1 入侵報警探測器
入侵報警探測器用來探測入侵者的入侵行為。需要防范入侵的地方可以是某些特定的部位，如門、窗、柜臺、展覽廳的展柜；或是條線，如邊防線、警戒線、邊界線；有時要求防范范圍是個面，如倉庫、重要建筑物的周界圍網（鐵絲網或圍本墻）；有時又要求防范的是個空間，如檔案室、資料室、武器室、珍貴物品的展廳等，它不允許入侵者進入其空間的任何地方。因此入侵報警系統(tǒng)在設計時就應根據被防范場所的不同地理特征、外部環(huán)境及警戒要求選用合適的探測器以達到安全防范的目的。
入侵探測器應有防拆、防破壞等保護功能。當入侵者企圖拆開外殼或信號傳輸線斷路、短路或接其它負載時，探測器應能發(fā)出報警信號。
入侵探測器還要有較強的抗干擾能力。在探測范圍內，任何小動物或長150mm、直徑為30 mm具有與小動物類似的紅外幅射特性的圓筒大小物體都不應使探測器產生報警；探測器對于與射束軸線成15°或更大一點的任何界外光源的幅射干擾信號應不產生誤報；探測器應能承受常溫氣流和電鈴的干擾；應能承受電火花的干擾。
2.傳感器
傳感器是入侵探測器的核心，它是一種物理量轉換器件，可以將入侵時所產生的力、壓力、位移、振動、溫度、聲音、光強等物理量轉化為易于處理的電信號和電參量，如電壓、電流、電阻、電容等。這種轉換是按照一定的規(guī)律進行的。被探測的信號我們稱之為輸入信號x，轉換后的電信號稱之為輸出信號y，那么有y=f（x），f稱之為轉換函數。轉換函數則反映了一定的轉換規(guī)律。對傳感器來說輸入信號除了被探測的入侵行為所產生的物理信號外，還包括有干擾所產生的氣壓、溫度、振動、噪聲等干擾信號，因此實際上轉換函數應是一多元函數，但好的傳感器會使干擾對輸出的影響被忽略。
傳感器的輸出電信號有兩種，一種是連續(xù)變化的信號，我們稱之為模擬量。如光電二極管輸出的電流隨光照強度大小而變化就是一種連續(xù)變化的物理量。但報警控制器通常只接收入侵行為是否發(fā)生的有無信號來決定相應的防范措施。這就需要將連續(xù)變化的模擬信號轉換成只有“有”和“無”兩種狀態(tài)的數字量，通常用“1”表示“有”，用“0”表示“無”。這種轉換可以在探測器中完成，也可以在報警控制器中完成。通常是將傳感器探測到的模擬信號與一予先確定的基準信號相比較，小于基準信號可認為該信號為干擾引入而非入侵信號，判定為“0”，超過基準值時的信號則只能在入侵行為發(fā)生時產生，判定為“1”。
也有少數的傳感器產生并輸出的信號只有兩種狀態(tài)，如干簧繼電器的“通”與“斷”，已經是數字信號而不需轉換和比較，可直接被控制器接收。
1．開關傳感器
開關傳感器是一種簡單、可靠的傳感器，也是一種zui廉價的傳感器，廣泛應用于安防技術中。它可以將壓力、磁場或位移等在入侵行為發(fā)生時所產生的物理量轉化為傳感器內部電路的“開”和“關”兩種電信號。
（1） 微動開關、簧片型接觸開關
開關在壓力的作用下接通，從而發(fā)出報警信號；在無壓力作用時是斷開的；或者反過來工作。此類開關通常用在某些點探測器中，用以監(jiān)視門、窗、柜臺等特殊部位。
（2） 舌簧繼電器
舌簧繼電器又稱干簧繼電器，是一種將磁場力轉化為電信號的傳感器，其結構如圖2-2。
圖2-2 干簧繼電器的構造
干簧管的干簧觸點常做成常開、常閉或轉換三種不同形式。開關簧片通常燒結在與簧片熱膨脹系數相近的玻璃管上，管內充有氮氣或惰性氣體以避免觸點被氧化和腐蝕，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，具有很好的導磁性能，與線圈或磁塊配合，構成了干簧繼電器狀態(tài)的變換控制器，簧片上的觸點鍍金、銀、銠等貴金屬，以保證通斷能力。常開舌簧繼電器的兩個簧片在外磁場作用下其自由端產生的磁極極性正好相反，二觸點相互吸合，外磁場不作用時觸點是斷開的，故稱常開式舌簧繼電器。常閉舌簧管的結構正好與常開式相反，是無磁場作用時吸合，有磁場作用時斷開。轉換式舌簧繼電器有常開、常閉兩對觸點，在外磁場作用下狀態(tài)發(fā)生轉換。
使用時通常把磁鐵安裝在被防范物體（如門、窗等）的活動部位（門扇、窗扇），干簧管安裝在固定部位（門框、窗框），如圖2-3所示。
圖2-3 安裝在門窗上的磁控開關
磁鐵與舌簧管的位置要調整適當，以保征門窗關閉時磁鐵與干簧管接近而干簧管觸點動作，當門窗打開時干簧管觸點復位而產生報警信號。
（3） 易斷金屬導線
易斷金屬線是一種用導電性能好的金屬材料制成的機械強度不高、容易斷裂的導線，用它作為傳感器時，可將其捆繞在門、窗把手或被保護的物體上，當門、窗被強行打開或物體被意外移動時金屬線斷裂，使與其連通的電路斷路而發(fā)出報警信號。易斷金屬導線可以是0.1mm～0.5mm的漆包線,也可以采用一種導電膠粘帶。易斷金屬導線具有結構簡單、價格低廉的優(yōu)點，缺點是不便于偽裝且沒有自恢復功能。
（4） 壓力墊
壓力墊也可以作為開關報警探測器的一種傳感器。壓力墊通常放在防范區(qū)域的地毯下面，如圖2-4所示。將兩長條形金屬帶平行相對地分別放在地毯背面和地板之間，兩條金屬帶之間有幾個位置使用絕緣材料支撐，使兩條金屬帶互不接觸，此時相當與傳感器開關斷開，當入侵者進入防范區(qū)域時，踩踏地毯而使相應部位受力凹陷，兩條金屬帶接觸，此時相當于傳感器開關閉合而發(fā)出報警信號。
