CN103278862A - 被动式红外探测器及采用被动式红外探测器的探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及红外探测领域，尤其是被动红外探测领域。一种被动式红外探测器，是在一电路板上设有2个红外元件、信号调理电路和控制电路，外界辐射的红外线能量通过一菲涅尔透镜片后，进入至该2个红外元件的采集接收端，信号调理电路将该2个红外元件的输出信号进行信号调理后输出至控制电路，该控制电路对信号波形进行检测分析。一种采用被动式红外探测器的探测方法，包括：A进行红外检测的步骤；具体是：a1建立红外检测系统，采用2个红外元件进行检测，且在该2个红外元件的采集接收前端设置1个菲涅尔透镜片；a2对波形进行处理；B进行检测判断的步骤；具体是：对检测的波形进行比对分析。本发明用于安防领域，进行被动红外人体探测。

Description

被动式红外探测器及采用被动式红外探测器的探测方法

技术领域

 本发明涉及红外探测领域，尤其是被动红外探测领域。

背景技术

被动式红外探测器的原理是利用人体表面温度与周围环境温度存在差别，在人体移动时，这种差别产生的变化可以通过红外敏感元件来检测到，从而触发报警。

热释电红外线传感器是应用在被动式红外探测器中的核心元件，它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出；通过外围放大电路将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路如单片机电路，来进行后续报警处理。

早期的被动式红外探测器中，仅以一个热释电红外线传感器来进行探测，误报率高。因而如公开号CN2798081所揭示的一种红外双眼探测器就采用两个热释电红外线传感器来提供探测准确率。此后，集成了两个热释电红外线传感器的双元红外元件逐渐被广泛应用于被动式红外探测器中，取代了单元红外元件的方式。

为了避免热空气气流、小动物（如老鼠等）、灯光等外界干扰因素引起被动式红外探测器误报，菲涅尔透镜被应用到被动式红外探测器中。参阅图1所示，被动式红外探测器的双元红外元件1’采集端前方会装设一个菲涅尔透镜片2’，利用菲涅尔透镜片2’的特殊光学原理，在被动式红外探测器的前方产生一个交替变化的“盲区”（图中空白区域）和“高灵敏区”（图中阴影线区域），以提高它的探测接收灵敏度。当有人（较大体积的生物）从菲涅尔透镜片2’前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使双元红外元件1’接收到的红外信号忽强忽弱形式输入。因热空气气流和灯光是范围性辐射，不会有此现象。因小动物（如老鼠等）的体积较小，通常不会同时跨越“盲区”和“高灵敏区”范围，也不会有此现象。从而，大大降低了因热空气气流、小动物（如老鼠等）、灯光等外界干扰因素引起被动式红外探测器误报现象。

采用上述的双元红外元件1’和菲涅尔透镜片2’的现有的被动式红外探测器会通过信号调理电路进行信号调理，将双元红外元件1’的正弦波信号波形转换成脉冲信号波形、放大、带通过滤等，再进行后续判断处理，后续判断处理，后续判断处理是采用一般脉冲计数的方式或者采用交替极性脉冲计数的方式。采用一般脉冲计数的方式只是单纯计数双元红外元件输出的脉冲信号，对电器干扰引发的脉冲会误触发警报。采用交替极性脉冲计数的方式虽然相比一般脉冲计数的方式有所改进，但是依然无法完全避免外界干扰因素引起被动式红外探测器误报。被动式红外探测器的误报势必影响了用户正常的使用，是应当尽可能避免的。

发明内容

因此，本发明针对现有被动式红外探测器存在误报的不足，提出一种被动式红外探测器及采用被动式红外探测器的探测方法，以最大程度地避免被动式红外探测器的误报发生。

本发明的第一个目的在于，提出一种被动式红外探测器。

一种被动式红外探测器，是在一电路板上设有2个红外元件、信号调理电路和控制电路，外界辐射的红外线能量通过一菲涅尔透镜片后，进入至该2个红外元件的采集接收端，信号调理电路将该2个红外元件的输出信号进行信号调理后输出至控制电路，该控制电路对信号波形进行检测分析。

