用一種超低頻檢測(cè)和音頻識(shí)別技術(shù)的雙技術(shù)探測(cè)器。如果超低頻探測(cè)技術(shù)探測(cè)到玻璃被敲擊時(shí)所發(fā)出的超低頻波，而在隨后的一段特定時(shí)間間隔內(nèi)，音頻識(shí)別技術(shù)也捕捉到玻璃被擊碎后發(fā)出的高頻聲波，那么雙技術(shù)探測(cè)器就會(huì)確認(rèn)發(fā)生玻璃破碎，并觸發(fā)報(bào)警。

電動(dòng)式振動(dòng)入侵探測(cè)器是利用電磁感應(yīng)傳感器將振動(dòng)轉(zhuǎn)換成線圈兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出。將電動(dòng)式振動(dòng)入侵傳感器與保險(xiǎn)柜、貴重物體固定在一起，當(dāng)入侵者搬動(dòng)或觸動(dòng)保險(xiǎn)柜等物體產(chǎn)生振動(dòng)，電動(dòng)傳感器隨之振動(dòng)，線圈與電動(dòng)傳感器是固定在一起的，而磁鐵是通過(guò)彈簧與殼體連接在一起，殼體振動(dòng)后，磁鐵隨之運(yùn)動(dòng)，在線圈上感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，其大小E=nBLv，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，L為每匝線圈的長(zhǎng)度，n為繞組匝數(shù)，v為物體的振動(dòng)速度。輸出電壓E正比于振動(dòng)速度，電動(dòng)傳感器具有較高的靈敏度，輸出電動(dòng)勢(shì)較高，不需要高增益的放大器，而且電動(dòng)傳感器輸出阻抗低，噪聲干擾小。

2.直線型入侵探測(cè)器

直線型入侵探測(cè)器是指警戒范圍為一條線束的探測(cè)器，當(dāng)在這條警戒線上的警戒狀態(tài)被破壞時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。最常見(jiàn)的直線型報(bào)警探測(cè)器為紅外入侵探測(cè)器、激光入侵探測(cè)器。探測(cè)器的發(fā)射機(jī)發(fā)射出一束紅外光或激光，經(jīng)反射或直接射到接收器上，如光束被遮斷，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

(1) 紅外入侵探測(cè)器

物理學(xué)告訴我們，電磁場(chǎng)是物質(zhì)存在的一種形式，電磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是由麥克斯韋方程組來(lái)描述的，根據(jù)麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論，如果在空間的某區(qū)域內(nèi)有變化的電場(chǎng)(或磁場(chǎng))，那么在鄰近區(qū)域內(nèi)將引起變化的磁場(chǎng)(或電場(chǎng))，而這變化的磁場(chǎng)或電場(chǎng)又在更遠(yuǎn)的區(qū)域引起新的變化電場(chǎng)或磁場(chǎng)。這種由近到遠(yuǎn)，以有限的速度在空間內(nèi)傳播的過(guò)程稱(chēng)電磁波。我們平時(shí)所熟悉的光波，無(wú)線電波都是不同波長(zhǎng)的電磁波。表2-1列出了不同電磁波的波長(zhǎng)范圍。

表2-1 電磁波的波長(zhǎng)劃分表

名 稱(chēng) 波長(zhǎng)范圍(μm) 頻率范圍(MHz)

無(wú)線電波 》1×103 《3×105

紅外光 0.78～1×103 3×105～3.84×108

可見(jiàn)光 0.39～0.78 3.84×108～7.7×108

紫外光 0.01～0.39 7.7×108～3×1010

X射線 10-5～10-2 3×1010～3×1013

紅外光是電磁波，它同樣具有向外輻射的能力，它的波長(zhǎng)介于無(wú)線電波的微波和可見(jiàn)光之間。

物理學(xué)告訴我們，凡是溫度高于絕對(duì)零度的物體都能產(chǎn)生熱輻射，而溫度低于1725℃的物體產(chǎn)生的熱輻射光譜集中在紅外光區(qū)域，因而自然界的物體都能向外輻射紅外光。對(duì)某種物體來(lái)說(shuō)，由于其本身的物理和化學(xué)性質(zhì)不同，物體本身溫度不同，所產(chǎn)生的紅外輻射的波長(zhǎng)和距離也不同，通常分為三個(gè)波段。

近紅外：波長(zhǎng)范圍0.75?m~3?m

中紅外：波長(zhǎng)范圍3?m~25?m

遠(yuǎn)紅外：波長(zhǎng)范圍25?m~1000?m

紅外光在大氣中輻射時(shí)會(huì)產(chǎn)生衰減現(xiàn)象，主要是由于大氣中各種氣體對(duì)輻射的吸收(如水氣、二氧化碳)和大氣中懸浮微粒(如雨、霧、云、塵埃等微粒)對(duì)紅外光造成的散射。

