[科普中国]-探测器

简介

探测器是报警系统中最关键的组成部分，是整个报警系统的前端部件，如同是整个系统的“眼睛”，对报警系统起着非常重要的作用，直接决定着防盗报警系统的灵敏性和稳定性。探测器由传感器和信号处理组成，而传感器又是探测器的核心元件。采用不同原理的传感器件，可以构成不同种类、不同用途，达到不同探测目的的报警探测装置。

目前，市面上的探测器有无线和有线之分，这是按照安装方式不同的最直观的分类。按照使用环境的不同，又分为室内和室外两大类。每一类里又有小的分类， 比如说主动红外、被动红外、微波、双鉴式、三鉴式、幕帘式等等，分类的细化，足以证明探测器产品线的丰富多彩和市场需求的层出不穷。在实际应用中，根据使用情况不同，合理选择不同防范类型的探测器，才能满足各种不同的要求。

市面上的探测器产品种类繁多，应用的技术也相当多样，但红外技术(包括主动与被动红外)可以说是市面上的主流。此外，在红外技术基础上加微波技术的双鉴探测技术也是一种。因此，目前单红外与双鉴的探测器产品仍是独占市场的鳌头。1

红外(PIR)技术红外技术（PIR）是信息获取的主要手段之一, 红外系统的核心是红外探测器。由于应用的迫切需求, 红外探测器的发展非常迅速, 20世纪后半叶, 单元、多元线列和小规模面阵器件技术已经成熟, 广泛应用于军、民各个领域;进入90年代以来, 已经由分立型器件发展为集成化的焦平面阵列, 器件性能极大提高, 促进了整机和应用技术的发展。

分立器件与焦平面阵列分立型红外探测器, 是指器件单独封装实现光电转换功能, 每个探测器元单独输出信号, 再与前放等信号处理电路相连, 每个器件都形成一个单独的通道, 其结构如图所示。

红外焦平面阵列(IRFPA)是指大规模M ×N(元)面阵型或4N或6N(元)型探测器芯片与信号处理电路芯片集成互连耦合后, 共同封装在一个外壳中, 在焦平面上实现光电转换和信号处理, 将各元件的光电信号多路传输至一条或几条输出线, 以行转移或帧转移的视频信号的形式输出, 探测器结构大大简化, 包括电源线、驱动电路和信号输出等全部引出线大约只需40条。

与分立型器件相比, 红外焦平面阵列的元数可以提高几个数量级, 扩展到材料和工艺技术允许的规模。红外焦平面阵列从结构、制造、检测到性能都发生了质的变化, 是新一代红外探测器。2

热探测器与非制冷焦平面阵列热型探测器接收红外辐射后, 辐射能引起灵敏元温度变化而产生信号, 对不同波长辐射能量的响应是相同的, 即对波长无选择性, 在室温工作, 常用有热电偶、热电堆、热敏电阻、热电探测器等, 与光子型探测器相比, 其灵敏度低、响应时间偏长。通常认为响应时间比较快的热电探测器,其响应时间也在毫秒量级, 探测率为108 量级。因此分立式热型器件无法用于扫描成像, 只有热电摄像管可以成像应用。非制冷红外焦平面阵列的出现, 改变了这种状况, 使热型探测器可以用于凝视成像。

长期以来, 人们一直探索在不制冷条件下工作的IRFPA。以热型探测器为基础发展而来的非制冷焦平面阵列, 由于其结构简单、使用方便而受到重视。面阵凝视焦平面阵列用于红外成像时, 不需光机扫描, 在一帧时间内器件对景物辐射积分, 然后以电扫描的方式, 从各元件取出信号, 由于电采样时间可以很短, 整个帧时间几乎都是探测器的响应时间(积分时间), 可达几十毫秒, 可以有效地利用积分时间长的优势, 使信号增强, 在此时间内还可多次采样。而M ×N元凝视成像使器件信噪比大为提高理论上信噪比可以提高(M ×N)1 /2 , 这就给原来性能较低、响应较慢的热探测器提供了可以做成凝视焦平面阵列用于成像在一般场合应用的可能。用可以和电视兼容的每秒25 帧成像为例, 每帧时间为40ms, 对于时间常数为毫秒级的热型探测器来说,凝视成像要求的时间常数已不成问题。