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換為相應的電量變化，經過放大成為電信號。某些晶體材料，當某方向受到外力作用時，其內部就會產生極化現(xiàn)象，在某方向兩個表面上產生正負電荷，當作用力改變時，電荷的大小和極性隨之改變，晶體所產生的電荷量大小和極性隨之改變，晶體所產生的電荷量大小與外力的大小成正比，這種現(xiàn)象稱正壓電效應。反之某些晶體加一交變電場，晶體將產生機械變形，這種現(xiàn)象稱逆壓電效應。圖2-5為壓電效應原理示意圖。
圖2-5 壓電效應原理示意圖
具有壓電效應的晶體材料我們稱之為壓電材料。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的一種常用多晶壓電材料，壓電陶瓷燒結方便，容易成形，強度高，而且壓/電轉換的系數大，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。
壓電陶瓷材料燒結后，zui初并不具有壓力特性。這種陶瓷材料內部有許多無序排列的“電疇”，這些“電疇”在一定外界溫度下，接受一強化電場的作用，使其按外電場的方向整齊排列，這就是極化過程。極化后的陶瓷材料在撤去外電場后，其內部電疇的排列不變，具有很強的極化排列，這時陶瓷材料才具有壓電性。
壓電陶瓷材料通常做成長方體。當某一方向上的對應兩面受到外力作用時，在壓電陶瓷的這兩面上就會出現(xiàn)電荷堆積，電量的大小與受力的大小成正比。此時壓電陶瓷相當于一個靜電發(fā)生器，或是一個以壓電材料為介質的電容器，電容量的大小為
C=ε?ε0?A/δ
式中，
ε0 —— 真空介電常數（8.85×10-12 F/m）;
ε —— 壓電材料相對介電常數；
A —— 受力極板面積；
δ —— 壓電材料厚度。
而電容兩端的開路電壓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，因此感應出的U也很小。為了能檢測出U的變化，要求壓電陶瓷本身有相應的阻抗，同時前端放大器也應有*的輸入阻抗，通常探測器的前端放大器用場效應管來擔當。由于輸入阻抗過高，很容易竄入干擾信號，為此前端放大器應直接接在傳感器的輸出端，信號經放大后輸出一個高電平、低阻抗的探測電信號。
有機壓電材料是新近研究開發(fā)出來的新型壓電材料，如聚氯乙烯、聚二氟乙烯等，它具有柔軟、不易破碎的特點。
半導體壓力傳感器是利用硅結晶的壓電電阻效應以及二極管、晶體管的電流、電壓特性制成的元件。當硅半導體材料受到外力作用時，晶體處于扭曲狀態(tài)，由于載流子遷移率的變化而導致晶體阻抗變化的現(xiàn)象稱之為壓電電阻效應。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
ρ——電阻率
σ——應力
G ——比例因子
半導體壓力傳感器的比例因子G高達200，G越高，靈敏度越高。
圖2-6所示為半導體壓力傳感器結構。當硅膜片受壓時，擴散電阻值發(fā)生變化，將R1、R2、R3、R4接成橋路，如圖2-7所示。
圖2-6 半導體壓力傳感器結構
圖2-7 壓力傳感器輸入輸出橋
圖2-8為半導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
用來檢測壓力的傳感器還有靜電容式壓力傳感器和硅振動式壓力傳感器。靜電容式壓力傳感器是將壓力膜微小的位置變化轉換成靜電容變化的傳感器。硅振動式壓力傳感器是用微加工方法將膜片加工成長50?m、寬20?m～30?m、厚5?m的硅振子膜片，當膜片受到壓力時，則把壓力轉換為張力，使膜片產生振動。但為使振子不直接與測量膜片接觸，防止振子的污染和劣化，而將其全部封在真空室內，故硅振動式壓力傳感器的工作條件要求*，在這里就不詳述了。
3．聲傳感器
入侵事件發(fā)生時，總會有說話、走動、擊碎玻璃、鋸鋼筋等聲音發(fā)生，能夠把這些聲音信號轉換成一定電量的傳感器都稱為聲傳感器。
聲音為一種機械波，聲音的傳播是機械波在媒質中傳播的過程。當聲波頻率在20Hz～20kHz時人耳能接收到，稱為可聞聲波。當頻率低于20Hz時稱為次聲波，高于20kHz時稱為超聲波，次聲波和超聲波人耳均聽不到。
（1） 駐極體傳感器
駐極體是一種*性帶電的介電材料，它能把聲能或機械能轉換成電能，或者將電能轉換成機械能或聲能。
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*的絕緣電阻。通過外電場對絕緣薄膜兩側充電，則膜上的電荷能長時間保存。若在常溫和相對干燥的環(huán)境下保存，聚四氟乙烯上的電荷能保存近百年；在常溫和相對濕度為95%的潮濕環(huán)境下，電荷的衰減時間也能達到近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安放，中間為10?m的薄空氣層，構成一個駐極體傳感器。二片相對而立的駐極體膜形成一個電容器，根據靜電感應原理，與駐極體相對應的金屬板上會感應出大小相等、方向相反的電荷。駐極體上的電極在空隙中形成靜電場，在聲波作用下，駐極體箔會有一個位移d。在駐極體膜開路的條件下，膜片兩端感應的靜電場
U=E?d =σd1d/ε0 （d1 +εd2 ）
式中，E —— 膜片間隙中電場強度
