關(guān)于PIR豎放時(shí)的感知規(guī)律和應(yīng)用的探索

趙俊江,張會(huì)新*,盧 云

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

關(guān)于PIR豎放時(shí)的感知規(guī)律和應(yīng)用的探索

趙俊江1,2,張會(huì)新1,2*,盧 云1,2

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

在探索PIR傳感器基本探測(cè)規(guī)律實(shí)驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)PIR豎直放置時(shí),其對(duì)目標(biāo)的感應(yīng)波形變化與最初我們推測(cè)與水平放置感知規(guī)律一致的想法不同,因此針對(duì)其豎直放置的情況通過改變不同目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡做了全面而具體的實(shí)驗(yàn),最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了我們當(dāng)時(shí)的發(fā)現(xiàn)。這個(gè)發(fā)現(xiàn)不僅讓我們對(duì)PIR的性質(zhì)有了更深層次的認(rèn)識(shí)和了解,而且該性質(zhì)拓寬了PIR的應(yīng)用領(lǐng)域,對(duì)PIR應(yīng)用普及有非常高的利用價(jià)值。

傳感器原理;豎放感知規(guī)律;實(shí)驗(yàn)規(guī)律提取;雙元熱釋電紅外傳感器;原理應(yīng)用

熱釋電紅外傳感器是一種被動(dòng)式傳感器,靠接收人體輻射的紅外線進(jìn)行檢測(cè),并以電壓信號(hào)的形式表示出來。目前熱釋電紅外傳感器多用于各種自動(dòng)化控制、防盜報(bào)警、來客告知及非接觸開關(guān)等紅外領(lǐng)域。雙元熱釋電紅外傳感器可用于檢測(cè)周圍環(huán)境中的紅外輻射信號(hào),并且具有體積小、成本低、功耗低和靈敏度高等特點(diǎn),作為價(jià)格昂貴的圖像及熱成像紅外設(shè)備的替代品,廉價(jià)又可以靈活搭建的分布式紅外傳感器網(wǎng)絡(luò),已經(jīng)開始被用來取代視頻跟蹤。

經(jīng)過相關(guān)資料的查詢可知,雙元熱釋電紅外傳感器都是用于傳統(tǒng)水平放置的探測(cè)環(huán)境下,同時(shí)查閱文獻(xiàn)也未曾發(fā)現(xiàn)有豎直放置使用的情況。因此對(duì)雙元熱釋電紅外傳感器豎直放置波形規(guī)律的探索是非常有意義的。PIR傳感器水平放置使用時(shí)的探測(cè)規(guī)律是:由于PIR與光學(xué)透鏡配合使用的情況,PIR感知范圍是有一定夾角的感知面,目標(biāo)水平運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)于傳感器水平軸線的豎直距離越短,傳感器探測(cè)到的波形幅值越大,當(dāng)熱源的運(yùn)動(dòng)軌跡與傳感器軸線水平對(duì)齊時(shí)波形幅值達(dá)到最大;相反,目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡和傳感器水平軸線之間的豎直距離越遠(yuǎn),波形幅值越小;不論目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡位于PIR水平軸線豎直方向的上端還是下端,感知波形的方向性(波形先正后負(fù)或者先負(fù)后正,即類正弦波和類反向正弦波,下文所說波形的方向性如同此解釋)都不變;對(duì)于雙元熱釋電傳感器來說,由于兩敏感元接入電路的方向正好相反,其感應(yīng)到紅外信號(hào)后產(chǎn)生的電壓正好一正一負(fù),所以當(dāng)PIR水平使用時(shí),目標(biāo)不同的水平運(yùn)動(dòng)方向,會(huì)產(chǎn)生兩種不同的波形形狀——類正弦波和類反向正弦波,即對(duì)于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向的不同,傳感器采集的電壓信號(hào)具有方向性。因此可以通過觀察波形方向來判斷目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向。前期因?yàn)橛兴椒胖肞IR探測(cè)實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn),所以一直推測(cè)豎放會(huì)和水平放置產(chǎn)生的探測(cè)規(guī)律一樣。但經(jīng)過詳細(xì)、完整實(shí)驗(yàn)證明,雙元熱釋電紅外傳感器豎直放置時(shí)對(duì)目標(biāo)感知波形變化規(guī)律與其水平放置使用時(shí)的探測(cè)規(guī)律不同,這對(duì)深入了解PIR的各項(xiàng)性質(zhì)有很大幫助,并且拓寬了PIR的應(yīng)用環(huán)境和領(lǐng)域。