其中，所述的2个红外元件均是双元红外元件，并且该2个双元红外元件的安装位置呈左右对称。

其中，所述的2个红外元件分别是位于上方和下方。

其中，所述的2个红外元件采集接收探测范围在一定高度上具有重叠，从而具有一定体积和高度的活生物体可以在这个重叠的探测范围内被2个红外元件同时采集到信号。

其中，所述的菲涅尔透镜片是1个镜片上具有2套菲涅尔透镜纹路。

其中，所述的信号调理电路将红外元件输出的正弦波信号转成脉冲波信号，并进行放大处理。

其中，所述的控制电路对信号波形的检测分析是：判断信号波形正、负是否完全上、下对称。

其中，所述的控制电路在检测到信号波形正、负完全上、下对称后，进行报警处理。

其中，所述的电路板上的电子元器件采用表面贴片式元件的方式来制作。

其中，所述的被动式红外探测器采用反射镜聚集红外线能量。

其中，所述的红外元件外套设金属屏蔽罩。

本发明的第二个目的在于，提出一种采用被动式红外探测器的探测方法。

一种采用被动式红外探测器的探测方法，包括：

A,进行红外检测的步骤；具体是：

a1，建立红外检测系统：采用2个红外元件进行检测，且在该2个红外元件的采集接收前端设置1个菲涅尔透镜，以及采用电控制装置来对该2个红外元件的采集接收后输出信号进行处理；

a2，对波形进行处理：将2个红外元件的输出信号进行处理成易于电控制装置进行检测的信号波形；

B,进行检测判断的步骤；具体是：电控制装置对检测的波形进行比对分析，如果2个红外元件的波形正、负呈完全上、下对称，就表明探测到较大体积的活生物体，其他情况则表明非探测到较大体积的活生物体。

还可进一步包括：

C、进行报警的步骤：在探测到较大体积的活生物体时，发出报警处理。

其中，在a1，建立红外检测系统时，该2个红外元件均是采用双元红外元件，且二者的安装位置呈左右对称。

其中，所述的2个红外元件分别位于上方和下方。

其中，所述的2个红外元件采集接收探测范围在一定高度上具有重叠，从而具有一定体积和高度的活生物体可以在这个重叠的探测范围内被2个红外元件同时采集到信号。

本发明的被动式红外探测器及采用被动式红外探测器的探测方法具有较高的探测灵敏度和较低的误报率。

附图说明

图1是现有的被动式红外探测器的示意图。

图2是一实施例的被动式红外探测器的结构示意图。

图3是该实施例开启上壳体后的示意图。

图4是该实施例的电路板上安装设有红外元件的示意图。

图5是该实施例的菲涅尔透镜片的结构示意图。

图6是该实施例的电路原理图。

图7a是该实施例的第一红外元件输出信号波形图。

图7b是该实施例的第一信号调理电路模块输出信号波形图。

图8a是该实施例的第二红外元件输出信号波形图。

图8b是该实施例的第二信号调理电路模块输出信号波形图。

图9是该实施例的探测范围示意图。

图10是该实施例的主程序的流程图。

图11是该实施例的波形检测子程序的流程图。

图12是该实施例报警检测子程序的流程图。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

参阅图2和图3，一实施例的被动式红外探测器包括一壳体1和设置于壳体1内的电路板2，壳体1由上壳体11和下壳体12扣合而成，电路板2固定于下壳体12上，电路板2在朝向上壳体11的面上安装设有2个红外元件211、212，及电路板2具有信号调理电路和控制电路等，上壳体11上设有菲涅尔透镜片3。外界辐射的红外线能量通过菲涅尔透镜片3，进入至电路板2上的红外元件211、212，红外元件211、212采集接收后输出信号波形，由信号调理电路进行信号波形调理后送给控制电路进行后续处理，如检测判断、报警灯功能处理。电路板2上除必要的信号调理电路和控制电路外，还可额外具有电源电路、功能设定电路、通信电路等，以实现其他额外附加功能。本领域技术人员可以根据实际应用而进行电路的变化。

