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2.1 传感器技术 |
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传感器是一种物理量转换器件，GB 7665－87 定义为“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。作为将某个对象或过程的特定特性转换成数量的信息采集装置，传感器能将压力、位移、速度、振动、温度、声音、光强等物理量转化为易于处理的电信号和电参量，如电压、电流、电阻等。当然，这种转换是按照一定规律进行的。所采集的信息变换成电信号或其他形式输出后，能满足信息的传输、处理、存储、显示和控制等要求。
传感器采集的“对象”可以是固体、液体或气体，“对象”的状态可以是静态或动态（即过程）。作为传感器系统的重要组成部分，选择了传感器，后端处理系统也就确定了。显然，整个系统的工作性能好坏在很大程度上取决于传感器选择得是否合理。
目前，绝大多数高科技的发展、应用需要传感器和信号探测技术的支持，安全防范技术作为现代科技综合运用的代表，更离不开传感器。纵观传感技术的发展，主要涉及两方面：一是提高、改善传感器技术性能；二是寻找新原理、新材料、新工艺及新功能等。
根据感知功能不同，传感器分为热敏传感器、光敏传感器、气敏传感器、力敏传感器、磁敏传感器、湿敏传感器、声敏传感器、色敏传感器和味敏传感器，等等。根据感知外界信息的工作原理不同，传感器分为物理传感器、化学传感器。
①物理传感器：基于力、热、光、电、磁和声等物理效应的传感器。例如，压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应，被测信号量的微小变化都将转换成电信号，多数传感器是以物理原理为基础工作的，如光敏传感器、压力传感器、热敏传感器、磁敏传感器、声敏传感器等。
②化学传感器。基于化学反应的原理，包括以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化将转换成电信号，主要有气敏传感器、湿敏传感器、离子传感器、生物化学传感器等。化学传感器技术问题较多，包括可靠性问题、规模生产的可能性、价格问题等，如果解决了上述问题，化学传感器的应用范围将会有巨大增长。
现代传感器的原理与结构千差万别，如何根据系统设计目的、工作环境合理地选用传感器，是传感器系统需要解决的问题。选择传感器时，主要考虑以下几方面。
①根据测量对象与环境确定传感器类型。选择何种传感器是系统设计时首先要考虑的问题。因为即使测量同一物理量，也有多种原理的传感器，需根据测量对象的特点及传感器的使用条件选择。例如，量程的大小；传感器体积的要求；接触式还是非接触式；测量信号是有线输出还是无线输出等。综合上述因素才能确定选用哪种类型传感器及传感器具体的性能指标。
②灵敏度的选择。通常，传感器在线性范围内的灵敏度越高越好。但灵敏度高意味着外界噪声影响也大，因此，传感器本身应具有良好的信噪比（ S / N ）。
③频率响应特性。传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许的频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有一定延迟，要求延迟时间越短越好。传感器频率响应越高，测量的信号频率范围越宽。
④线性范围。线性范围是指输出与输入成正比的范围。理论上，此范围内灵敏度保持定值。线性范围越宽，传感器量程越大，且能保证一定的测量精度。选择传感器时，种类确定以后首先要看量程是否满足要求。
⑤稳定性。传感器使用一段时间后性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器稳定性的因素除了传感器本身结构外，主要是使用环境。要使传感器具有良好的稳定性，首先要有较强的环境适应能力。
⑥精度。精度是传感器的重要性能指标，关系到整个系统的精度。但精度越高，价格也越昂贵，故传感器精度只要满足整个系统精度要求即可。如果测量目的是定性分析，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；定量分析时，选用精度等级能满足要求的传感器。
（1）微型化
传感器重要的发展趋势是微型化，最典型代表是微机电系统（MEMS）。MEMS的核心是研究微电子、微机械加工与封装技术的巧妙结合，目标是制造出体积小巧、功能强大的新型系统。此项技术的采用将信息系统的微型化、智能化、多功能化和可靠性水平提高到了新的高度。
对MEMS的研究始于 20 世纪 60 年代，研究范畴涉及材料科学、机械控制、加工与封装工艺、电子技术以及传感器和执行器等多种学科，是极具前景的新兴研究领域。目前，MEMS已用于测量各种物理量、化学量和生物量。相关内容参见本章阅读材料“微机电系统MEMS”。
（2）智能化
智能化传感器能进行信息处理、存储、逻辑思考和结论判断，相当于微处理器与传感器的综合体。其主要特点如下。
①高精度。智能传感器有多项功能保证其高精度，例如，通过自动校零去除零点；与标准参考基准实时对比以自动进行整体系统标定；自动进行整体系统的非线性等系统误差的校正；通过采集大量数据进行统计处理以消除偶然误差的影响，等等。
②高可靠性、稳定性强。智能传感器能自动补偿因环境参数发生变化引起的系统特性的漂移，具有很好的稳定性、可靠性。
③高信噪比与高分辨力。智能传感器具有数据存储、记忆与信息处理功能，通过软件、硬件滤波，可以去除输入数据中的噪声，将有用信号提取出来；采用数据融合、神经网络等技术，可消除多参数状态下敏感度的影响，保证了在多参数状态下对特定参数测量的分辨力。