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
ε—— 駐極體材料的相對介電常數
駐極體箔的相對位移d與所加聲強成正比，因此傳感器輸出的電壓僅與聲強有關，而與頻率無關。駐極體傳感器能保證在聲頻范圍內具有恒定的靈敏度，這是極大的優(yōu)點。
（2） 磁電傳感器
磁電式傳感器俗稱“動圈式傳感器”，它是由一個固定磁場和在這磁場中可作垂直軸向運動的線圈組成，線圈安裝在一個振動膜上，振動膜在聲強的作用下運動，帶動線圈在固定的磁場中作切割磁力線的運動，此時在線圈兩端的感應電動勢E的大小為：
E=BLv，
式中，
B——磁感應強度
L——線圈的長度
v——線圈的運動速度
線圈的運動速度v與聲強的大小有關，故而線圈的輸出電壓也取決于聲強的大小。
4．光電傳感器
光電傳感器是指能夠將可見光轉換成某種電量的傳感器。光敏二極管是zui常見的光傳感器。光敏二極管的外型與一般二極管一樣，只是它的管殼上開有一個嵌著玻璃的窗口，以便于光線射入，為增加受光面積，PN結的面積做得較大，光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態(tài)下，并與負載電阻相串聯(lián)，當無光照時，它與普通二極管一樣，反向電流很小（＜?A），稱為光敏二極管的暗電流；當有光照時，載流子被激發(fā)，產生電子-空穴，稱為光電載流子。在外電場的作用下，光電載流子參于導電，形成比暗電流大得多的反向電流，該反向電流稱為光電流。光電流的大小與光照強度成正比，于是在負載電阻上就能得到隨光照強度變化而變化的電信號。
光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號轉換成電信號的功能外，還有對電信號放大的功能。光敏三級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極——發(fā)射極和集電極，基極不引出，管殼同樣開窗口，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。工作時集電結反偏，發(fā)射結正偏。在無光照時管子流過的電流為暗電流Iceo=（1+β）Icbo（很?。纫话闳龢O管的穿透電流還小；當有光照時，激發(fā)大量的電子-空穴對，使得基極產生的電流Ib增大，此刻流過管子的電流稱為光電流，集電極電流Ic=（1+β）Ib，可見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換為電量變化的一種能量轉換器件。熱釋電紅外線元件是一種典型的熱量傳感器。
可見光的波長通常在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)射能量來檢測入侵者的入侵及其活動。
一般的熱釋電材料為LiTaO3, 當受到紅外線照射時，熱釋電材料的溫度發(fā)生變化，同時其表面電荷也會發(fā)生變化。當以LiTaO3為代表的熱釋電材料處于自極化狀態(tài)時，吸收紅外線入射波后，結晶的表面溫度改變，自極化也發(fā)生改變，結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，便可測出紅外線。熱釋電材料只有在溫度變化時才產生電壓，如果紅外線一直照射，則沒有不平衡電壓，一旦無紅外線照射時，結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，從而產生電壓輸出。從原理上講應與波長無關，但由熱釋電材料做成的傳感器有一個透光窗，而透光窗的選材與波長有關系。如以SiO2為窗材的傳感器，它與1?m以上波長的紅外線無關，而有的窗材只能通過4?m附近波長的光，有的能透過6.1?m波長的光，有的能透過8?m ~14?m波長的光，所以使用不同的窗材就可確認是哪個波長的光產生的熱。
熱釋電元件組成的紅外探測器只與窗材的波長有關，而量子型的紅外光探測器與紅外光的波長有關，它的特點是靈敏度高，響應速度快，響應的靈敏度與紅外線波長有關。每個入射光子產生的能量
E=hc/λ=1124λ
式中，h——普朗克常數，h=4.14×10-15（ev?s）=6.625×10-34（J?S）
c——光速，c=3×1010cm/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電型和光電動勢型兩種。光導電型的元件材料有PbS、PbSe、Hg、Cd、Te等，它是利用紅外線照射時阻抗減少的特點來獲取檢測信號的；而光電動勢型是在Ge、IrSb等半導體基片上形成PN結，當紅外線照射時產生光電動勢，Ge的禁帶寬度為0.6ev，Ge二極管對0.6?m和1.9?m的紅外光較敏感，當入射紅外光的波長在0.6?m~1.9 ?m時，在PN結上形成的電動勢隨入射光量的增大而增大，從而經放大可輸出探測電信號。
6．電磁感應傳感器
電磁場也是物質存在的一種形式。電磁場的運動規(guī)律由麥克斯韋方程組來表示，根據麥克斯韋理論，當入侵者入侵防范區(qū)域，使原先防范區(qū)域內電磁場的分布發(fā)生變化，這種變化可能引起空間電場的變化，電場畸變傳感器就是利用此特性。同時，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 入侵探測器