参阅图4，该电路板2上安装设有2个红外元件211、212分别是位于上方和下方。该第一、第二红外元件211、212均是双元红外元件，集成2个热释电红外线传感器A、B。但是红外元件211、212的安装位置则呈左右对称。具体是，下方的红外元件211的热释电红外线传感器A位于左边而热释电红外线传感器B位于右边，上方的红外元件212的热释电红外线传感器B位于左边而热释电红外线传感器A位于右边。实现这样位置安装可以通过如下简单的方式达到：现有的双元红外元件，如LHI878、RE200B、PD632、D203S等型号元件均是具有三根管脚的封装结构，在将红外元件211、212分别插入于电路板2的焊孔焊接时，只要二者对调管脚顺序插入即可，而左右对称的红外元件211、212的管脚与电路板2上电路的正确连接，则是通过线路布线设计来实现。

参阅图5所示，该菲涅尔透镜片3是在一片透光塑料片上制成具有上、下方的2套菲涅尔透镜纹路的第一光学功能区31和第二光学功能区32。上、下方的第一光学功能区31和第二光学功能区32的光学中心分别对应于安装后的电路板2上的第一红外元件211和第二红外元件212。实施例中的菲涅尔透镜片3是采用具有2个光学功能区的一片式镜片结构来实现，从而降低安装对位要求和降低成本。需要说明的是，在实际生产中，亦可采用2片如现有的被动式红外探测器中的仅具有一套菲涅尔透镜纹路的菲涅尔透镜片来实现，其中一片安装于上方、另一片安装于下方，二者的透镜光学中心同样必须与安装后的电路板2上的第一红外元件211和第二红外元件212对应。但这种实现方式需要2片菲涅尔透镜片分别对位，略为提高了安装难度。

参阅图6所示，该电路板2上主要包括：连接于第一红外元件211（实施例采用LHI878型号的红外元件U1）的第一信号调理电路模块21、连接于第二红外元件212（实施例采用LHI878型号的红外元件U4）的第二信号调理电路模块22和控制模块23，以及还额外包括跳线功能设定模块24。第一信号调理电路模块21和第二信号调理电路模块22的电路构成完全一样，以第一信号调理电路模块21为例进行说明。该第一信号调理电路模块21中，运放U2B组成的电路部分将第一红外元件211输出的正弦波信号转成脉冲波，运放U2C组成的电路部分进行信号放大，运放U3C、U3D组成的电路部分分别将正弦波信号的正、负半周输出，同时电路还具有带通过滤功能。该控制模块23是由EM78P156型号的单片机芯片U5组成的控制电路，该单片机芯片U5的端口P65还连接一报警灯光电路。该跳线功能设定模块24接于单片机芯片U5的端口P60，通过跳线帽来进行程序功能的切换跳转。上面仅以一个具体电路原理图来说明该实施例的电路板2的电路实现方式。实际应用中，还可以采用现有被动式红外探测器的已知的其他信号调理电路、控制电路来替代，电路还可以根据电功能的设计需要而加入其他电路模块。

另外，因为被动式红外探测器的探测的信号是生物体辐射的红外线能量与环境温度的辐射能量的差别。当环境温度上升到一定程度时，就需要补偿增益的变化，使得灵敏度不至于下降。因此，优选的，该第一、第二信号调理电路模块21、22还在运放U2C、U2A的输入端引入温控电阻RV1、RV2进行温度补偿，以保证探测的灵敏度。

下面结合波形图和探测器的探测范围示意图来对该实施例如何避免误报的工作原理进行详细说明。

该实施例上电进行探测时，当有自体红外辐射的活生物体进入探测范围内并发生位置移动时；例如当活生物体从左自右（或从右自左）水平移动时，经过菲涅尔透镜片3的“交替区”后先后被热释电红外线传感器A、B差异性接收；由于第一红外元件211和第二红外元件212的同一侧（左侧或右侧）是刚好相反的热释电红外线传感器A、B的位置设置，则第一红外元件211和第二红外元件212的接收情况正好相反。因此，第一红外元件211和第二红外元件212的输出波形则刚好呈上下对称情况，即第一红外元件211的波形正半周对应于第二红外元件212的波形负半周。参阅图7a、图7b及参阅图8a、图8b所示，第一红外元件211和第二红外元件212产生的正弦波信号刚好呈上下对称，经过第一信号调理电路模块21和第二信号调理电路模块22处理后的脉冲波信号也必然呈上下对称情况。