④自适应性强。由于智能传感器具有判断、分析与处理功能，能根据系统工作情况决定计算机/微处理器的数据传输速率，使系统在最优状态下工作。
⑤性价比高。大多数新型智能传感器的设计是通过与计算机/微处理器相结合，采用廉价的集成电路工艺和芯片以及强大的软件支持来实现的，性价比很高。
（3）多传感器融合
普通传感器能提供与各自功能相应的信息，但这样的单一信息难以满足许多系统准确性、可靠性要求，需多种传感器的信息相互融合，形成一种全面的信息才能满足要求。多传感器融合技术将多个传感器采集的信息进行合成，形成对环境某一方面特征的综合描述。利用这种方法探测的信息具有冗余性、互补性、实时性等特点。
多传感器信息融合是人类一种本能。人类本能地具有将身体器官（眼、耳、鼻等）探测的信息（如场景、声音、气味、触觉）与先验知识进行综合的能力，以便对周围环境和正在发生的事件做出估计。多传感器信息融合实际上是对人脑综合处理复杂问题的一种功能模拟，它充分利用多个传感器资源，通过对各种传感器及其观测信息的合理支配与使用，将各种传感器在空间、时间上的互补与冗余信息依据某种优化准则结合起来，产生对观测环境的一致性解释或描述。例如，通过红外对射或温度传感器可以探测区域内部的人员流量和人员密度情况，并在视觉传感器提供的视频信号中用文字显现出来；通过现场的报警传感器确认可疑性徘徊或逗留，非法通过特定区域等，并结合视觉传感器对可疑人员进行实时监控。
（1）信息采集概述
信息采集是根据特定目的和要求，利用传感器等将分散于不同时域/空域的信息采掘、积聚起来的过程。简单地说，信息采集就是获取信息，是对被检测对象的物理、化学、工程技术等方面的参量和数值进行提取的过程。由于信息本身不具备传输、交换的功能，需通过传感器转化为可感知的信号。信息系统确定了信息采集的原理和测量方法后，就需要设计、组成信息采集系统。随着数字技术的发展，越来越多地采用数字式采集系统采集信息，因而又称信息采集为数据采集。
数据采集是指将被测对象的各种参量通过各种传感器转换后，再经采样、量化、编码、传输等，最后由控制器进行数据处理或存储记录。传感器、控制器是信息采集系统的核心。
（2）信息采集系统的组成
一般来说，信息采集系统基本组成如图 2-1 所示。其中，前端传感器是信号输入通道的首要环节，也是决定整个测试系统性能的关键环节之一。
图 2-1 信息采集系统的基本组成
信息采集系统的关键是采集速度和精度。前者与采样频率、模数转换（A/D）速度等有关；后者与A/D转换器位数有关。对任何物理量而言，都有一定的精度要求。提高信息采集速度不仅提高了工作效率，还扩大了信息采集系统的适用范围，便于实现动态测试。
现代信息采集系统的主要特点：系统通常由计算机控制，信息采集质量和效率显著提高；信息采集与处理紧密结合，有利于系统一体化；采集系统实时性能满足更多的实际应用要求；采用超大规模集成电路（VLSI），采集系统的体积越来越小、可靠性越来越高；总线技术对信息采集系统发展起着重要作用。
常见传感器的工作原理及应用领域如表 2-1 所示。
表 2-1 常见传感器的工作原理及应用领域
传感器在安全防范领域的应用主要有两类：现场报警传感器，包括红外传感器、压力传感器、温度传感器、门磁探测器等；视觉传感器，即各种视频设备。下面分别介绍安全防范系统常用的入侵探测器、视频传感器、火灾探测器。
入侵探测器作为入侵探测报警系统的主要部分，是用来探测入侵行为的电子、机械部件组成的装置，通常由传感器、信号处理器和输出接口组成，简单的入侵探测器可以没有信号处理器和输出接口。其中，传感器作为入侵探测器的核心，是一种物理量探测/转换装置，采用不同原理的传感器可构成不同种类、不同用途、达到不同探测效果的探测装置。
从入侵探测器使用的技术来看，都是采用探测人体对环境“声、光、电、磁、热”等物理量造成影响来间接探测入侵情况的。这些物理量包括：人体远红外线热辐射、人体对微波（电磁波）的反射、人体对光线（红外光线）的遮挡、人体对超声波的反射、人体移动或敲击物品所发出的声音，以及移动门窗、物体位置时触动隐蔽开关等。传感器利用某些材料对上述物理现象的敏感性将其感知并转换为相应的电信号和电参量，如电压、电流、电阻、电容等；处理器对电信号放大、滤波、整形后成为有效的报警信号。各种入侵探测器都具有在保安区域内探测出人员存在的功能。
入侵探测器的发展趋势：更稳定、更可靠，如入侵探测器可抗电磁干扰、防雷电等，以适应恶劣气候；更多样的功能，如入侵探测器可调频、防遮挡、防喷盖、防破坏等；更精美、小巧的外观，以符合品味日益提高的室内装潢需求；更智能化的设计，便于布防/撤防；更强大的联网功能；更高的扩展性。
入侵探测器可按传感器种类、工作方式、警戒范围、传输方式、应用场合等区分。这里简要介绍按入侵探测器探测原理、警戒范围、工作方式的分类。
（1）按入侵探测器探测原理不同分类
入侵探测器按探测原理不同，分为主动红外入侵探测器、被动红外入侵探测器、微波入侵探测器、开关式探测器、超声波入侵探测器、声控入侵探测器、振动入侵探测器、玻璃破碎探测器、电场感应式入侵探测器、电容变化入侵探测器、视频探测器、微波-被动红外双技术入侵探测器、超声波-被动红外双技术入侵探测器，等等。
（2）按入侵探测器警戒范围不同分类
入侵探测器按探测器警戒范围不同，分为点控制入侵探测器、线控制入侵探测器、面控制入侵探测器及空间控制入侵探测器四种。各种入侵探测器的警戒范围如表 2-2 所示。
表 2-2 各种入侵探测器的警戒范围
①点控制探测器：警戒范围仅一个点的入侵探测器，警戒范围较小，仅限于局部控制。当这个警戒点的警戒状态被破坏时发出报警信号。例如，安装在门窗、柜台、保险柜的磁控开关入侵探测器，该警戒点出现危险情况时发出报警信号。磁控开关和微动开关探测器、压力传感器常用做点控制入侵探测器，特点是构造简单、工作稳定、安装简便、价格低廉，缺点是防范不够严密。