大氣中紅外輻射的衰減是隨著波長(zhǎng)不同而變化的，對(duì)某些波長(zhǎng)的紅外輻射衰減較少，這些波長(zhǎng)區(qū)稱(chēng)為紅外的“大氣窗口”。能通過(guò)大氣的紅外輻射基本上分為三個(gè)波段，1?m ~2.5?m;3?m ~5?m;8?m ~14?m，這三個(gè)紅外大氣窗口為我們使用提供了方便。

紅外探測(cè)器分為被動(dòng)紅外探測(cè)器和主動(dòng)紅外探測(cè)器兩種形式。

所謂被動(dòng)紅外探測(cè)器只有紅外線接收器。當(dāng)被防范范圍內(nèi)有目標(biāo)入侵并移動(dòng)時(shí)，將引起該區(qū)域內(nèi)紅外輻射的變化，而紅外探測(cè)器能探測(cè)出這種紅外輻射的變化并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。實(shí)際上除入侵物體發(fā)出紅外輻射外，被探測(cè)范圍內(nèi)的其它物體如室外的建筑物、地形、樹(shù)木、山和室內(nèi)的墻壁、課桌、家俱等都會(huì)發(fā)生熱輻射，但因這些物體是固定不變的，其熱輻射也是穩(wěn)定的，當(dāng)入侵物體進(jìn)入被監(jiān)控區(qū)域后，穩(wěn)定不變的熱輻射被破壞，產(chǎn)生了一個(gè)變化的熱輻射，而紅外探測(cè)器中的紅外傳感器就能收到這變化的輻射，經(jīng)放大處理后報(bào)警。在使用中，把探測(cè)器放置在所要防范的區(qū)域里，那些固定的景物就成為不動(dòng)的背景，背景輻射的微小信號(hào)變化為噪聲信號(hào)，由于探測(cè)器的抗噪能力較強(qiáng)，噪聲信號(hào)不會(huì)引起誤報(bào)，紅外探測(cè)器一般用在背景不動(dòng)或防范區(qū)域內(nèi)無(wú)活動(dòng)物體的場(chǎng)合。

如只考慮紅外傳感器本身的噪聲，在探測(cè)距離內(nèi)，被動(dòng)紅外探測(cè)器的作用距離為：

式中，

D0——光學(xué)系統(tǒng)通光口徑

η——光學(xué)系統(tǒng)的傳輸效率

NA——光學(xué)系統(tǒng)數(shù)值孔徑，NA= D0 /2f

ω——目標(biāo)的輻射強(qiáng)度

τ——大氣透過(guò)率

D*——傳感器的光譜探測(cè)度

w——視場(chǎng)角

△f——等效噪聲帶寬

Vs/Vn——探測(cè)器確定的信噪比。

可見(jiàn)要提高作用距離R，應(yīng)增大通光口徑D。、傳輸效率η和光譜探測(cè)度D*，減少視場(chǎng)角w和等效噪聲帶寬Δf。

為了提高被動(dòng)紅外入侵探測(cè)器的報(bào)警精度以及減少誤報(bào)率，現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用的被動(dòng)紅外探測(cè)器，多數(shù)做成把幾個(gè)紅外接收單元集成在一個(gè)探測(cè)器中，稱(chēng)為多元被動(dòng)紅外探測(cè)器。這樣的探測(cè)器由于具有幾個(gè)接收單元，則不僅能檢測(cè)出其防范區(qū)域有入侵者時(shí)的紅外變化，還可以因各單元安裝方向的不同而接收信號(hào)的大小不同，檢測(cè)出入侵者走動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的單元信號(hào)差值的變化，從而達(dá)到雙重檢測(cè)的目的，大大提高了報(bào)警精度，減少了誤報(bào)率。

主動(dòng)紅外探測(cè)器是由紅外光發(fā)射器和接收器兩個(gè)部件構(gòu)成。

主動(dòng)紅外發(fā)射器發(fā)出一束經(jīng)調(diào)制的紅外光束，投向紅外接收器，形成一條警戒線。當(dāng)目標(biāo)侵入該警戒線時(shí)，紅外光束被部分或全部遮擋，接收機(jī)接收信號(hào)發(fā)生變化而報(bào)警。