该实施例在进行探测时，如果是热空气气流、灯光、电器等产生的辐射能量被第一红外元件211和第二红外元件212接收后，因菲涅尔透镜片3不会对这些能量具有效果，因此，虽然第一红外元件211和第二红外元件212的热释电红外线传感器A、B的设置位置左右对称，但也不会产生差异性接收，因此接收的波形是相同的，不会出现上述的波形相反情况。因此，该实施例只要对分别连接于第一红外元件211和第二红外元件212的第一信号调理电路模块21和第二信号调理电路模块22的产生的脉冲波形的正、负交替情况进行检测分析（判断是否相反），就可以极大程度地避免热空气气流、灯光、电器等干扰因素引起的误报现象。

该实施例的进行探测时，因第一红外元件211和第二红外元件212前端的菲涅尔透镜片3的“交替区”的功能，可以初级过滤一些小体积的活生物体（如老鼠等小动物）的干扰（具体可以再参阅背景技术的说明）。参阅图9所示，由于该实施例的第一红外元件211和第二红外元件212是分别设置于上、下方的位置，红外元件211、212配合菲涅尔透镜片3的光学功能区31、32会具有一定的探测角度范围，则只要通过调整好红外元件211、212和菲涅尔透镜片3的安装角度及该实施例的被动式红外探测器安装高度，使二者具有一定高度的重叠的探测范围（填充网格线部分），则可以保证只有具有一定体积和高度的活生物体（如人体）可以在这个重叠的探测范围内被第一红外元件211和第二红外元件212同时采集到信号，从而具有实时的波形上、下对称的情况。而其他较低位置出现的小体积的活生物体（如老鼠、猫等）和较高位置出现的小体积的活生物体（如蝙蝠等）仅能被其他一个红外元件所探测采集到，必然不会出现2个上、下完全对称的波形。

由上述说明可知，该实施例的控制模块23只要对第一信号调理电路模块21和第二信号调理电路模块22输出的脉冲信号波形的正、负情况进行比对分析，只要检测出第一信号调理电路模块21和第二信号调理电路模块22输出的实时的脉冲信号波形正、负呈完全上、下对称，就表明探测到较大体积的活生物体（如人体）。这样，可以十分准确地判断是否探测到较大体积的活生物体（人体）。因此，只要根据电路中的不同控制电路的而编写出相应的程序来实现上述的比对分析过程即可。

下面结合图10-图12的程序流程图来进行说明该实施例的一种程序步骤的实现方式。在实际应用中，可以根据实际不同的硬件电路设计而编写出相应的程序步骤的实现方式，而不以此为限。