1 PIR內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 PIR內(nèi)部結(jié)構(gòu)

如圖1是一個(gè)雙元熱釋電紅外傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖,對(duì)外共接3個(gè)接線端,使用時(shí)D端接電源正極,G端接電源負(fù)極,S端接信號(hào)輸出。該傳感器內(nèi)部串聯(lián)著兩個(gè)極性相反、特性一致的探測(cè)元,其目的是為了消除因環(huán)境和自身變化產(chǎn)生的干擾。

圖1 雙元熱釋電紅外傳感器的實(shí)物圖

1.2 PIR工作原理

當(dāng)外部紅外信號(hào)輻射至傳感器,通過光學(xué)透鏡將其聚焦后作用于兩個(gè)敏感單元,從而產(chǎn)生電信號(hào)。其中場(chǎng)效應(yīng)管起到阻抗變換的作用。殼體上的濾光片主要實(shí)現(xiàn)阻止其他波段紅外輻射通過,并使探測(cè)的紅外波段輻射順利通過。

圖2 雙元熱釋電紅外傳感器的電路圖

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)的硬件搭建

運(yùn)動(dòng)目標(biāo)模擬端(即標(biāo)準(zhǔn)熱源搭建如圖3):包括70W燈泡(與人體輻射出的紅外波相當(dāng))、導(dǎo)軌(機(jī)械手)、導(dǎo)軌控制器、導(dǎo)軌控制端(筆記本電腦)。

通過對(duì)控制端(筆記本電腦)輸入特定參數(shù),將標(biāo)準(zhǔn)熱源速度設(shè)置為1.1 m/s(人的正常步速),并可通過控制端控制其運(yùn)動(dòng)或停止。由于熱源和導(dǎo)軌都是不變的,因此可以近似看成目標(biāo)及其速度一定,這樣可以在實(shí)驗(yàn)中更好的利用控制變量法,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。

信號(hào)波形采集端(如圖4):包括帶有光學(xué)透鏡的雙元熱釋電紅外傳感器、信號(hào)處理電路(濾波、放大功能)、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)字電源、數(shù)據(jù)顯示及存儲(chǔ)端(筆記本電腦)。

圖3 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)模擬端

圖4 信號(hào)波形采集端

通過數(shù)字電源給信號(hào)處理電路板供電,并將信號(hào)處理電路板的輸出端連接到數(shù)據(jù)采集卡,然后將數(shù)據(jù)采集卡的輸出線與數(shù)據(jù)顯示及存儲(chǔ)端(筆記本電腦)進(jìn)行連接。數(shù)據(jù)采集過程是:通過PIR進(jìn)行紅外信號(hào)采集并產(chǎn)生相應(yīng)電信號(hào),然后通過電路板對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行放大和濾波,最后通過數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)字信號(hào),并將數(shù)據(jù)波形顯示到電腦屏幕。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置整體示意圖