②线控制探测器：警戒的范围是直线范围，当这条警戒线上出现入侵时发出报警信号。例如，主动红外入侵探测器或激光入侵探测器，先由红外源或激光器发出一束红外光或激光，被接收器接收，当红外光或激光被遮断时，入侵探测器即发出报警信号。主动红外入侵探测器、激光入侵探测器和感应式入侵探测器常用做线控制式探测器。
③面控制探测器：警戒范围为一个面，如仓库、农场的周界围网等。当警戒面出现入侵时发出报警信号，例如，振动入侵探测器装在一面墙上，当这个墙面任何一点受到振动时即发出报警信号。振动入侵探测器、栅栏式被动红外入侵探测器、平行线电场畸变入侵探测器等常用做面控制式探测器。
④空间控制探测器：警戒范围是空间，当警戒空间内任意处出现入侵行为时，即发出报警信号。例如，在微波入侵探测器所警戒的空间内，入侵者从门窗、天花板或地板的任何一处入侵其中，都会发出报警信号。声控入侵探测器、超声波入侵探测器、微波入侵探测器、被动红外入侵探测器、微波红外复合入侵探测器等探测器，常用做空间防范控制探测器。
（3）按入侵探测器工作方式分类
按工作方式不同，入侵探测器分为主动式入侵探测器和被动式入侵探测器两种。
①主动式入侵探测器。工作时要向探测现场发出某种形式的能量，经反射或直射，在接收传感器中形成稳定的信号。出现非法入侵时稳定信号被破坏，输出报警信号。例如，微波入侵探测器，由微波发射器发射微波能量，在探测现场形成稳定的微波场，一旦移动目标入侵，稳定的微波场遭到破坏，微波接收机接收这一变化后即输出报警信号，是较为典型的主动式入侵探测器。主动式入侵探测器的发射装置和接收传感器可以在同一位置，如微波入侵探测器；也可以在不同位置，如对射式主动红外入侵探测器。常用的主动式入侵探测器有微波入侵探测器、主动红外入侵探测器、超声波入侵探测器等。
②被动式入侵探测器。工作时不需要向探测现场发出信号，依靠对被测物体自身存在的能量进行检测。正常情况下，传感器输出稳定的信号；出现非法入侵时，稳定信号被破坏，输出报警信号。例如，被动红外入侵探测器利用热电传感器能检测被测物体发射的红外线能量，当被测物体移动时，把周围环境温度与移动被测物体表面温度差的变化检测出来，触发入侵探测器报警输出，是较为典型的被动式入侵探测器。常用的被动式入侵探测器有被动红外入侵探测器、振动入侵探测器、声控入侵探测器、视频探测器等。
此外，入侵探测器还可以按用途或使用场所不同分为户外型入侵探测器、周界入侵探测器、户内型入侵探测器、重点物体防盗入侵探测器等；按入侵探测器输出的开关信号不同，分为常开型探测器、常闭型探测器。
入侵探测器有多种类型，主动红外入侵探测器将在第 3 章介绍。下面简要介绍机电探测器、光电探测器、被动红外入侵探测器、红外体温探测器、微波入侵探测器、超声波入侵探测器、接近探测器、声控入侵探测器、移动/振动入侵探测器等常用入侵探测器。
（1）机电探测器
机电探测器是最简单的入侵探测器，由围绕保护区域的闭合电路组成，入侵者进入该区域就会触发报警。其优点是原理简单、电路元件少、可靠性高，只要安装与维护得当，可以具有较好的探测性能，多作为高级报警系统的后备系统。另外，由于机电探测器易看见、易识别，对入侵者有一定的威慑作用。但机电探测器不能探测所有可能进入保护区的通道，即使所有的门窗都装上这种入侵探测器，入侵者仍可穿过墙壁、顶棚或地板侵入室内。机电探测器的另一缺点是安装困难，如果缺乏想象力和安装经验，则难以取得好的防范效果。此外，其敏感元件十分暴露，入侵者处理后会失效。机电探测器包括开关式探测器、玻璃破碎探测器、振动报警器、金属箔探测器等。
①开关式探测器。它是一种结构简单、使用方便、经济低廉的点控制探测器，由开关探测器和报警控制器组成，通过各种类型开关的闭合和断开来控制电路产生通/断效果，进而触发报警。凡在外力作用下使接点断开并能在外力消失后自动复位的各种接点开关均能与报警控制器配套使用，利用该原理的探测器统称开关式探测器。这种探测器应用范围很广，各种规模的安全防范系统都可以使用。其缺点是防范区域/部位不严密，漏洞较大，因此很少单独使用。常用的有微动开关、磁控开关、紧急报警开关、压力垫等，可以将压力、磁场力、位移等物理量的变化转换为电压或电流的变化，这里介绍最常用的前两种。
◆ 微动开关：一种机械触点式开关探测器，如图 2-2 所示。使用时，微动开关隐蔽地安装于靠近门或窗户的地板上，能有效保护贵重物品或作为人工紧急报警按钮，优点是结构简单、安装方便、价格便宜、防震性能好、触点可承受较大的电流，但抗腐蚀性及动作灵敏程度较差。
◆ 磁控开关：由永久磁铁和舌簧管两部分组成。舌簧管的构造是在充满惰性气体的密封玻璃管内封装两个或两个以上软铁电极。自然状态下，两个电极不接触的称为常开式，接触的称为常闭式。其中，常开式应用较广，如图 2-3 所示。将舌簧管安装在门或窗的框上，电极用导线与控制器连接，磁铁安装在门或窗扇上，关闭门窗，移动磁铁使其正好闭合。打开控制器，门窗即进入警戒状态（又称布防）。这时再开门窗，由于磁铁远离舌簧管，电极失磁自动断开，控制器就发出声/光报警。作为一种广泛使用的入侵探测器，磁控开关探测器具有结构简单、体积小、成本低、安装方便、动作灵敏、可靠性高、工作寿命长等优点。
图 2-2 两种微动开关
图 2-3 常开式舌簧管构造