参阅图10所示，控制模块23上电后，程序开始，依次进行如下主程序流程：

步骤401：程序初始化；进入步骤402。

步骤402：上电等待100秒；进入步骤403。

步骤403：调用计时子程序（用以4ms时间执行一次主程序循环，同时作红外检测时间标示用）；进入步骤404。

步骤404：调用模式选择子程序（根据跳线功能设定模块24的跳线帽设置而跳转到不同的功能模式）；进入步骤405。

步骤405：调用红外通道Ⅰ（连接第一红外元件211的第一信号调理电路模块21的输出通道）的波形检测子程序；进入步骤406。

步骤406：调用红外通道Ⅱ（连接第二红外元件212的第二信号调理电路模块22的输出通道）的波形检测子程序；进入步骤407。

步骤407：调用报警检测子程序。

参阅图11所示，主程序的调用的步骤405和步骤406中调用的波形检测子程序依次进行如下流程：

步骤501：判断是否为红外正半周？如果否，进入步骤504；如果是，进入步骤502。

步骤502：判断红外正半周有效高电平是否大于40ms？如果否，进入步骤504；如果是，进入步骤503。

步骤503：置红外正半周有效标志位；进入步骤504。

步骤504：判断是否为红外负半周？如果否，进入步骤507；如果是，进入步骤505。

步骤505：判断红外负半周有效高电平是否大于40ms？如果否，进入步骤507；如果是，进入步骤506。

步骤506：置红外负半周有效标志位；进入步骤507。

步骤507：检测脉冲技术是否达到要求？如果否，进入步骤510；如果是，进入步骤508。

步骤508：检测是否超时？如果是，进入步骤510；如果否，进入步骤509。

步骤509：置红外有效标志位；进入步骤510。

步骤510：返回。

参阅图12所示，主程序的调用的步骤407中调用的报警检测子程序依次进行如下流程：

步骤601：检测红外通道Ⅰ是否置有红外有效标示位？如果否，进入步骤606；如果是，进入步骤602。

步骤602：检测红外通道Ⅱ是否置有红外有效标示位？如果否，进入步骤606；如果是，进入步骤603。

步骤603：检测红外通道Ⅰ和红外通道Ⅱ的第一位是否各置有红外正半周有效标志位和红外负半周有效标志位？如果否，进入步骤606；如果是，进入步骤604。

步骤604：检测红外通道Ⅰ和红外通道Ⅱ的第二位是否各置有红外正半周有效标志位和红外负半周有效标志位？如果否，进入步骤606；如果是，进入步骤605。

步骤605：报警；进入步骤606。

步骤606：返回。

另外，该实施例的被动式红外探测器还可以采用一些措施来增加性能。例如：（1）电路板2上的电子元器件采用表面贴片式元件（SMD）的方式来制作，表面贴片式元件没有插件元件的引脚线，因此没有相当于构成射频干扰（RFI）所必需的“天线”，从而使到探测器具有防射频干扰效果，避免无线设备引起的误报。（2）采用反射镜聚集红外能量，有效的聚集能量，提高被动式红外探测器的探测灵敏度。（3）红外元件211、212的元件外套设金属屏蔽罩，以提高抗电磁干扰的能力，避免电器的电磁干扰引起的误报。（4）在红外元件211、212的采集接收窗口的前端增设了选择滤光镜片，这个选择滤光片可通过光的波长范围为7~10μm，以正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由该选择滤光片予以过滤，从而只对人体辐射的红外线进行探测，以尽可能避免其他活生物体导致的误报。

因而，一种采用被动式红外探测器的探测方法，包括：

A,进行红外检测的步骤。具体是：

a1，建立红外检测系统：采用2个红外元件进行检测，且在该2个红外元件的采集接收前端设置1个菲涅尔透镜，以及采用电控制装置来对该2个红外元件的采集接收后输出信号进行处理。例如，可以建立如上述实施例，包括有上述的第一红外元件211和第二红外元件212、菲涅尔透镜片3、电路板2。

a2，对波形进行处理：将2个红外元件的输出信号进行处理成易于电控制装置进行检测的信号波形。例如，可以采用如上实施例，通过电路板2中的第一信号调理电路模块21和第二信号调理电路模块22来将第一红外元件211和第二红外元件212的输出的正弦波信号转成脉冲波，并进行放大、分路输出。

B,进行检测判断的步骤。具体是：电控制装置对检测的波形进行比对分析，如果2个红外元件的波形正、负呈完全上、下对称，就表明探测到较大体积的活生物体（如人体），其他情况则表明非探测到较大体积的活生物体（如人体）。例如，可以采用如上实施例，通过电路板2中的控制模块23及通过其扫写的程序（如图10-图12）来进行比对分析。

此外，还可进一步包括：

C、进行报警的步骤：在探测到较大体积的活生物体（如人体）时，发出报警处理。例如，可以采用如上实施例，通过电路板2中的单片机芯片U5直接驱动与其端口P65连接的报警灯光电路进行灯光报警。