主動(dòng)紅外探測(cè)器的發(fā)射光源通常為紅外發(fā)光二極管。其特點(diǎn)是體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、功耗小，交、直流供電都能工作，晶體管、集成電路都能直接推動(dòng)。而砷鎵鋁雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器也工作在紅外波段，故也是一種主動(dòng)紅外探測(cè)器。主動(dòng)紅外探測(cè)器的光源通常為脈沖調(diào)制的脈沖波形，發(fā)射機(jī)采用自激多諧振蕩器作為調(diào)制電源，產(chǎn)生很高占空比的脈沖波形，去調(diào)制紅外發(fā)光二極管發(fā)光，發(fā)射出紅外脈沖調(diào)制光譜。這樣大大降低了電源的功耗，又增加了系統(tǒng)抗雜散光干擾的能力。

對(duì)光束遮擋型的探測(cè)器，要適當(dāng)選取有效的報(bào)警最短遮光時(shí)間。遮光時(shí)間選得太短，會(huì)引起不必要的噪聲干擾，如小鳥(niǎo)飛過(guò)、小動(dòng)物穿過(guò)都會(huì)引起報(bào)警;而遮光時(shí)間太長(zhǎng)，則可能導(dǎo)致漏報(bào)。通常以10m/s的速度通過(guò)鏡頭的遮光時(shí)間，來(lái)定最短遮光時(shí)間。若人的寬度為20cm，則最短遮光時(shí)間為20cm/(10m/s)=20ms。大于20ms，系統(tǒng)報(bào)警;小于20ms則不報(bào)警。

主動(dòng)紅外探測(cè)器體積小、重量輕、便于隱蔽，采用雙光路甚至四光路的主動(dòng)紅外探測(cè)器可大大提高其抗噪防誤報(bào)的能力以及加大防范的垂直面，另外主動(dòng)紅外探測(cè)器壽命長(zhǎng)、價(jià)格低、易調(diào)整，因此被廣泛使用在安全防范工程中。

然而當(dāng)主動(dòng)紅外探測(cè)器用在室外自然環(huán)境時(shí)，比如無(wú)星光和月亮的夜晚，以及夏日中午太陽(yáng)光背景輻射的強(qiáng)度比超過(guò)100dB時(shí)，會(huì)使接收機(jī)的光電傳感器工作環(huán)境相差太大。通常采用截止濾光片，濾去背景光中的極大部分能量(主要為可見(jiàn)光的能量)，使接收機(jī)的光電傳感器在各種戶外光照條件下的使用條件基本相似。

另外室外的大霧會(huì)引起傳輸中紅外光的散射，大大縮短主動(dòng)紅外探測(cè)器的有效探測(cè)距離。雖然大部份應(yīng)用在室外的主動(dòng)紅外探測(cè)器在出廠時(shí)，已考慮到了上述因素，但在使用中還是應(yīng)該充分注意到大霧天造成的影響。某些經(jīng)常有大霧的地區(qū)，甚至不適合采用室外安裝這種探測(cè)器。

(2) 激光入侵探測(cè)器

激光與一般光源相比有如下特點(diǎn)：

a.方向性好，亮度高。一束激光的發(fā)散角可做到小于10-3～10-5弧度，即使在幾公里以外激光光束的直徑也僅擴(kuò)展到幾毫米或幾厘米。由于激光光束發(fā)散角小，幾乎是一束平行光束，光束能聚集在一個(gè)很小的平面上，產(chǎn)生很大的光功率密度，其亮度很高。

激光光源和其它光源的亮度比較：

光源 亮度(w/Sr·cm2)

蠟燭 0.5

電燈 470

太陽(yáng)表面 0.165M

氦-氖激光 15M

紅寶石激光 10億兆～37億兆

b.激光的單色性和相干性好。

激光是單一頻率的單色光，如氦氖激光器的波長(zhǎng)為6328?，在其頻率范圍內(nèi)譜線寬度ΔU=10-1Hz，而其他一般光的ΔU = 107-109 Hz。光的相干性取決于其單色性。

光的相干長(zhǎng)度δm與譜線寬度的關(guān)系是：

δm=c/ΔU，其中c為光速。

一般光源的相干長(zhǎng)度為幾個(gè)毫米。單色光源氦-86燈，λ=6057?，相干長(zhǎng)度δm=38.6cm;而氦氖激光器λ= 6328?，δm=40km。

按激光器的工作物質(zhì)來(lái)分，激光器可分為如下幾種：

固體激光器：它的工作物質(zhì)為固體，如釹玻璃、紅寶石等。

液體染料激光器：它的工作物質(zhì)為液體染料，如若丹明香豆素等。

氣體激光器：它的工作物質(zhì)是二氧化碳、氦-氖、氮分子等。

半導(dǎo)體激光器：它的工作物質(zhì)是半導(dǎo)體材料，如砷化鎵。

激光探測(cè)器與主動(dòng)紅外式探測(cè)器有些相似，也是由發(fā)射器與接收器兩部分構(gòu)成。發(fā)射器發(fā)射激光束照射在接收器上，當(dāng)有入侵目標(biāo)出現(xiàn)在警戒線上，激光束被遮擋，接收機(jī)接收狀態(tài)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