2.2 具體實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)1 將雙元熱釋電紅外傳感器豎直放置,在距其8 m處放置運(yùn)動(dòng)目標(biāo)模擬裝置,其中導(dǎo)軌即標(biāo)準(zhǔn)熱源的運(yùn)動(dòng)軌跡要與PIR感知光軸垂直放置,并將標(biāo)準(zhǔn)熱源調(diào)整到與傳感器相同高度,然后通過導(dǎo)軌控制端啟動(dòng)導(dǎo)軌控制器,使標(biāo)準(zhǔn)熱源以1.1 m/s的速度勻速運(yùn)動(dòng)。并以每0.3°為標(biāo)準(zhǔn),逐漸改變傳感器感知光軸與水平面夾角(如圖5所示),使夾角從-1.5°到1.5°依次變化,同時(shí)使標(biāo)準(zhǔn)熱源沿軌道走一個(gè)來回(即正向及反向各走一次),然后分別觀察信號(hào)采集端的波形變化,并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)2 將豎放的PIR沿中心線旋轉(zhuǎn)180°,即將傳感器上下對(duì)調(diào),其他實(shí)驗(yàn)步驟與實(shí)驗(yàn)1完全一致。

2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

2.3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 實(shí)驗(yàn)2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.3.2 數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)1 夾角從-1.5°變化到-0.9°過程中感知波形幅值逐漸增大,到-0.9°時(shí)幅值最大,最大幅值為2.85 V左右,并且不管目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向是正向還是反向,波形形狀一直是類正弦波;夾角在-0.9°到0°的變化過程中感知波形幅值逐漸減小,到0°時(shí)波形幅值最小,幾乎為零,并且不管目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向是正向還是反向,波形形狀一直是類正弦波;夾角從0°變化到0.9°過程中感知波形幅值逐漸增大,到9°時(shí)幅值最大,最大幅值為2.8 V左右,并且不管目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向是正向還是反向,波形形狀一直是類反向正弦波;夾角從0.9°變化到1.5°過程中感知波形幅值逐漸減小,到1.5°時(shí)波形幅值最小,最小幅值為1 V左右,并且不管目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向是正向還是反向,波形形狀一直是類反向正弦波。

實(shí)驗(yàn)2 夾角從-1.5°變化到-0.9°過程中感知波形幅值逐漸增大,到-0.9°時(shí)幅值最大,最大幅值為2.85 V左右,并且不管目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向是正向還是反向,波形形狀一直是類反向正弦波;夾角在-0.9°到0°的變化過程中感知波形幅值逐漸減小,到0°時(shí)波形幅值最小,幾乎為零,并且不管目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向是正向還是反向,波形形狀一直是類反向正弦波;夾角從0°變化到0.9°過程中感知波形幅值逐漸增大,到9°時(shí)幅值最大,最大幅值為2.8 V左右,并且不管目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向是正向還是反向,波形形狀一直是類正弦波;夾角從0.9°變化到1.5°過程中感知波形幅值逐漸減小,到1.5°時(shí)波形幅值最小,最小幅值為1 V左右,并且不管目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向是正向還是反向,波形形狀一直是類正弦波。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知:雙元熱釋電紅外傳感器豎直放置使用與水平放置使用時(shí)采集到的波形變化相比,相同點(diǎn)是:產(chǎn)生的波形形狀相同,依然是類正弦波或類反向正弦波;同時(shí)隨著標(biāo)準(zhǔn)熱源運(yùn)動(dòng)軌跡的不同,采集到信號(hào)波形的幅值也同樣會(huì)產(chǎn)生變化。不同點(diǎn)是:波形幅值的變化規(guī)律不同,豎放時(shí),隨著角度從-1.5°到1.5°的變化過程中,采集到波形幅值的變化情況是:先變大,后變小,再變大,最后再變小,在這個(gè)變化過程中,幅值最大的兩個(gè)位置對(duì)應(yīng)角度分別是-0.9°和0.9°,最大幅值都為2.8 V左右;幅值最小的位置對(duì)應(yīng)角度是0°,最小幅值近似為0 V;同時(shí)波形的方向性也不同,水平放置時(shí),其方向性體現(xiàn)在目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向上,即目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向的正向和反向不同,波形會(huì)呈現(xiàn)出不同的波形形狀,即類正弦波和類反向正弦波;而豎直放置時(shí),波形形狀的不同不會(huì)由運(yùn)動(dòng)方向的正負(fù)而體現(xiàn),而是由運(yùn)動(dòng)軌跡經(jīng)過傳感器的正、負(fù)敏感區(qū)而體現(xiàn)。