②玻璃破碎探测器。利用压电陶瓷片的压电效应（压电陶瓷片在外力作用下产生扭曲、变形时将会在其表面产生电荷），制成玻璃破碎探测器。将其贴于门、窗玻璃，上、下表面分别用导线连接到控制电路，一旦玻璃受重力打击或破裂会产生压电效应，经控制电路处理，报警器将产生声/光报警。是否报警由控制电路辨别决定，汽车经过、人走路、刮风等引起的振动要排除，只有击打玻璃才报警，这样就有效减少了误报警。小到几十平方厘米，大到几平方米的不同厚度、不同规格的玻璃均可使用玻璃破碎探测器。安装时要注意粘贴牢固可靠，如果与开关式探测器配套使用效果更好。家庭使用时，与门锁控制连成一体即可构成最简单、实用的家庭防盗报警系统。由于各类偷盗案件中，案犯以暴力手段打破门、窗玻璃实施入室作案的比例较高，因此，玻璃破碎探测器在防盗报警中有很好的使用价值。
（2）光电探测器
光电探测器主要利用光线具有直线传播的特点，适合探测出入或较开阔而没有物体阻挡的区域。如果区域较大，可以使用镜子来反射光。
光电探测器的主要缺点：不适用于短而又不直的通道。若用于短而不直的通道，则需使用多面镜子，而每面镜子的安装位置不准或被沾染污物都会造成误报。另外，入侵者还可能利用镜子反射光束使光束不被阻断的方法潜入保安区内而不被探测出来。
此外，还有光探测器，这是一种不用光源驱动的入侵探测器，能自动测出保安区内的光线强度，并能对突然的变化做出反应。
（3）被动红外入侵探测器
被动红外入侵探测器由光学系统、被动红外传感器、信号处理和报警控制等组成，如图2-4 所示。其中，被动红外传感器包含两个互相串联或并联的热释电元，且制成的两个电极化方向相反，环境背景辐射对两个热释电元具有几乎相同的作用，使其产生的释电效应相互抵消。没有非法入侵时，入侵探测器无信号输出；入侵者进入探测区时，引起该区域红外辐射的变化将被热释电元接收，但两片热释电元接收到的热量不同，热释电元也不同，移动红外入侵探测器能据此探测出这种变化并发出报警信号。
图 2-4 被动红外入侵探测器
实际上，除入侵物体发出红外辐射外，被探测范围内的其他物体，如室外的建筑物、树木，室内的墙壁、家具等都会发生热辐射，不同温度下物体的红外辐射波长如表 2-3 所示。因为这些物体固定不变，故热辐射也是稳定的。当入侵者进入被监控区域后，稳定不变的热辐射被破坏，产生了变化的热辐射，红外传感器能收到该变化的辐射并经处理后产生报警。
表 2-3 不同温度下物体的红外辐射波长
被动红外入侵探测器的主要特点：属于空间入侵探测器；由于是被动式工作，不产生任何类型的辐射，保密性强，能很好地探测入侵行为；不必考虑照度，昼夜均可用，特别适合黑暗环境工作；功耗低、结构牢固、寿命长、维护简便、可靠性高。但红外线穿透性较差，因此监控区域内不能有障碍物，否则会造成探测“盲区”。
此外，为防止误报警，不应将被动式红外入侵探测器探头对准任何温度会快速改变的物体，特别是发热体。同时，在同一室内安装数个被动红外入侵探测器时，不会产生相互之间的干扰。基于上述原因，被动红外入侵探测器多属于室内应用型入侵探测器。
（4）红外体温探测器
红外体温探测器是光探测器的另一种形式，由入侵者身体发出的热能触发。这种探测器不会响应室温上升或下降带来的变化，但当温度约等于人体温度的目标（如入侵者）从敏感区域进入非敏感区域时，探测器就能检测出辐射的差别，并触发报警。红外体温探测器的灵敏度很高，且不容易被破坏。
（5）微波入侵探测器
微波入侵探测器由微波发射器和微波接收器组成。应用多普勒原理，发射特定频率的电磁波覆盖一定范围，能探测到该范围移动的人体并产生报警信号。工作原理如图 2-5 所示。发射器向防范区域发射频率 f 0 的微波信号，形成电磁场警戒区域；遇到固定目标时，反射回来的频率为 f 0 ± f d ；混频器将发射信号与接收的反射微波信号混频，得到这二者频率的差值信号。没有移动入侵目标出现时，混频后输出直流信号；有移动入侵目标出现时，混频后产生多普勒频率 f d 信号，该信号经放大、滤波、分析处理后触发报警。
图 2-5 微波入侵探测器的工作原理
微波入侵探测器的主要特点：警戒范围为空间，面积可达数百平方米，覆盖 60°～95°的水平辐射角，多用于室内；微波可以起到一个入侵探测器监控多个房间的作用；受环境湿度及噪声影响较小，可靠性较好。但存在如下缺点：安装要求较高，若安装不当，微波信号会穿透装有许多窗户的墙壁而导致频繁的误报；会发出对人体有害的微量能量，必须将能量控制在一定的范围；微波报警装置会受到空中交通和军事部门高能量雷达的干扰。
（6）超声波入侵探测器
超声波入侵探测器是专门用来探测移动物体的空间型入侵探测器，利用人耳听不到的超声波作为探测源。与微波入侵探测器的原理一样，也是应用多普勒原理，通过对移动人体反射的超声波产生响应，引起报警。根据结构和安装方法的不同，分为两种类型：一种是将两个超声波换能器安装在同一壳体内，即收-发合置型，工作原理是基于声波的多普勒效应，又称多普勒型超声波入侵探测器；另一种是将两个超声波换能器分别放置在不同的位置，即收-发分置型，工作原理不同于一般的多普勒效应，又称声场型超声波入侵探测器。
超声波报警装置的有效性取决于能量在探测区域内多次反射，如墙壁、桌子和文件柜等硬表面对声波具有很好的反射作用，而地毯、窗帘和布等软质材料则是声波的不良反射体。因此，具有坚硬墙壁这样反射表面的小区域所需入侵探测器少，充满软质材料的区域最好使用其他入侵探测器。另外，如果房间通风很好，或房间某部位在加温使空气流动较大，都可能使超声波入侵探测器发生误报。
（7）接近探测器
接近探测器是一种入侵者接近时能触发报警的探测装置，通常有高频LC振荡电路，LC回路通过导线连通到外部的金属部件。人体靠近时会通过空间电磁耦合改变LC回路谐振频率，改变振荡频率，检测电路识别这种频率的改变并发出报警信号。接近探测器具有良好的多用性和通用性，适用于文件柜、保险柜等的保护，也可用于门窗的保护。其突出优点是可以很方便地将被保护物体当做电路的一部分，只要有人试图破坏系统就会立即触发报警。正因为如此，如果为了适应某一种应用而把灵敏度调得太高，会造成频繁的误报。