入侵探測器是由傳感器和信號處理器組成的用來探測入侵者入侵行為的電子和機械部件組成的裝置。入侵探測器的分類可按其所用傳感器的特點分為開關型入侵探測器、震動型入侵探測器、聲音探測器、超聲波入侵探測器、次聲入侵探測器、主動與被動紅外入侵探測器、微波入侵探測器、激光入侵探測器、視頻運動入侵探測器和多種技術復合入侵探測器。也可按防范警戒區(qū)域分為點形入侵探測器、直線型入侵探測器、面型入侵探測器和空間型入侵探測器。
1．點型入侵探測器
對于門窗、柜臺、展櫥、保險柜等防范范圍僅是某一特定部位使用的入侵探測器為點型入侵探測器，點型入侵探測驗器通常有開關型和振動型兩種。
（1） 開關入侵探測器
開關入侵探測器是采用開關型傳感器構成的。可以是微動開關、干簧繼電器、易斷金屬導線或壓力墊等構成。不論是常開型或是常閉型，當其狀態(tài)改變時均可直接向報警控制器發(fā)出報警信號，由報警控制器發(fā)出聲光警報信號。
（2） 震動入侵探測器
當入侵者進入防范區(qū)域實施*時，總會引起地面、墻壁、門窗、保險柜等發(fā)生震動，我們可以采用壓電式傳感器、電磁感應傳感器或其它可感受振動信號的傳感器來感受入侵時發(fā)生的振動信號，這種探測器我們稱之為振動入侵探測器。
墻震動探測器及玻璃破碎探測器是典型的震動入侵探測器，這種探測器常使用壓電式傳感器或導電簧片開關傳感器。
壓電傳感器是利用壓電材料的壓電效應制成的，當壓電材料受到某方向的壓力時，在一特定方向兩個相對電極上分別感應出電荷，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，當玻璃受到震動時，傳感器相應的兩電極上感應出電荷，形成一微弱的電位差，可以采用高放大倍數高輸入阻抗的集成放大電路進行放大產生報警信號。采用半導體壓力傳感器的壓電電阻效應制成的壓電式震動入侵探測器，當半導體材料硅片受外力作用時，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在同一硅片上的集成放大電路而產生報警信號。
導電簧片開關型玻璃破碎探測器結構如圖2-9所示，上簧片橫向略呈彎曲的形狀，它對噪聲頻率有吸收作用。絕緣體、定位螺絲將上下金屬導電簧片絕緣固定在底座上，而右端觸頭處可靠接觸。
圖2-9 導電簧片開關型玻璃破碎探測器結構圖
玻璃破碎探測器的外殼粘附在需防范的玻璃的內側。環(huán)境溫度和濕度的變化及輕微震動產生的低頻振動，甚至敲擊玻璃所產生的振動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)，只有當探測器探測到玻璃破碎或足以使玻璃破碎的強沖擊力時產生的特殊頻率范圍的振動才能使上下簧片振動，處于不斷開閉狀態(tài)，觸發(fā)控制電路產生報警信號。
近年來隨著數字信號處理技術的發(fā)展，一種采用微處理器的新型聲音分析式玻璃破碎探測器已經出現(xiàn)，它是利用微處理器的聲音分析技術來分析與破碎相關的特定聲音頻率后進行準確的報警。傳感器接收防范范圍內的各種聲頻信號送給微處理器，微處理器對其進行分析和處理以識別出玻璃破碎的入侵信號，這種探測器的誤報率極低。
為減少誤報率，人們還采用一種超低頻檢測和音頻識別技術的雙技術探測器。如果超低頻探測技術探測到玻璃被敲擊時所發(fā)出的超低頻波，而在隨后的一段特定時間間隔內，音頻識別技術也捕捉到玻璃被擊碎后發(fā)出的高頻聲波，那么雙技術探測器就會確認發(fā)生玻璃破碎，并觸發(fā)報警。
電動式振動入侵探測器是利用電磁感應傳感器將振動轉換成線圈兩端的感應電動勢輸出。將電動式振動入侵傳感器與保險柜、貴重物體固定在一起，當入侵者搬動或觸動保險柜等物體產生振動，電動傳感器隨之振動，線圈與電動傳感器是固定在一起的，而磁鐵是通過彈簧與殼體連接在一起，殼體振動后，磁鐵隨之運動，在線圈上感應出電動勢，其大小E=nBLv，B為磁感應強度，L為每匝線圈的長度，n為繞組匝數，v為物體的振動速度。輸出電壓E正比于振動速度，電動傳感器具有較高的靈敏度，輸出電動勢較高，不需要高增益的放大器，而且電動傳感器輸出阻抗低，噪聲干擾小。
2．直線型入侵探測器
直線型入侵探測器是指警戒范圍為一條線束的探測器，當在這條警戒線上的警戒狀態(tài)被破壞時發(fā)出報警信號。zui常見的直線型報警探測器為紅外入侵探測器、激光入侵探測器。探測器的發(fā)射機發(fā)射出一束紅外光或激光，經反射或直接射到接收器上，如光束被遮斷，則發(fā)出報警信號。
（1） 紅外入侵探測器
物理學告訴我們，電磁場是物質存在的一種形式，電磁場的運動規(guī)律是由麥克斯韋方程組來描述的，根據麥克斯韋的電磁場理論，如果在空間的某區(qū)域內有變化的電場（或磁場），那么在鄰近區(qū)域內將引起變化的磁場（或電場），而這變化的磁場或電場又在更遠的區(qū)域引起新的變化電場或磁場。這種由近到遠，以有限的速度在空間內傳播的過程稱電磁波。我們平時所熟悉的光波，無線電波都是不同波長的電磁波。表2-1列出了不同電磁波的波長范圍。
表2-1 電磁波的波長劃分表
| 名 稱 | 波長范圍（μm） | 頻率范圍（MHz） |
| 無線電波 | >1×103 | <3×105 |
| 紅外光 | 0.78～1×103 | 3×105～3.84×108 |