3 應(yīng)用

關(guān)于雙元熱釋電紅外傳感器豎直放置使用探測(cè)規(guī)律的相關(guān)研究非常少,因此此次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的波形感知規(guī)律對(duì)拓寬PIR的應(yīng)用領(lǐng)域奠定了非常重要的基礎(chǔ),并對(duì)拓寬其應(yīng)用范圍也起到非常重要的作用。

3.1 爬坡/下坡環(huán)境中的應(yīng)用

當(dāng)PIR安裝在移動(dòng)平臺(tái)上時(shí),移動(dòng)平臺(tái)在處于爬坡/下坡地形中,對(duì)水平目標(biāo)的觀測(cè)就需利用PIR豎直放置時(shí)的探測(cè)規(guī)律。

利用PIR豎直放置時(shí)感知原理中波形具有方向性及幅值變化原理,我們能很好的推測(cè)出目標(biāo)與PIR感知光軸的相對(duì)偏差。

3.2 檢測(cè)傳感器左右安裝軸的水平性

首先將雙元熱釋電紅外傳感器豎直放置,將標(biāo)準(zhǔn)熱源高度調(diào)整到與PIR的理論軸線相水平,然后通過調(diào)整PIR傳感器與水平面夾角,找到兩個(gè)最大幅值位置中間并其幅值趨于0的位置(即幅值最小的位置),觀察傳感器與水平面夾角,因此可得出傳感器左右安裝軸的水平偏差。

4 結(jié)論

經(jīng)試驗(yàn)證明,雙元熱釋電紅外傳感器豎直放置與水平放置使用時(shí)感知波形的規(guī)律不同,當(dāng)豎直放置時(shí),隨著傳感器與水平軸線夾角的變化,感知波形幅值的變化過程分為4個(gè)階段,先增大,再減小,然后增大,最后再減小。同時(shí)波形的方向性,不再像水平放置時(shí)與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向有關(guān),而是與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)在哪個(gè)探測(cè)敏感區(qū)相關(guān)。通過此次實(shí)驗(yàn),首次驗(yàn)證雙元熱釋電紅外傳感器豎直放置使用時(shí)的感知探測(cè)規(guī)律,并且該發(fā)現(xiàn)也可應(yīng)用在爬坡/下坡以及驗(yàn)證傳感器左右感知光軸的水平性等特殊環(huán)境下,具有很大的應(yīng)用價(jià)值,也為繼續(xù)深入研究雙元熱釋電紅外傳感器的工作原理和各項(xiàng)性質(zhì)做了很好的鋪墊。

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Exploration on PIR Perceptual Rules and Applications Used Upright

ZHAOJunjiang1,2,ZHANGHuixin1,2*,LUYun1,2

(1.North University of China National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,Taiyuan 030051,China;2.North University of China Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement,Taiyuan 030051,China)

On the experiment of exploring the detecting basic law on PIR sensor,we find,when PIR is upright,we believe that induction waveform changes is consistent with the laws of perception placed the level of the target,but the fact that our initial guess is different.Therefore,for the case of its upright position by changing the different target trajectories,we do a comprehensive and specific experiments.Finally,experimental results confirm our findings at that time.This discovery will not only allow us to have a deeper awareness and understanding of the PIR nature,but also broaden the application field of PIR. This will have a very high value for PIR universal application.

fundamentals of sensors;upright perception;the experiment rule extraction;the dual pyroelectric infrared sensor;perceptual rule application

2016-03-09 修改日期:2016-04-18

C:7230

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.02.046

TN219

A

1005-9490(2017)02-0495-05