（8）声控入侵探测器
声控入侵探测器用来探测入侵者在防范区域走动或进行盗窃、破坏活动时所发出的声响，以探测的声音强度作为是否报警的依据，其原理框图如图 2-6 所示。在防护区域内安装一定数量的声控入侵探测器，把接收的声音信号转换为电信号，经电路处理后送到报警控制器。当声音强度超过一定设定阈值时，触发电路发出声/光等报警。这种入侵探测器主要用来鉴别引起报警的原因，局限性是背景噪声在很宽的范围内变化时易造成误报。
图 2-6 声控入侵探测器原理框图
（9）移动/振动入侵探测器
移动/振动入侵探测器以探测入侵者的走动或进行各种破坏活动时所产生的振动信号作为报警依据，例如，入侵者破坏门、窗、撬保险柜等会引起这些物体的振动，以这些振动信号来触发报警的探测器就称为振动入侵探测器，有机械式振动入侵探测器、电动式振动入侵探测器、电子式全面型振动入侵探测器等，主要用于有人员在保护区内活动时特殊物件的保护。
此外，还有广泛使用的周界探测器，将在第 3 章介绍。如图 2-7 所示为探测器在写字楼应用示意图。
入侵探测器的精确程度直接影响到安全防范系统的准确性、可靠性。由于环境因素的复杂性和多变性，外部存在的各种干扰信号都可能对系统造成影响。环境因素对常用的红外、微波、超声波入侵探测技术的影响如表 2-4 所示。
图 2-7 探测器在写字楼应用示意图
表 2-4 环境因素表
为解决入侵探测系统的误报问题，一方面应更加合理地选择、安装和使用入侵探测器，另一方面要不断提高入侵探测器的质量，采用性能稳定、可靠性高的产品。但入侵探测器的灵敏度太高，系统的抗干扰能力就差，易出现误报警情况；灵敏度太低，对一些入侵情况就不能做出反应，出现漏报警。
解决上述问题的方法是采用两种类型以上的“复合探测”技术。双技术入侵探测器又称双鉴器，它将两种入侵探测技术结合以“相与”的关系来触发报警，只有两种入侵探测器同时或相继在短时间内都探测到目标时才发出报警信号。这样，可有效减少误报。同时，通过提高检测灵敏度，漏报情况也能减少。1973 年，日本首先提出双鉴器的设想，但直到20 世纪 80 年代初才生产出来。常见的双鉴器有“微波-被动红外”、“超声波-被动红外”、“超声波-微波”、“被动红外-被动红外”等，几种入侵探测器误报率比较如表 2-5 所示。
表 2-5 几种入侵探测器误报率比较
可以看出，“微波-被动红外”双鉴器误报率最低，比其他几种类型的双鉴器误报率降低 270 倍，比单技术入侵探测器的误报率降低 421 倍。作为目前应用最为广泛的双鉴器，它将微波入侵探测器和被动红外入侵探测器封装在一个壳体内，并将两个入侵探测器输出信号共同送到“与门”电路去触发报警。其基本组成如图 2-8 所示。
图 2-8 “微波-被动红外”双鉴器基本组成
双鉴器虽然成本较高，但可靠性、准确性远高于单技术入侵探测器。它集两种单技术入侵探测器优点于一体，对环境干扰因素有较强的抑制作用，应用广泛。
选购、安装和使用入侵探测器时，必须对入侵探测器技术性能指标有所了解，否则会影响使用效果，难以达到安全防范目的。入侵探测器主要有以下几项技术指标。
①探测率。探测到入侵目标时，实际报警次数与应当报警次数的百分比，该值越高越好。
探测率=（因出现危险情况而报警次数/出现危险情况总数）×100%
②漏报率。出现入侵行为时没有发出报警称为漏报警，漏报次数占应当报警次数的百分比称为漏报率。
漏报率=（因出现危险情况而未报警次数/出现危险情况总数）×100%
③误报率。没有入侵行为时发出的报警称为误报警，单位时间内发生误报警的次数称为误报率。误报警可能由于元件故障或某些外界影响造成，既增加了许多不必要的麻烦，也降低了报警的可信度。
误报率=（误报警次数/报警总数）×100%
④探测灵敏度。探测灵敏度是指入侵探测器发出报警信号的最低门限信号或最小输入探测信号，该指标反映了入侵探测器对入侵目标产生报警的反应能力。
⑤探测范围。探测范围有探测距离、探测视场角、探测面积或体积等表示方法。例如，某被动红外入侵探测器的探测范围为一立体扇形空间区域。可表示为：探测距离≥15m、水平视场 120°、垂直视场 43°；某微波入侵探测器的探测面积≥100m 2 ；某主动红外入侵探测器的探测距离 150m等。
⑥平均无故障工作时间（MTBF）。是指出现两次故障时间间隔的平均值。防盗报警控制器正常条件下MTBF分为I、II、III三级。I级：5×10 3 h；II级：2×10 4 h；III级：6×10 4 h。防盗报警控制器产品指标不应低于I级要求。
⑦报警传输方式，最大传输距离。传输方式是指有线/无线传输方式；最大传输距离是指入侵探测器发挥正常警戒功能条件下，入侵探测器与报警控制器间最大有线/无线传输距离。
⑧功耗。入侵探测器工作时的功率消耗，分静态功耗（非报警状态）及动态功耗（报警状态）。
入侵探测器的选择和布设是安全防范系统准确、稳定、可靠工作的关键，要根据报警设备的原理、特点、适用范围、局限性、现场环境状况、气候情况、电磁场强度及光照变化等选择合适的入侵探测器，设计合适的安装位置、安装角度及系统布线，还要根据具体的使用情况来选型。用途、场所不同，探测原理、入侵探测器工作方式、入侵探测器输出信号、入侵探测器与控制设备及各防区的连接各异。此外，入侵探测器的灵敏度与可靠性相互影响。只有了解各种入侵探测器的性能和特点，根据不同使用环境合理配置相应的入侵探测器，才能构成具备良好准确性、稳定性、可靠性的入侵探测系统。入侵探测器选择原则主要有以下三点。
①主动入侵探测器为主，被动入侵探测器为辅。通常，主动入侵探测器多用在室外，达到阻止入侵者于室外的目的。例如，红外对射、红外栅栏等，可以在入侵者接近围墙或窗户时及时报警，达到阻遏、防范的作用；普通的被动入侵探测器可以在重要的部位进行二级布防，组成更为严密的防范体系。