| 可見光 | 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，它的波長介于無線電波的微波和可見光之間。
物理學告訴我們，凡是溫度高于零度的物體都能產生熱輻射，而溫度低于1725℃的物體產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。對某種物體來說，由于其本身的物理和化學性質不同，物體本身溫度不同，所產生的紅外輻射的波長和距離也不同，通常分為三個波段。
近紅外：波長范圍0.75?m~3?m
中紅外：波長范圍3?m~25?m
遠紅外：波長范圍25?m~1000?m
紅外光在大氣中輻射時會產生衰減現(xiàn)象，主要是由于大氣中各種氣體對輻射的吸收（如水氣、二氧化碳）和大氣中懸浮微粒（如雨、霧、云、塵埃等微粒）對紅外光造成的散射。
大氣中紅外輻射的衰減是隨著波長不同而變化的，對某些波長的紅外輻射衰減較少，這些波長區(qū)稱為紅外的“大氣窗口”。能通過大氣的紅外輻射基本上分為三個波段，1?m ~2.5?m；3?m ~5?m；8?m ~14?m，這三個紅外大氣窗口為我們使用提供了方便。
紅外探測器分為被動紅外探測器和主動紅外探測器兩種形式。
所謂被動紅外探測器只有紅外線接收器。當被防范范圍內有目標入侵并移動時，將引起該區(qū)域內紅外輻射的變化，而紅外探測器能探測出這種紅外輻射的變化并發(fā)出報警信號。實際上除入侵物體發(fā)出紅外輻射外，被探測范圍內的其它物體如室外的建筑物、地形、樹木、山和室內的墻壁、課桌、家俱等都會發(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，當入侵物體進入被監(jiān)控區(qū)域后，穩(wěn)定不變的熱輻射被破壞，產生了一個變化的熱輻射，而紅外探測器中的紅外傳感器就能收到這變化的輻射，經放大處理后報警。在使用中，把探測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的背景，背景輻射的微小信號變化為噪聲信號，由于探測器的抗噪能力較強，噪聲信號不會引起誤報，紅外探測器一般用在背景不動或防范區(qū)域內無活動物體的場合。
如只考慮紅外傳感器本身的噪聲，在探測距離內，被動紅外探測器的作用距離為：
式中，
D0——光學系統(tǒng)通光口徑
η——光學系統(tǒng)的傳輸效率
NA——光學系統(tǒng)數值孔徑，NA= D0 /2f
ω——目標的輻射強度
τ——大氣透過率
D*——傳感器的光譜探測度
w——視場角
△f——等效噪聲帶寬
Vs/Vn——探測器確定的信噪比。
可見要提高作用距離R，應增大通光口徑D。、傳輸效率η和光譜探測度D*，減少視場角w和等效噪聲帶寬Δf。
為了提高被動紅外入侵探測器的報警精度以及減少誤報率，現(xiàn)在實際應用的被動紅外探測器，多數做成把幾個紅外接收單元集成在一個探測器中，稱為多元被動紅外探測器。這樣的探測器由于具有幾個接收單元，則不僅能檢測出其防范區(qū)域有入侵者時的紅外變化，還可以因各單元安裝方向的不同而接收信號的大小不同，檢測出入侵者走動時產生的單元信號差值的變化，從而達到雙重檢測的目的，大大提高了報警精度，減少了誤報率。
主動紅外探測器是由紅外光發(fā)射器和接收器兩個部件構成。
主動紅外發(fā)射器發(fā)出一束經調制的紅外光束，投向紅外接收器，形成一條警戒線。當目標侵入該警戒線時，紅外光束被部分或全部遮擋，接收機接收信號發(fā)生變化而報警。
主動紅外探測器的發(fā)射光源通常為紅外發(fā)光二極管。其特點是體積小、重量輕、壽命長、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。而砷鎵鋁雙異質結半導體激光器也工作在紅外波段，故也是一種主動紅外探測器。主動紅外探測器的光源通常為脈沖調制的脈沖波形，發(fā)射機采用自激多諧振蕩器作為調制電源，產生很高占空比的脈沖波形，去調制紅外發(fā)光二極管發(fā)光，發(fā)射出紅外脈沖調制光譜。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。
對光束遮擋型的探測器，要適當選取有效的報警zui短遮光時間。遮光時間選得太短，會引起不必要的噪聲干擾，如小鳥飛過、小動物穿過都會引起報警；而遮光時間太長，則可能導致漏報。通常以10m/s的速度通過鏡頭的遮光時間，來定zui短遮光時間。若人的寬度為20cm，則zui短遮光時間為20cm/（10m/s）=20ms。大于20ms，系統(tǒng)報警；小于20ms則不報警。
主動紅外探測器體積小、重量輕、便于隱蔽，采用雙光路甚至四光路的主動紅外探測器可大大提高其抗噪防誤報的能力以及加大防范的垂直面，另外主動紅外探測器壽命長、價格低、易調整，因此被廣泛使用在安全防范工程中。
然而當主動紅外探測器用在室外自然環(huán)境時，比如無星光和月亮的夜晚，以及夏日中午太陽光背景輻射的強度比超過100dB時，會使接收機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（主要為可見光的能量），使接收機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。