激光探測(cè)器的作用距離：

式中

P1——激光功率;

QT——光束發(fā)散角;

M—— 調(diào)制光速調(diào)制度;

SR——接收面積;

PR——接收到的功率。

由上式可以看出，要提高探測(cè)器的作用距離，應(yīng)增大激光源的發(fā)射光率，增加光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率，減少發(fā)射裝置的發(fā)散角，也可采用高靈敏的光電傳感器。

激光具有高亮度，高方向性，所以激光探測(cè)器十分適用于遠(yuǎn)距離的線控報(bào)警裝置。由于能量集中，可以在光路上加裝反射鏡，圍繞成光墻，從而可以用一套激光器來(lái)封鎖場(chǎng)地的四周，或封鎖幾個(gè)主要通道路口。

激光探測(cè)器采用半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)在紅外線波段時(shí)，處于不可見(jiàn)范圍，便于隱蔽，不易被犯罪分子所發(fā)現(xiàn)。激光探測(cè)器采用脈沖調(diào)制，抗干擾能力較強(qiáng)，其穩(wěn)定性能好，一般不會(huì)因機(jī)器本身而產(chǎn)生誤報(bào)，如果采用雙光路系統(tǒng)，可靠性更會(huì)大大提高。

3.面型入侵探測(cè)器

面型入侵探測(cè)器的警戒范圍為一個(gè)面。當(dāng)警戒面上出現(xiàn)入侵目標(biāo)時(shí)即能發(fā)出報(bào)警信號(hào)。振動(dòng)式或感應(yīng)式報(bào)警探測(cè)器常被用做面報(bào)警探測(cè)器，例如把用做點(diǎn)報(bào)警探測(cè)器的振動(dòng)探測(cè)器安裝在墻面或玻璃上，或安裝在某一要求保護(hù)的鐵絲網(wǎng)或隔離網(wǎng)上，當(dāng)入侵者觸及時(shí)網(wǎng)發(fā)生振動(dòng)，探測(cè)器即能發(fā)生報(bào)警信號(hào)。

面型入侵探測(cè)器更多的是使用電磁感應(yīng)探測(cè)器。電場(chǎng)畸變探測(cè)器是一種電磁感應(yīng)探測(cè)器，當(dāng)目標(biāo)侵入防范區(qū)域時(shí)，引起傳感器線路周?chē)姶艌?chǎng)分布的變化，我們把能響應(yīng)這畸變并進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)的裝置稱(chēng)為電場(chǎng)畸變探測(cè)器。這種電場(chǎng)畸變探測(cè)器有平行線電場(chǎng)畸變探測(cè)器、泄漏電纜電場(chǎng)畸變探測(cè)器。

(1) 平行線電場(chǎng)畸變?nèi)肭痔綔y(cè)器

平行線電場(chǎng)畸變?nèi)肭痔綔y(cè)器是由傳感器線支撐桿、跨接件和傳感器電場(chǎng)信號(hào)發(fā)生接收裝置構(gòu)成，如圖2-10所示。傳感器是一些平行線(2條～10條)構(gòu)成，在這些導(dǎo)線中一部分是場(chǎng)線，它們與振蕩頻率為1kHz～40kHz的信號(hào)發(fā)生器相連接，工作時(shí)場(chǎng)線向周?chē)臻g輻射電磁場(chǎng)能量。另一部分線為感應(yīng)線，場(chǎng)線輻射的電磁場(chǎng)在感應(yīng)線上產(chǎn)生感應(yīng)電流。當(dāng)入侵者靠近或穿越平行導(dǎo)線時(shí)，就會(huì)改變周?chē)姶艌?chǎng)的分布狀態(tài)，相應(yīng)地使感應(yīng)線中的感應(yīng)電流發(fā)生變化，由接收信號(hào)處理器分析后發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

傳感器線通過(guò)跨接件固定在支撐桿上?？缃蛹嫌刑胤N鋼彈簧片，一方面可以拉緊傳感器線，另一方面可使探測(cè)區(qū)內(nèi)有連接的電磁場(chǎng)，沒(méi)有盲區(qū)。信號(hào)發(fā)生、接收器安裝在中間支撐桿上。

平行線電場(chǎng)畸變?nèi)肭痔綔y(cè)器主要用于戶外周界報(bào)警。通常沿著防范周界安裝數(shù)套電場(chǎng)探測(cè)器，組成周界防范系統(tǒng)。信號(hào)分析處理器常采用微處理器，信號(hào)分析處理程序可以分析出入侵者和小動(dòng)物引起的場(chǎng)變化的不同，從而將誤報(bào)率降到了最低。