②双鉴器为主，单技术入侵探测器辅助。探测到物体后如果直接报警，会造成误报；双鉴器探测到物体后，经双重确认才报警，误报率显著降低。
③有线为主，无线辅助。要保证无线入侵探测器正常工作，供电的稳定性是关键，供电电压和电流的下降势必影响入侵探测器的探测距离和传输距离，这是尽量使用有线入侵探测器的主要原因。
入侵探测器作为探测系统最重要的环节，其合理选择是系统准确、可靠、稳定工作的关键。根据GB 50394－2007《入侵报警系统工程设计规范》规定，对常用入侵探测器的选型要求如表 2-6 所示。
表2-6 常用入侵探测器选型要求
续表
安全防范系统涉及的信息采集有开关信号、视频信号、音频信号等。鉴于人类获取的信息 70 %源自视觉，视觉以其特有的直观、准确、真实等特点，广泛应用于安全防范领域。
光电传感器是将可见光转换成某种电量的传感器，由光源、光学通路和光电元件等组成。它受到可见光照射后产生光电效应，将光信号转换成电信号。除测量光强外，还能利用光线的透射、遮挡、反射、干涉等测量尺寸、位移、速度等。
光电传感器的光电效应是指光照射到某些物质上，使该物质电特性发生变化的物理现象，分为外光电效应和内光电效应两类。外光电效应是指在光线作用下，物体内的电子吸收入射光的能量后逸出物体表面向外发射的物理现象，例如，光电管、光电倍增管等就是利用外光电效应制成的电真空器件。内光电效应是指在入射光照射下，半导体材料价带中的电子受到光子轰击，有价带跃入导带，使材料导带中的电子和价带中的空穴浓度增大，电阻率发生改变的一种现象。例如，光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等均是利用内光电效应制成的光电传感器。
光敏二极管外形与普通二极管类似，只是管壳上开有嵌着玻璃的窗口，便于光线射入。无光照时，与普通二极管一样，反向电流很小；有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴（光电载流子），在外电场作用下光电载流子参与导电，形成较大的反向电流（光电流）。光电流的大小与光照强度成正比，这样负载电阻就能得到随光照强度变化的电信号。光敏三极管发射结与光敏二极管一样具有光敏特性，有光照时集电结获得电流增益，故灵敏度很高。
基于光电传感器的检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，且传感器结构简单、形式灵活多样，因此应用极为广泛。
（1）CCD传感器概述
CCD是最常用的视频传感器，1969 年由美国Bell实验室发明。它由光敏单元、输入结构和输出结构等组成，具有光电转换、信息存储和延时等功能，广泛应用于摄像、信号处理和存储等，尤以视频传感器的应用令人瞩目。
CCD视频传感器作为一种新型光电转换器，已广泛应用于摄像、图像采集、扫描仪及工业测量等。与摄像管相比，CCD视频传感器具有体积小、分辨率高、灵敏度高、动态范围宽、光敏像元几何精度高、光谱响应范围宽、功耗小、寿命长、抗震性和抗冲击性好、不受电磁场干扰和可靠性高等优点，已成为摄像机、数码相机（DC）、打印机、扫描仪、传真机、数码摄像机（DV）和多媒体系统的核心部件，在光电图像信息的采集、处理中起着重要作用。
（2）CCD传感器结构
CCD传感器结构如图 2-9 所示，包括微棱镜、滤色片、感光区等。
图 2-9 CCD传感器结构
①微棱镜。CCD的成像关键是感光层，为提高CCD采光率，需扩展每个像素的受光面积，但会降低图像质量。有了“微棱镜”，CCD感光面积不再由传感器开口面积决定，而是由微型棱镜片的表面积决定。
②滤色片。CCD的第二层是“滤色片”，有三原色分色法RGB（R－红、G－绿、B－蓝）和补色分色法CMYK（C－青、M－洋红、Y－黄、K－黑），两种方法各有优缺点。RGB是指人类可以识别的颜色均能由红、绿、蓝三种颜色按不同比例组合而成，优点是画质锐利、色彩真实，但存在噪声；CMYK是指人类可以识别的颜色均能由青、洋红、黄、黑四种颜色按不同比例组合而成，多用于印刷业，但颜色种类不及RGB的多。
③感光区。CCD的第三层是“感光区”，该层将穿过滤色层的光源转换成电信号，并传输到影像处理芯片，实现影像还原。
（3）CCD传感器原理
CCD的光敏像元按一定规律排列组成，各像元都是MOS电容器（光敏二极管）。光线投射到MOS电容器时，光子穿过透明电极及氧化层进入P型Si衬底，衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量跃入导带。光子进入衬底时产生的电子跃迁形成电子-空穴对，电子-空穴对在外加电场的作用下，分别向电极的两端移动，这就是信号电荷。电荷的多少与光强成线性关系。电荷读出时，在一定相位关系的移位脉冲作用下，从一个位置移动到下一个位置，直到移出CCD，经过电荷-电压变换，转换为模拟信号。
可见，CCD的工作过程就是信号电荷的产生、存储、转移和检测，相当于模拟移位存储器，如图 2-10 所示。
（4）CCD传感器的分类
根据像素排列方式不同，CCD分为面阵和线阵：前者把CCD像素排成一个平面；后者把CCD像素排成一条直线。目前，应用较多的是面阵CCD，根据结构不同分以下三种。
①帧转移型CCD，由上、下两部分组成，上半部分是集中了像素的光敏区域，下半部分是被遮光而集中垂直寄存器的存储区域，优点是结构较简单且容易增加像素数，但CCD尺寸较大，会产生垂直拖影。
图 2-10 CCD的工作过程
②行间转移型CCD，是目前的主流产品，其像素群和垂直寄存器在同一平面，优点是价格低，易获得良好的摄影特性。
③帧行间转移型CCD，是上述两种传感器的复合型，结构复杂，但能显著减少垂直拖影，易于实现可变速电子快门。