另外室外的大霧會引起傳輸中紅外光的散射，大大縮短主動紅外探測器的有效探測距離。雖然大部份應用在室外的主動紅外探測器在出廠時，已考慮到了上述因素，但在使用中還是應該充分注意到大霧天造成的影響。某些經常有大霧的地區(qū)，甚至不適合采用室外安裝這種探測器。
（2） 激光入侵探測器
激光與一般光源相比有如下特點：
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，光束能聚集在一個很小的平面上，產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為6328?，在其頻率范圍內譜線寬度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。
光的相干長度δm與譜線寬度的關系是：
δm=c/ΔU，其中c為光速。
一般光源的相干長度為幾個毫米。單色光源氦-86燈，λ=6057?，相干長度δm=38.6cm；而氦氖激光器λ= 6328?，δm=40km。
按激光器的工作物質來分，激光器可分為如下幾種：
固體激光器：它的工作物質為固體，如釹玻璃、紅寶石等。
液體染料激光器：它的工作物質為液體染料，如若丹明香豆素等。
氣體激光器：它的工作物質是二氧化碳、氦-氖、氮分子等。
半導體激光器：它的工作物質是半導體材料，如砷化鎵。
激光探測器與主動紅外式探測器有些相似，也是由發(fā)射器與接收器兩部分構成。發(fā)射器發(fā)射激光束照射在接收器上，當有入侵目標出現(xiàn)在警戒線上，激光束被遮擋，接收機接收狀態(tài)發(fā)生變化，從而產生報警信號。
激光探測器的作用距離：
式中
P1——激光功率；
QT——光束發(fā)散角；
M—— 調制光速調制度；
SR——接收面積；
PR——接收到的功率。
由上式可以看出，要提高探測器的作用距離，應增大激光源的發(fā)射光率，增加光學系統(tǒng)的透過率，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，所以激光探測器十分適用于遠距離的線控報警裝置。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封鎖場地的四周，或封鎖幾個主要通道路口。
激光探測器采用半導體激光器的波長在紅外線波段時，處于不可見范圍，便于隱蔽，不易被*分子所發(fā)現(xiàn)。激光探測器采用脈沖調制，抗干擾能力較強，其穩(wěn)定性能好，一般不會因機器本身而產生誤報，如果采用雙光路系統(tǒng)，可靠性更會大大提高。
3．面型入侵探測器
面型入侵探測器的警戒范圍為一個面。當警戒面上出現(xiàn)入侵目標時即能發(fā)出報警信號。振動式或感應式報警探測器常被用做面報警探測器，例如把用做點報警探測器的振動探測器安裝在墻面或玻璃上，或安裝在某一要求保護的鐵絲網或隔離網上，當入侵者觸及時網發(fā)生振動，探測器即能發(fā)生報警信號。
面型入侵探測器更多的是使用電磁感應探測器。電場畸變探測器是一種電磁感應探測器，當目標侵入防范區(qū)域時，引起傳感器線路周圍電磁場分布的變化，我們把能響應這畸變并進入報警狀態(tài)的裝置稱為電場畸變探測器。這種電場畸變探測器有平行線電場畸變探測器、泄漏電纜電場畸變探測器。
（1） 平行線電場畸變入侵探測器
平行線電場畸變入侵探測器是由傳感器線支撐桿、跨接件和傳感器電場信號發(fā)生接收裝置構成，如圖2-10所示。傳感器是一些平行線（2條～10條）構成，在這些導線中一部分是場線，它們與振蕩頻率為1kHz～40kHz的信號發(fā)生器相連接，工作時場線向周圍空間輻射電磁場能量。另一部分線為感應線，場線輻射的電磁場在感應線上產生感應電流。當入侵者靠近或穿越平行導線時，就會改變周圍電磁場的分布狀態(tài)，相應地使感應線中的感應電流發(fā)生變化，由接收信號處理器分析后發(fā)出報警信號。
傳感器線通過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，另一方面可使探測區(qū)內有連接的電磁場，沒有盲區(qū)。信號發(fā)生、接收器安裝在中間支撐桿上。
平行線電場畸變入侵探測器主要用于戶外周界報警。通常沿著防范周界安裝數套電場探測器，組成周界防范系統(tǒng)。信號分析處理器常采用微處理器，信號分析處理程序可以分析出入侵者和小動物引起的場變化的不同，從而將誤報率降到了zui低。
（2） 泄漏電纜電場畸變入侵探測器
所謂泄露電纜是一種特制的同軸電纜，見圖2-11，其中心是銅導線，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zui外面為聚乙烯保護層。當電纜傳輸電磁能量時，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度范圍內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 平行線電場畸變探測器
圖2-11 泄漏電纜結構示意圖