非制冷红外焦平面阵列目前已达640 ×480 元, 应用最多的是160 ×120元、320 ×240元器件。其功能材料主要有:测辐射热计型的无定型硅(a - S i)、氧化钒(VOx)和热电型的锆钛酸铅(PZT)、钛酸锶钡(BST)、钽酸钪铅(PST)等。目前非制冷焦平面热像仪的NETD可达0. 1℃, 能满足一般工业需要和部分中低端军用需要。22

光子探测器及其焦平面阵列红外光子探测器一般由半导体材料制成, 光子直接激发光敏材料的束缚电子成导电电子, 满足一定能量的光子才能产生激发作用, 因此光敏材料的禁带宽度或杂质能级决定了其响应波长, 称响应对波长有选择性。针对应用最广的三个大气透过窗口, 发展了1 ～ 3μm的短波红外(SWIR)、3 ～ 5μm的中波红外(MWIR)和8 ～ 14μm 的长波红外(LWIR)探测器。光子探测器灵敏度高, 响应快, 但大多在低温工作, 需要制冷。

焦平面阵列是新型红外器件, 有些分立式探测器(如光导型探测器)不适宜焦平面结构;而另一些器件, 作为分立型器件使用时, 性能无优势, 基本不用, 但由于其材料均匀性好、便于大规模集成和便于与硅信号处理电路集成而出现在焦平面的行列中。2

微波(MAST)技术微波探测的原理是探测器持续发射微波，并接收反射回的微波信号。当探测区内的目标移动时，原发射信接号与反射的信号之间会有频率差异，通常称为多普勒效应。微波探测器用于探测移动物体，根据频率改变的大小来生成相应强度的探测信号。一般而言，探测信号的强弱取决于目标的大小以及与探测器的距离。目标越大，距离越短，生成的探测信号就越强。如果有物体在探测区内移动，例如荧光灯和水管内流动的水，都有可能引起误报。但如果在安装时根据具体环境设置灵敏度， 则可以避免误报。微波灵敏度与目标移动的速度也紧密相关，当目标缓慢移动时，微波传感设备生成低频信号；当目标快速移动时，则生成高频信号。

目前使用微波技术的探测器也非常之多。但单用微波技术来做探测器的却没有几家，大都是采用和红外技术相结合的使用方式。将PIR与MAST技术相结合，并且仅在两个系统都同时探测到目标时才生成警报。PIR探测器与MAST测器分别具有不同的物理特性。PIR探测器通过监视PIR能量水平的变化来探测目标， 而MAST测器通过监视发射的微波信号与接收到的微波信号之间的频率差异来探测目标。二者的有机结合，更好的提升了探测性的稳定性，减少了误报、漏报。

新技术应用与发展方向早在2005年，豪恩安全就率先推出了三鉴式探测器，由此掀开了有线探测器多种探测方式的序幕。随着技术的不断成熟，红外、微波等多种技术的结合使用已经不是很困难的事情，而随着人们对安全要求的日渐提高，对有线探测器误报、漏报要求的提升，探测感应技术也在不断变化和发展着。在第十一届安博会上，Bosch推出了集合长距离被动红外感应单元、中短距离被动红外感应单元、反光抑制单元、温度补偿单元、微波探测单元5个内部传感器技术的探测器，从而做出最为精确的报警决策。由此掀开了探测器多种传感技术结合使用的新篇章。作为行业巨头的Bosch，多年来一直引领着市场的发展，在报警市场中有着举足轻的作用。由此我们可以看出，探测器技术正在寻找新的突破。

多普勒效应+能量分析技术、自动全方位立体温度补偿功能、脉冲计数功能、抗白光功能、人工智能技术、多种探测模式技术、双重感光屏蔽技术、数字技术等等也相继应用到探测器技术中来。从而对探测器产品性能稳定，产品质量提高和产品不断突破发展起到了推进作用。

智能化将会成为探测器的一个发展趋势。但短时间内还不能彻底实现，如何解决探测器对周围环境如温度、湿度、刮风、打雷等变化做出一个合适的调节以减小误报率，它不仅需要前端探测器传感技术的更新，更需要在后端主机系统对报警系统误差做分析的基础上进行技术革新，这将是厂家在探测器技术发展方面所要追寻的方向。

另外，探测器集成性的特性也越来越突出。如探测器与摄像机、应急灯联动，与火灾和烟雾报警器集成等等。一旦入侵者进入到被监控区域，探测器就会联动起应急灯，发出音响警告，并启动摄像机进行摄像，并将报警和摄像信息传输到远程报警中心。1