(2) 泄漏電纜電場(chǎng)畸變?nèi)肭痔綔y(cè)器

所謂泄露電纜是一種特制的同軸電纜，見(jiàn)圖2-11，其中心是銅導(dǎo)線，外面包圍著絕緣材料(如聚乙烯)，絕緣材料外面用兩條金屬散層以螺旋方式交叉纏繞并留有孔隙。電纜最外面為聚乙烯保護(hù)層。當(dāng)電纜傳輸電磁能量時(shí)，屏蔽層的空隙處便將部分電磁能量向外輻射。為了使電纜在一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)能夠均勻地向空間泄漏能量，電纜空隙的尺寸大小是沿電纜變化的。

圖2-10 平行線電場(chǎng)畸變探測(cè)器

圖2-11 泄漏電纜結(jié)構(gòu)示意圖

把平行安裝的兩根泄漏電纜分別接到高強(qiáng)信號(hào)發(fā)生器和接收器上就組成了泄漏電纜入侵探測(cè)器。當(dāng)發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖電磁能量沿發(fā)射電纜傳輸并通過(guò)泄漏孔向空間輻射時(shí)，在電纜周?chē)纬煽臻g電磁場(chǎng)，同時(shí)與發(fā)射電纜平行的接收電纜通過(guò)泄漏孔接收空間電磁能量并沿電纜送入接收器，泄漏電纜可埋入地下，如圖示2-12所示。當(dāng)入侵者進(jìn)入探測(cè)區(qū)時(shí)，使空間電磁場(chǎng)的分布狀態(tài)發(fā)生變化，因而接收電纜收到的電磁能量發(fā)生變化，這個(gè)變化量就是入侵信號(hào)，經(jīng)過(guò)分析處理后可使報(bào)警器動(dòng)作。

泄漏電纜探測(cè)器可全天候工作，抗干擾能力強(qiáng)，誤報(bào)漏報(bào)率都較低，適用于高保安，長(zhǎng)周界的安全防范場(chǎng)所。

(3) 振動(dòng)傳感電纜型入侵探測(cè)器

這種入侵探測(cè)器是在一根塑料護(hù)套內(nèi)裝有三芯導(dǎo)線的電纜兩端，分別接上發(fā)送裝置與接收裝置，并將電纜波浪狀或呈其它曲折形狀固定在網(wǎng)狀的圍墻上(如圖2-13所示)。用這樣有一定長(zhǎng)度的的電纜構(gòu)成一個(gè)防區(qū)。每?jī)蓚€(gè)或四個(gè)、六個(gè)防區(qū)共用一個(gè)控制器(稱(chēng)為多通道控制器)，由控制器將各防區(qū)的報(bào)警信號(hào)傳送至控制中心。當(dāng)有入侵者觸動(dòng)網(wǎng)狀圍墻，破壞網(wǎng)狀圍墻等行為使其震動(dòng)并達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)(安裝時(shí)強(qiáng)度可調(diào)，以確定其報(bào)警靈敏度)，就會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。這種入侵探測(cè)器精度極高，漏報(bào)率為零，誤報(bào)率幾乎為零。且可全天候使用(不受氣候的影響)。它特別適合圍網(wǎng)狀的周界圍墻(即采用鐵網(wǎng)構(gòu)成的圍墻)使用。

圖2-12 泄漏電纜產(chǎn)生空間場(chǎng)示意圖

圖2-13 振動(dòng)傳感電纜型入侵探測(cè)器示意圖

(4) 電子圍欄式入侵探測(cè)器

電子圍欄式入侵探測(cè)器也是一種用于周界防范的探測(cè)器。它由三大部分組成，即脈沖電壓發(fā)生器、報(bào)警信號(hào)檢測(cè)器以及前端的電圍欄，其系統(tǒng)原理框圖如圖2-14所示。

當(dāng)有入侵者入侵時(shí)，觸碰到前端的電子圍欄或試圖剪斷前端的電子圍欄，都會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

這種探測(cè)器的電子圍欄上的裸露導(dǎo)線，接通由脈沖電壓發(fā)生器發(fā)出的高達(dá)1萬(wàn)伏的脈沖電壓(但能量很小，一般在4焦耳以下，對(duì)人體不會(huì)構(gòu)成生命危害)，所以即使入侵者戴上絕緣手套，也會(huì)產(chǎn)生脈沖感應(yīng)信號(hào)，使其報(bào)警。這種電子圍欄如果使用在市區(qū)或來(lái)往人群多的場(chǎng)合時(shí)，安裝前應(yīng)事先征得當(dāng)?shù)毓驳炔块T(mén)的同意。