（5）关于CCD摄像机
CCD是摄像头的核心，多采用日本Sony、Sharp、Panasonic等公司生产的芯片。因为CCD芯片生产时等级不同，故视频采集效果各异。
① CCD摄像机的主要技术指标。
◆ CCD尺寸。CCD尺寸即摄像机靶面的大小，原多为 1/2 英寸，现在 1/3 英寸的已普及化，1/4 英寸和 1/5 英寸也已商品化。
◆ CCD像素。它是CCD的主要性能指标，决定了显示图像的清晰程度，分辨率越高，图像细节的表现越好。
◆ 分辨率。彩色摄像机典型分辨率为 320～500 线，分辨率不但与CCD及镜头有关，还与摄像头电路通道的频带宽度直接相关。通常，1MHz频带宽度相当于清晰度80 线，频带越宽图像越清晰，线数值相对越大。
◆ 灵敏度。CCD对环境光线的敏感程度，即CCD正常成像所需的最暗光线。该值越小，表示需要的光线越少，摄像头越灵敏。
◆ 信噪比。典型值为 46dB；50dB有少量噪声，但图像质量良好；60dB图像质量优良，几乎没有噪声。
② CCD摄像机的分类。
◆ 按成像色彩划分，分彩色和黑白。前者适用于景物细节、颜色辨别；后者适用于光线不足环境及夜间无法安装照明设备的区域。若仅仅监控目标的位置或移动，多选用黑白摄像机。
◆ 按CCD靶面大小划分，目前，多采用 1/3 英寸和 1/4 英寸。对摄像角度要求较严格的场所，CCD靶面大小、CCD与镜头的配合等直接影响视场角大小和图像清晰度。
◆ 按照度划分，分为三种。普通型，正常工作所需照度 1～3lx（勒克斯）；月光型，正常工作所需照度约 0.1lx；星光型，工作时所需照度<0.01lx；红外型，采用红外灯照明，没有光线的情况下也能成像。
CCD摄像机简单检测方法：接通电源，连接视频电缆到监视器，关闭镜头光圈，看图像全黑时是否有亮点及屏幕上雪花大小；打开光圈看静止目标，如果是彩色摄像头，最好摄取色彩鲜艳的物体，看监视器的图像是否偏色、扭曲，色彩或灰度是否平滑，高质量CCD能很好地还原景物的色彩，物体清晰自然。
（1）CMOS传感器概述
20 世纪 60 年代末，美国Bell实验室提出固态成像器件概念后，固体视频传感器发展迅速，CMOS传感器与CCD传感器的研究几乎同步，但受当时工艺水平的限制，CMOS视频传感器的图像质量差、分辨率低、光照灵敏度不够。而CCD视频传感器由于灵敏度高、噪声低，逐步成为市场主流，但工艺方面的原因导致CCD敏感元件和信号处理电路不能集成于同一芯片，故摄像机体积大、功耗高。70 年代初，CMOS传感器制造成功；80 年代，第一块单片CMOS试制成功；1995 年，分辨率 128×128 的CMOS有源像素视频传感器研制成功；1997 年，英国VLSI Version公司首次实现CMOS的商品化。但CMOS视频传感器一直没有克服光照灵敏度差和图像分辨率低的缺点，图像质量无法与CCD相比。
近年来，视频传感器芯片设计的改进及亚微米、深亚微米级设计增加了像素内部的新功能，CMOS视频传感器的缺点逐步克服，同时保持了体积小、质量小、功耗低、集成度高、成本低廉等优点，因而逐渐成为研究热点，在视频传感器市场独树一帜。
（2）CMOS传感器的工作原理
典型的CMOS传感器芯片结构框图如图 2-11 所示。
图 2-11 典型的CMOS传感器芯片结构框图
CMOS传感器的工作原理：光照射到像素感光阵列时发生光/电效应，产生相应电荷；行选择单元根据需要选通相应的行像素单元，像素单元的图像信号通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理单元及A/D转换器，转换成数字图像信号输出。由于感光元件生成的模拟电信号太弱，无法直接进行A/D转换，须放大处理，CMOS传感器中每个感光元件都直接集成了放大器和A/D转换器。由于无法保证各像素点放大率严格一致，放大后的图像数据无法精确代表拍摄物体的原貌，因此CMOS图像质量低于CCD，但它把整个图像系统集成于一块芯片，降低了功耗，具有质量小、成本低廉等优点。
CMOS像素阵列如图 2-12 所示。按照像素阵列单元结构的不同，分无源像素单元、有源像素单元和对数式像素单元，三种像素阵列单元各有特点，但工作原理基本相同。
图 2-12 CMOS传感器像素阵列
CCD与CMOS作为目前广泛采用的两种视频传感器，都利用感光二极管进行光/电转换，但电荷读出方式不同。安全防范领域中的监控摄像机多为CCD，网络摄像机多为CMOS。从技术角度比较，CCD与CMOS两种视频传感器差异如下。
①信息读取方式。CCD存储的电荷信息需在同步信号控制下一位一位地转移后读取，电荷信息转移、读取、输出需时钟控制电路和 3 组不同的电源相配合，较为复杂；CMOS传感器经光/电转换后，各像素点有单独的放大器转换输出，能快速处理大量数据，输出高清影像，较好地满足高清网络摄像机的需求。
②速度。CCD在同步时钟控制下以行为单位逐位输出信息，无法满足高速读取高清数据的需要；CMOS光电传感器采集光信号直接产生电压信号，信号读取十分简单，还能同时处理各单元的图像信息，没有CCD的“瓶颈”问题，速度比CCD快很多。
③成像质量。CCD起步早、技术成熟，采用PN结或SiO 2 隔离噪声，成像质量相对于CMOS有一定优势；CMOS集成度高，各光电传感元件、电路间距离很近，相互间光、电、磁干扰较严重，噪声对图像质量影响较大，电路消噪技术的发展为生产高品质CMOS视频传感器提供了良好条件。
④电源及耗电量。CCD大多需要 3 组电源供电，功耗较高；CMOS光电传感器只需要一个电源，功耗较低，仅为CCD的 1/10～1/8。
⑤成本差异。CCD传感器需要特殊工艺，使用专用生产流程，成本高；CMOS传感器使用与制造半导体器件基本相同的技术和工艺，且成品率高，制造成本低。