把平行安裝的兩根泄漏電纜分別接到高強信號發(fā)生器和接收器上就組成了泄漏電纜入侵探測器。當發(fā)生器產生的脈沖電磁能量沿發(fā)射電纜傳輸并通過泄漏孔向空間輻射時，在電纜周圍形成空間電磁場，同時與發(fā)射電纜平行的接收電纜通過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。當入侵者進入探測區(qū)時，使空間電磁場的分布狀態(tài)發(fā)生變化，因而接收電纜收到的電磁能量發(fā)生變化，這個變化量就是入侵信號，經過分析處理后可使報警器動作。
泄漏電纜探測器可全天候工作，抗干擾能力強，誤報漏報率都較低，適用于高保安，長周界的安全防范場所。
（3） 振動傳感電纜型入侵探測器
這種入侵探測器是在一根塑料護套內裝有三芯導線的電纜兩端，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狀的圍墻上（如圖2-13所示）。用這樣有一定長度的的電纜構成一個防區(qū)。每兩個或四個、六個防區(qū)共用一個控制器（稱為多通道控制器），由控制器將各防區(qū)的報警信號傳送至控制中心。當有入侵者觸動網狀圍墻，破壞網狀圍墻等行為使其震動并達到一定強度時（安裝時強度可調，以確定其報警靈敏度），就會產生報警信號。這種入侵探測器精度*，漏報率為零，誤報率幾乎為零。且可全天候使用（不受氣候的影響）。它特別適合圍網狀的周界圍墻（即采用鐵網構成的圍墻）使用。
圖2-12 泄漏電纜產生空間場示意圖
圖2-13 振動傳感電纜型入侵探測器示意圖
（4） 電子圍欄式入侵探測器
電子圍欄式入侵探測器也是一種用于周界防范的探測器。它由三大部分組成，即脈沖電壓發(fā)生器、報警信號檢測器以及前端的電圍欄，其系統(tǒng)原理框圖如圖2-14所示。
當有入侵者入侵時，觸碰到前端的電子圍欄或試圖剪斷前端的電子圍欄，都會發(fā)出報警信號。
這種探測器的電子圍欄上的裸露導線，接通由脈沖電壓發(fā)生器發(fā)出的高達1萬伏的脈沖電壓（但能量很小，一般在4焦耳以下，對人體不會構成生命危害），所以即使入侵者戴上絕緣手套，也會產生脈沖感應信號，使其報警。這種電子圍欄如果使用在市區(qū)或來往人群多的場合時，安裝前應事先征得當地*等部門的同意。
（5） 微波墻式入侵探測器
圖2-14 電子圍欄式入侵探測器
微波墻式入侵探測器，主要也是用于周界防范。它類似主動紅外對射式入侵探測器的工作方式，不同的是用于探測的波束是微波而不是紅外線。另外，這種探測器的波束更寬、呈扁平狀、象一面墻壁的形狀，所以防范的面積更大。其安裝后構成的原理框圖如圖2-15所示。
圖2-15 微波墻式入侵探測器原理圖
這種探測器在使用時，應注意使墻式微波波束控制在防范區(qū)域內，不向外擴展，以免引起誤報。另外，在防范區(qū)域（波束）內，不應有花草樹木等物體，以免當有風吹動時，產生誤報。
4．空間入侵探測器
空間入侵探測器是指警戒范圍是一個空間的報警器。當這個警戒空間任意處的警戒狀態(tài)被破壞，即發(fā)生報警信號。聲入侵探測器和微波入侵探測器以及被動紅外探測器等都屬于空間入侵探測器。
（1） 聲入侵探測器
聲入侵探測器是常用的空間防范探測器。通常將探測說話、走路等聲響的裝置稱聲控探測器。當探測物體被破壞（如打碎玻璃、鑿墻、鋸鋼筋）時，發(fā)生固有聲響的裝置稱為聲發(fā)射探測器。
① 聲控入侵探測器
聲控探測器是用聲傳感器把聲音信號變成電信號，經前置放大送報警控制器處理后發(fā)出報警處理信號，也可將報警信號經放大推動喇叭和錄音機，以便監(jiān)聽和錄音。
駐極體傳感器被廣泛地應用在聲控探測器中。在聲控探測器中使用的駐極體送話器由一個金屬極板蒙上機械張緊的駐極體箔（約10?M），駐極體箔與金屬板之間構成一只電容。根據靜電感應的原理，與駐極體相對著的金屬板上就會感應出大小相等、方向相反的電荷。駐極體電荷在空隙中形成靜電場。在聲波作用下，駐極體箔發(fā)生運動，產生位移，在電容極板上感應出電壓。
駐極體送話器的頻率響應范圍主要取決于送話器的結構。在此頻率范圍內，駐極體箔的位移與所加的聲強成正比，送話器的輸出電壓僅與聲強有關，而與頻率無關，音頻駐極體送話器在20Hz～15000Hz的頻率范圍內有恒定的靈敏度。
② 聲發(fā)射入侵探測器
聲發(fā)射探測器是監(jiān)控某一頻帶的聲音發(fā)出報警信號，而對其它頻帶的聲音信號不予響應。主要監(jiān)控玻璃破碎聲、鑿墻、鋸鋼筋聲等入侵時的破壞行為所發(fā)出的聲音，玻璃破碎聲發(fā)射探測器通常也用駐極體傳話器作聲電傳感器。當玻璃破碎時，發(fā)出的破碎聲由多種頻率的聲響構成。據測定，主要頻率為10kHz～15kHz高頻聲響信號。當錘子打擊墻壁、天花板的磚、混凝土時會產生一個頻率為1kHz左右的衰減信號，大約持續(xù)5ms；據鋼筋時產生頻率約3.5kHz、持續(xù)時間約15ms的聲音信號。采用帶通濾波器濾去高于或低于探測聲信號的干擾信號，經放大后產生報警信號。
③ 次聲入侵探測器
次聲為頻率很低的音頻信號。探測器的工作原理與聲發(fā)射探測器相同，不過采用低通濾波器濾去高頻和中頻音頻信號，而放大次低頻信號報警。
房屋通常由墻天花板、門、窗、地板同外界隔離。由于房屋里外環(huán)境不同，強度、氣壓等均有一定差異，一個人想闖入就要破壞這空間屏障，如打開門窗、打碎玻璃、鑿墻開洞等，由于室內外的氣壓差，在缺口處產生氣流擾動，發(fā)出一個次聲；另外由于開門、碎窗、破墻產生加速度，則內表面空氣被壓縮產生另一次聲，而這二次聲頻率大約為1Hz左右。兩種次聲波在室內向四周擴散，先后傳入次聲探測器，只有當這二次聲強度達到一定閾值后才能報警，所以只要外部屏障不被破壞，在覆蓋區(qū)域內部開關門窗，移動家俱，人員走動，都低于閾值，不會報警。但是這種特定環(huán)境下如果采用其它超聲、微波或紅外探測器都會導致誤報。