(5) 微波墻式入侵探測(cè)器

圖2-14 電子圍欄式入侵探測(cè)器

微波墻式入侵探測(cè)器，主要也是用于周界防范。它類(lèi)似主動(dòng)紅外對(duì)射式入侵探測(cè)器的工作方式，不同的是用于探測(cè)的波束是微波而不是紅外線。另外，這種探測(cè)器的波束更寬、呈扁平狀、象一面墻壁的形狀，所以防范的面積更大。其安裝后構(gòu)成的原理框圖如圖2-15所示。

圖2-15 微波墻式入侵探測(cè)器原理圖

這種探測(cè)器在使用時(shí)，應(yīng)注意使墻式微波波束控制在防范區(qū)域內(nèi)，不向外擴(kuò)展，以免引起誤報(bào)。另外，在防范區(qū)域(波束)內(nèi)，不應(yīng)有花草樹(shù)木等物體，以免當(dāng)有風(fēng)吹動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生誤報(bào)。

4.空間入侵探測(cè)器

空間入侵探測(cè)器是指警戒范圍是一個(gè)空間的報(bào)警器。當(dāng)這個(gè)警戒空間任意處的警戒狀態(tài)被破壞，即發(fā)生報(bào)警信號(hào)。聲入侵探測(cè)器和微波入侵探測(cè)器以及被動(dòng)紅外探測(cè)器等都屬于空間入侵探測(cè)器。

(1) 聲入侵探測(cè)器

聲入侵探測(cè)器是常用的空間防范探測(cè)器。通常將探測(cè)說(shuō)話、走路等聲響的裝置稱(chēng)聲控探測(cè)器。當(dāng)探測(cè)物體被破壞(如打碎玻璃、鑿墻、鋸鋼筋)時(shí)，發(fā)生固有聲響的裝置稱(chēng)為聲發(fā)射探測(cè)器。

① 聲控入侵探測(cè)器

聲控探測(cè)器是用聲傳感器把聲音信號(hào)變成電信號(hào)，經(jīng)前置放大送報(bào)警控制器處理后發(fā)出報(bào)警處理信號(hào)，也可將報(bào)警信號(hào)經(jīng)放大推動(dòng)喇叭和錄音機(jī)，以便監(jiān)聽(tīng)和錄音。

駐極體傳感器被廣泛地應(yīng)用在聲控探測(cè)器中。在聲控探測(cè)器中使用的駐極體送話器由一個(gè)金屬極板蒙上機(jī)械張緊的駐極體箔(約10?M)，駐極體箔與金屬板之間構(gòu)成一只電容。根據(jù)靜電感應(yīng)的原理，與駐極體相對(duì)著的金屬板上就會(huì)感應(yīng)出大小相等、方向相反的電荷。駐極體電荷在空隙中形成靜電場(chǎng)。在聲波作用下，駐極體箔發(fā)生運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生位移，在電容極板上感應(yīng)出電壓。

駐極體送話器的頻率響應(yīng)范圍主要取決于送話器的結(jié)構(gòu)。在此頻率范圍內(nèi)，駐極體箔的位移與所加的聲強(qiáng)成正比，送話器的輸出電壓僅與聲強(qiáng)有關(guān)，而與頻率無(wú)關(guān)，音頻駐極體送話器在20Hz～15000Hz的頻率范圍內(nèi)有恒定的靈敏度。

② 聲發(fā)射入侵探測(cè)器

聲發(fā)射探測(cè)器是監(jiān)控某一頻帶的聲音發(fā)出報(bào)警信號(hào)，而對(duì)其它頻帶的聲音信號(hào)不予響應(yīng)。主要監(jiān)控玻璃破碎聲、鑿墻、鋸鋼筋聲等入侵時(shí)的破壞行為所發(fā)出的聲音，玻璃破碎聲發(fā)射探測(cè)器通常也用駐極體傳話器作聲電傳感器。當(dāng)玻璃破碎時(shí)，發(fā)出的破碎聲由多種頻率的聲響構(gòu)成。據(jù)測(cè)定，主要頻率為10kHz～15kHz高頻聲響信號(hào)。當(dāng)錘子打擊墻壁、天花板的磚、混凝土?xí)r會(huì)產(chǎn)生一個(gè)頻率為1kHz左右的衰減信號(hào)，大約持續(xù)5ms;據(jù)鋼筋時(shí)產(chǎn)生頻率約3.5kHz、持續(xù)時(shí)間約15ms的聲音信號(hào)。采用帶通濾波器濾去高于或低于探測(cè)聲信號(hào)的干擾信號(hào)，經(jīng)放大后產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