两种视频传感器优缺点比较如表 2-7 所示。可以看出，CMOS传感器在制造成本、功能集成、功耗特性等方面有优势；CCD在灵敏度、像素规模及噪声控制等方面有优势。
表 2-7 CCD与CMOS两种视频传感器比较
续表
火灾发展初期，会出现发热、发光、冒烟等表征火灾信号的物理/化学参量，为火灾探测提供了重要依据。国际标准ISO 7240－1《火灾探测和报警系统》定义火灾探测器“是火灾自动探测报警系统的组成部分，至少含有一个能连续或以一定频率周期监控与火灾有关的至少一个适合的物理和化学现象的传感器，并且至少能向控制和指示设备提供一个适合的信号，是否报火警或操作自动消防设备可由探测器或控制和指示设备做出判断。”
据此，火灾探测器由传感器、处理单元、判断及指示电路等组成。其中，敏感元件/传感器能对一个或几个火灾参量进行监测。火灾探测器的基本功能：对气、烟、热、光等火灾参量做出有效响应，并转化为控制中心可接收的电信号，供后端分析、处理。性能优异的火灾探测器数据处理能力和智能化程度较高，能有效减少误报警概率。衡量火灾探测器质量好坏的主要指标有灵敏度、可靠性、稳定性和抗干扰能力。
火灾探测器根据响应方式及工作原理不同，分为感烟探测器、感温探测器、火焰探测器、可燃气体探测器及两种或几种探测器的组合等，每个类型根据工作原理的不同还可分为若干种，如表 2-8 所示。
表 2-8 火灾探测器的分类
其中，最常用的是感烟探测器，这种响应燃烧或热解所产生固体/液体微粒的烟雾粒子探测器，主要探测可见/不可见的燃烧产物及起火速度缓慢的初期火灾，分为离子型、光电型、激光型和红外线束型 4 种。
①离子感烟探测器：由放射源、外置的检测电离室、内置的补偿电离室组成，利用烟雾粒子改变电离室电流的原理设计而成。放射源照射空气中物质产生正/负离子，并形成电场。烟雾进入检测电离室后与带电离子结合，带电离子数量的减少使电场电压产生变化，烟雾越多、越浓，电压变化越大。该电压与阈值电压比较，判别是否报警。工作原理如图 2-13 所示。
②光电感烟探测器：利用烟雾粒子对光线的散射、吸收、遮挡原理制成。光电感烟探测器有个迷宫式烟雾探测室，里面设有发光元件和受光元件。由于是迷宫式设计，发光元件的光线一般不能照射到受光元件上。烟雾进入后，光线在烟雾中产生散射，部分光线射到受光元件上，烟雾越浓，散射到受光元件的光线越多，经后端处理完成报警功能。光电感烟探测器的工作原理如图 2-14 所示。
③红外感烟探测器：由向对安装的红外发射器-接收器组成，利用烟雾粒子吸收或散射红外光束的原理进行工作，多用于大面积、大空间。发射器周期性地发射红外辐射脉冲，红外辐射经光学系统形成近似为平行光束穿过被保护区，在接收器处形成较大的弥散区，经光学系统聚焦后，由光电探测器接收，再经检波器检波后变为一定大小的直流电平。烟雾出现在光束路径上时，对红外光吸收、遮挡和散射，导致到达接收器的红外辐射通量减弱，检波器输出的直流电平发生变化，发出报警信号。该方式优点是成本低、可靠性高，但需经常清洁，否则会引起误报。红外感烟探测器的工作原理如图 2-15 所示。
图 2-13 离子感烟式探测器工作原理
图 2-14 光电感烟探测器
图 2-15 红外感烟探测器的工作原理
④激光型感烟探测器：其工作原理与红外感烟探测器相似，只是光源为激光发生器，但警戒距离比红外感烟探测器远得多，局限性是价格较高。激光型感烟探测器的工作原理如图 2-16 所示。
图 2-16 激光型感烟探测器工作原理
此外，常用的还有感温探测器，主要利用热敏元件探测火灾。因为火灾初始阶段不但产生烟雾，还会释放大量的热量，导致周围温度急剧上升。热敏元件将温度转变为电信号并报警。根据感热效果和结构不同，感温探测器分为定温式、差温式、差定温式三种。其中，差定温式探测器用两个性能相同的热敏电阻搭配，一个放置在金属屏蔽罩内，另一个放在外部。外部的热敏电阻感应速度快，内部的热敏电阻由于隔热作用感应速度慢，利用二者的差异即可实现差温报警。同时，外部热敏电阻设置在某一固定温度（62℃为一级灵敏度，70℃为二级灵敏度，78℃为三级灵敏度），达到定温报警的目的。除信号采集、放大整形外，其他的电路组成和离子感烟探测器基本相同。
设计火灾自动报警系统时，需根据不同的场合选择相应的火灾探测器。
①火灾初期（引燃阶段），产生大量烟和少量的热，很少或没有火焰辐射的场所，应选择感烟探测器。
②火灾发展迅速，产生大量热、烟和火灾辐射的场所，可选择感烟探测器、感温探测器、火焰探测器或其组合。
③火灾发展迅速，有强烈的火焰辐射和少量的烟、热的场所，应选择火焰探测器。
④火灾形成特征不可预料的场所，可根据模拟试验的结果选择探测器。
⑤使用、生产或聚集可燃气体的场所，应选择可燃气体探测器。
⑥装有联动装置、自动灭火系统以及用单一探测器均不能有效确认火灾的场所，宜采用感烟探测器、感温探测器、火焰探测器的组合，即复合探测器。
⑦相对湿度大于 95%的场所，如厨房、锅炉房、洗衣房等，宜选用感温探测器。
火灾自动报警系统能否良好运行，除了与火灾探测系统产品质量有关，还受火灾探测器安装质量的影响。例如，点型火灾探测器安装应符合下列规定：探测器应水平安装，必须倾斜安装时，倾斜角≤45°；探测器至墙、梁的水平距离≥0.5m，周围 0.5m内不应有遮挡物；探测器至空调送风口水平距离≥1.5m，至多孔送风顶棚孔口水平距离≥0.5m；探测器底座固定牢固，导线须可靠压接或焊接，探测器外接导线余量≥15cm，入端标志明显；宽度<3m的内走道顶棚上设置探测器时，应居中安装；感温探测器安装间距≤10m，感烟探测器安装间距≤15m，探测器离端墙的距离不得大于探测器安装间距的一半。此外，探测器的确认灯应面向容易观察的主要入口方向。