④ 超聲波入侵探測器
所謂超聲波是指頻率在20kHz以上的音頻信號，這種音頻信號人的耳朵是聽不到的。超聲波探測器是利用超聲波技術構造的探測器，通常分為多普勒式超聲波探測和超聲波聲場型探測器兩種。
多普勒式超聲波探測器是利用超聲對運動目標產生的多普勒效應構成的報警裝置。通常，多普勒式超聲波探測器是將超聲波發(fā)射器與接收器裝在一個裝置內。所謂多普勒效應是指在輻射源（超聲波發(fā)生器）與探測目標之間有相對運動時，接收的回波信號頻率會發(fā)生變化。如圖2-16所示，設超聲波發(fā)射接收器發(fā)射的信號為：
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)射信號的初始相位。那么當發(fā)射接收器與目標間有相對運動時，經目標反射后超聲波發(fā)射接收器接收到的回波信號為：
Ur= Um Sin[ωo（t-tr）+jo]
=Um Sinjj
式中，tr為超聲波往返于超聲波發(fā)射接收器和目標之間所需的時間，設目標與發(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為初始時刻目標與發(fā)射接收器的距離，vr為目標與發(fā)射接收器相對運動的徑向速度。回波的角頻率為
ωr=dψ/dt=ωo?（1+2vr/c）
也可寫成fr=f0（1+2vr/c）= f0+fd
fd=（2vr/c）?f0
由此可見目標以徑向速度vr向發(fā)射接收器運動，使接收到的信號頻率不再是發(fā)射頻率fo，而是fo+fd，這種現(xiàn)象稱多譜勒效應，fd稱為多譜勒頻率。當目標背向探測器運動時，νr為負值，則所接收的回波信號頻率為fo-fd。
超聲波發(fā)射器發(fā)射25kHz～40kHz的超聲波充滿室內空間，超聲波接收器接收從墻壁、天花板、地板及室內其它物體反射回來的超聲能量，并不斷的與發(fā)射波的頻率加以比較。當室內沒有移動物體時，反射波與發(fā)射波的頻率相同，不報警；當入侵者在探測區(qū)內移動時，超聲反射波會產生大約±100Hz多普勒頻移，接收機檢測出發(fā)射波與反射波之間的頻率差異后，即發(fā)出報警信號。
圖2-16 多譜勒效應示意圖
場型超聲波入侵探測器是將發(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經固定物體（如墻、地板、天花板、家具）多次反射，布滿各個角落。由于多次反射，室內的超聲波形成復雜的駐波狀態(tài)，有許多波腹點和波節(jié)點。波腹點能量密度大，波節(jié)點能量密度低，造成室內超聲波能量分布的不均勻。當沒有物體移動時，超聲波能量處于一種穩(wěn)定狀態(tài)；當改變室內固定物體分布時，超聲能量的分布將發(fā)生改變。而當室內有一移動物體時，室內超聲能量發(fā)生連續(xù)變化，而接收器接收到這連續(xù)變化的信號后，就能探測出移動物體的存在，變化信號的幅度與超聲頻率和物體移動的速度成正比。
（2） 微波入侵探測器
微波是一種頻率很高的無線電波，波長很短，一般在0.001m～1m之間,由于微波的波長與一般物體的幾何尺寸相當,所以很容易被物體所反射。按工作原理微波入侵探測器可分為移動型微波探測器和阻擋型微波探測器。
① 移動型微波探測器
移動型微波探測器又稱多普勒式微波入侵探測器。其工作原理與多譜勒式超聲波探測器相同，只不過探測器發(fā)射和接收的是微波而不是超聲波。
微波發(fā)射器通過天線向防范區(qū)域內發(fā)射微波信號，當防范區(qū)域內無移動目標時，接收器接收到的微波信號頻率與發(fā)射信號頻率相同，為fo。當有移動目標時，由于多普勒效應，目標反射的微波信號頻率將發(fā)生偏移，偏移的多普勒頻率為fd，接收機分析fd的大小以產生報警信號。
由于多普勒效應告訴我們，偏移的多普勒頻率fd，正比于目標徑向的移動速度而反比于工作波長，所以微波探測器較多普勒超聲探測器有更高的靈敏度。
多普勒微波探測器的探測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；
σ——目標截面積；
k——卡爾茲曼常數，k=1.38×10-23J/K；
To——接收機噪聲溫度；
Bn——接收機等噪聲帶寬；
Fn——接收機噪聲系數；
L——微波系統(tǒng)損耗；
M——檢測所需要的zui小信噪比。
由上式可以看出，要增加探測距離，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距離，但不經濟，尤其是大功率的微波幅射還有損健康，所以一般不采用。
② 阻擋型微波探測器
阻擋型微波探測器由發(fā)射器、接收器和信號處理器組成。使用時將發(fā)射天線和接收天線相對放置在監(jiān)控場地的兩端，發(fā)射天線發(fā)射的微波束直接送達接收天線。當沒有運動目標遮斷微波束時，微波能量被接收天線接收，發(fā)出正常工作信號；當有運動目標阻擋微波束時，天線接收到的微波能量減弱或消失，此時產生報警信號。