③ 次聲入侵探測(cè)器

次聲為頻率很低的音頻信號(hào)。探測(cè)器的工作原理與聲發(fā)射探測(cè)器相同，不過(guò)采用低通濾波器濾去高頻和中頻音頻信號(hào)，而放大次低頻信號(hào)報(bào)警。

房屋通常由墻天花板、門(mén)、窗、地板同外界隔離。由于房屋里外環(huán)境不同，強(qiáng)度、氣壓等均有一定差異，一個(gè)人想闖入就要破壞這空間屏障，如打開(kāi)門(mén)窗、打碎玻璃、鑿墻開(kāi)洞等，由于室內(nèi)外的氣壓差，在缺口處產(chǎn)生氣流擾動(dòng)，發(fā)出一個(gè)次聲;另外由于開(kāi)門(mén)、碎窗、破墻產(chǎn)生加速度，則內(nèi)表面空氣被壓縮產(chǎn)生另一次聲，而這二次聲頻率大約為1Hz左右。兩種次聲波在室內(nèi)向四周擴(kuò)散，先后傳入次聲探測(cè)器，只有當(dāng)這二次聲強(qiáng)度達(dá)到一定閾值后才能報(bào)警，所以只要外部屏障不被破壞，在覆蓋區(qū)域內(nèi)部開(kāi)關(guān)門(mén)窗，移動(dòng)家俱，人員走動(dòng)，都低于閾值，不會(huì)報(bào)警。但是這種特定環(huán)境下如果采用其它超聲、微波或紅外探測(cè)器都會(huì)導(dǎo)致誤報(bào)。

④ 超聲波入侵探測(cè)器

所謂超聲波是指頻率在20kHz以上的音頻信號(hào)，這種音頻信號(hào)人的耳朵是聽(tīng)不到的。超聲波探測(cè)器是利用超聲波技術(shù)構(gòu)造的探測(cè)器，通常分為多普勒式超聲波探測(cè)和超聲波聲場(chǎng)型探測(cè)器兩種。

多普勒式超聲波探測(cè)器是利用超聲對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)構(gòu)成的報(bào)警裝置。通常，多普勒式超聲波探測(cè)器是將超聲波發(fā)射器與接收器裝在一個(gè)裝置內(nèi)。所謂多普勒效應(yīng)是指在輻射源(超聲波發(fā)生器)與探測(cè)目標(biāo)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收的回波信號(hào)頻率會(huì)發(fā)生變化。如圖2-16所示，設(shè)超聲波發(fā)射接收器發(fā)射的信號(hào)為：

U = Um Sin (ωot+jo)

式中，ωo為發(fā)射超聲波的角頻率，ωo=2πfo，jo為發(fā)射信號(hào)的初始相位。那么當(dāng)發(fā)射接收器與目標(biāo)間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，經(jīng)目標(biāo)反射后超聲波發(fā)射接收器接收到的回波信號(hào)為：

Ur= Um Sin[ωo(t-tr)+jo]

=Um Sinj

式中，tr為超聲波往返于超聲波發(fā)射接收器和目標(biāo)之間所需的時(shí)間，設(shè)目標(biāo)與發(fā)射接收器之間的距離為S(t)，超聲波的速度為c，則有

tr=2S(t)/c

且S(t)= So-vr·t

式中，So為初始時(shí)刻目標(biāo)與發(fā)射接收器的距離，vr為目標(biāo)與發(fā)射接收器相對(duì)運(yùn)動(dòng)的徑向速度?；夭ǖ慕穷l率為

ωr=dψ/dt=ωo·(1+2vr/c)

也可寫(xiě)成fr=f0(1+2vr/c)= f0+fd

fd=(2vr/c)·f0

由此可見(jiàn)目標(biāo)以徑向速度vr向發(fā)射接收器運(yùn)動(dòng)，使接收到的信號(hào)頻率不再是發(fā)射頻率fo，而是fo+fd，這種現(xiàn)象稱(chēng)多譜勒效應(yīng)，fd稱(chēng)為多譜勒頻率。當(dāng)目標(biāo)背向探測(cè)器運(yùn)動(dòng)時(shí)，νr為負(fù)值，則所接收的回波信號(hào)頻率為fo-fd。

超聲波發(fā)射器發(fā)射25kHz～40kHz的超聲波充滿室內(nèi)空間，超聲波接收器接收從墻壁、天花板、地板及室內(nèi)其它物體反射回來(lái)的超聲能量，并不斷的與發(fā)射波的頻率加以比較。當(dāng)室內(nèi)沒(méi)有移動(dòng)物體時(shí)，反射波與發(fā)射波的頻率相同，不報(bào)警;當(dāng)入侵者在探測(cè)區(qū)內(nèi)移動(dòng)時(shí)，超聲反射波會(huì)產(chǎn)生大約±100Hz多普勒頻移，接收機(jī)檢測(cè)出發(fā)射波與反射波之間的頻率差異后，即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