其中，在a1，建立红外检测系统时，该2个红外元件均是采用双元红外元件，且二者的安装位置呈左右对称。

优选的，2个红外元件分别位于上方和下方。

更优的，2个红外元件采集接收探测范围在一定高度上具有重叠，从而具有一定体积和高度的活生物体可以在这个重叠的探测范围内被2个红外元件同时采集到信号。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (17)

1.一种被动式红外探测器，是在一电路板上设有2个红外元件、信号调理电路和控制电路，外界辐射的红外线能量通过一菲涅尔透镜片后，进入至该2个红外元件的采集接收端，信号调理电路将该2个红外元件的输出信号进行信号调理后输出至控制电路，该控制电路对信号波形进行检测分析。

2.根据权利要求1所述的被动式红外探测器，其特征在于：所述的2个红外元件均是双元红外元件，并且该2个双元红外元件的安装位置呈左右对称。

3.根据权利要求2所述的被动式红外探测器，其特征在于：所述的2个红外元件分别是位于上方和下方。

4.根据权利要求3所述的被动式红外探测器，其特征在于：所述的2个红外元件采集接收探测范围在一定高度上具有重叠，从而具有一定体积和高度的活生物体可以在这个重叠的探测范围内被2个红外元件同时采集到信号。

5.根据权利要求1或2或3所述的被动式红外探测器，其特征在于：所述的菲涅尔透镜片是具有2套菲涅尔透镜纹路。

6.根据权利要求1或2或3所述的被动式红外探测器，其特征在于：所述的信号调理电路将红外元件输出的正弦波信号转成脉冲波信号，并进行放大处理。

7.根据权利要求1或2或3所述的被动式红外探测器，其特征在于：所述的控制电路对信号波形的检测分析是：判断信号波形正、负是否完全上、下对称。

8.根据权利要求7所述的被动式红外探测器，其特征在于：所述的控制电路在检测到信号波形正、负完全上、下对称后，进行报警处理。

9.根据权利要求1所述的被动式红外探测器，其特征在于：所述的电路板上的电子元器件采用表面贴片式元件的方式来制作。

10.根据权利要求1所述的被动式红外探测器，其特征在于：所述的被动式红外探测器采用反射镜聚集红外线能量。

11.根据权利要求1或2或3所述的被动式红外探测器，其特征在于：所述的红外元件外套设金属屏蔽罩。

12.根据权利要求1或2或3所述的被动式红外探测器，其特征在于：在所述的红外元件的采集接收窗口的前端增设了选择滤光镜片。

13.一种采用被动式红外探测器的探测方法，包括：

A,进行红外检测的步骤；具体是：

a1，建立红外检测系统：采用2个红外元件进行检测，且在该2个红外元件的采集接收前端设置1个菲涅尔透镜，以及采用电控制装置来对该2个红外元件的采集接收后输出信号进行处理；

a2，对波形进行处理：将2个红外元件的输出信号进行处理成易于电控制装置进行检测的信号波形；

B,进行检测判断的步骤；具体是：电控制装置对检测的波形进行比对分析，如果2个红外元件的波形正、负呈完全上、下对称，就表明探测到较大体积的活生物体，其他情况则表明非探测到较大体积的活生物体。

14.根据权利要求13所述的采用被动式红外探测器的探测方法，其特征在于：

还可进一步包括：

C、进行报警的步骤：在探测到较大体积的活生物体时，发出报警处理。

15.根据权利要求13或14所述的采用被动式红外探测器的探测方法，其特征在于：在a1，建立红外检测系统时，该2个红外元件均是采用双元红外元件，且二者的安装位置呈左右对称。

16.根据权利要求15所述的采用被动式红外探测器的探测方法，其特征在于：所述的2个红外元件分别位于上方和下方。

17.根据权利要求16所述的采用被动式红外探测器的探测方法，其特征在于：所述的2个红外元件采集接收探测范围在一定高度上具有重叠，从而具有一定体积和高度的活生物体可以在这个重叠的探测范围内被2个红外元件同时采集到信号。

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