圖2-16 多譜勒效應(yīng)示意圖

場(chǎng)型超聲波入侵探測(cè)器是將發(fā)射器和接收器分別安裝在不同位置。超聲波在密閉的房間內(nèi)經(jīng)固定物體(如墻、地板、天花板、家具)多次反射，布滿各個(gè)角落。由于多次反射，室內(nèi)的超聲波形成復(fù)雜的駐波狀態(tài)，有許多波腹點(diǎn)和波節(jié)點(diǎn)。波腹點(diǎn)能量密度大，波節(jié)點(diǎn)能量密度低，造成室內(nèi)超聲波能量分布的不均勻。當(dāng)沒(méi)有物體移動(dòng)時(shí)，超聲波能量處于一種穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)改變室內(nèi)固定物體分布時(shí)，超聲能量的分布將發(fā)生改變。而當(dāng)室內(nèi)有一移動(dòng)物體時(shí)，室內(nèi)超聲能量發(fā)生連續(xù)變化，而接收器接收到這連續(xù)變化的信號(hào)后，就能探測(cè)出移動(dòng)物體的存在，變化信號(hào)的幅度與超聲頻率和物體移動(dòng)的速度成正比。

(2) 微波入侵探測(cè)器

微波是一種頻率很高的無(wú)線電波，波長(zhǎng)很短，一般在0.001m～1m之間，由于微波的波長(zhǎng)與一般物體的幾何尺寸相當(dāng)，所以很容易被物體所反射。按工作原理微波入侵探測(cè)器可分為移動(dòng)型微波探測(cè)器和阻擋型微波探測(cè)器。

① 移動(dòng)型微波探測(cè)器

移動(dòng)型微波探測(cè)器又稱(chēng)多普勒式微波入侵探測(cè)器。其工作原理與多譜勒式超聲波探測(cè)器相同，只不過(guò)探測(cè)器發(fā)射和接收的是微波而不是超聲波。

微波發(fā)射器通過(guò)天線向防范區(qū)域內(nèi)發(fā)射微波信號(hào)，當(dāng)防范區(qū)域內(nèi)無(wú)移動(dòng)目標(biāo)時(shí)，接收器接收到的微波信號(hào)頻率與發(fā)射信號(hào)頻率相同，為fo。當(dāng)有移動(dòng)目標(biāo)時(shí)，由于多普勒效應(yīng)，目標(biāo)反射的微波信號(hào)頻率將發(fā)生偏移，偏移的多普勒頻率為fd，接收機(jī)分析fd的大小以產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

由于多普勒效應(yīng)告訴我們，偏移的多普勒頻率fd，正比于目標(biāo)徑向的移動(dòng)速度而反比于工作波長(zhǎng)，所以微波探測(cè)器較多普勒超聲探測(cè)器有更高的靈敏度。

多普勒微波探測(cè)器的探測(cè)距離通常用下式表示：

式中，

PI——微波發(fā)射功率;

GI——發(fā)射天線的增益;

λ——微波波長(zhǎng);

σ——目標(biāo)截面積;

k——卡爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K;

To——接收機(jī)噪聲溫度;

Bn——接收機(jī)等噪聲帶寬;

Fn——接收機(jī)噪聲系數(shù);

L——微波系統(tǒng)損耗;

M——檢測(cè)所需要的最小信噪比。

由上式可以看出，要增加探測(cè)距離，可增加發(fā)射天線增益，提高發(fā)射天線的方向性，將視角變小。而提高發(fā)射功率固然可以增大探測(cè)距離，但不經(jīng)濟(jì)，尤其是大功率的微波幅射還有損健康，所以一般不采用。

② 阻擋型微波探測(cè)器

阻擋型微波探測(cè)器由發(fā)射器、接收器和信號(hào)處理器組成。使用時(shí)將發(fā)射天線和接收天線相對(duì)放置在監(jiān)控場(chǎng)地的兩端，發(fā)射天線發(fā)射的微波束直接送達(dá)接收天線。當(dāng)沒(méi)有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)遮斷微波束時(shí)，微波能量被接收天線接收，發(fā)出正常工作信號(hào);當(dāng)有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)阻擋微波束時(shí)，天線接收到的微波能量減弱或消失，此時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

有關(guān)被動(dòng)紅外探測(cè)器及由微波與紅外組成的雙鑒式探測(cè)大等空間入侵探測(cè)器，前面已有闡述，這里就不再提及了。