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基于热释电传感器的位置相关算法研究
吴顺伟朱丽娜朱磊王春玲

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摘要：简要分析了热释电传感器的探测原理和特性，详细讨论了利用三个传感器实现人员定位的位置相关算法的实现，算法能适用恶劣条件下的人员定位及其它需要界位划分的场合。关键词：热释电传感器；被动定位；位置相关；算法 1热释电传感器及其探测原理 1．1PIR（Pyroelectric infrared Sensor）简介热释电传感器是一种新型被动红外探测元件,由铁电介质材料制成，辐射加热作用使材料自发极化强度变化。温度升高，极化强度降低，相当于释放出一部分电荷。制备热释电传感器的铁电材料有：硫酸三甘肽（TGS）、铌酸锶钡（SBN）和钛酸铅（PbTiO3）等。热释电传感器内有两个关键性的元件：（1）热释电红外感应单元(PIR Unit)，能将波长为8～12μm之间的红外信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用。（2）菲涅尔透镜组（Fresnel Lens Array），是由若干个Fresnel Lens组成。菲涅尔透镜包括两种形式，即折射式和反射式，有两个作用:①聚焦作用，将热释的红外信号折射（或反射）在PIR上；②通过区域性遮断技术将警戒区内分为若干个明区和暗区，使进入警戒区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释电红外信号，这样PIR就能产生变化的电信号。 1．2探测原理［1］热释电传感器是利用目标物体所发出的红外辐射信号实现被动探测的，目标物体辐射能量的大小与物体绝对温度有关，其关系遵循普朗克定律，关系式为： W_λ=2πhc²［λ⁵(e^hc/kT-1)］^-1（1）式中 h为plank常数(6.626×10^-34Js)；c为光速(2.9979×10⁸m/s)；T为绝对黑体的温度(K)；λ为波长；K为Bolzman常数(1.38110^-21J/K)。W_λ为绝对黑体的光谱辐射发射量，由（1）式，可知：（1）目标物体的辐射能量随温度的升高而增大；（2）随着温度的升高，物体辐射能量的峰值向短波方向移动，其变化符合维恩定律，即：λpT=2897.8,λp为峰值时红外线波长；（3）相同温度下，不同目标物体的辐射能量是不同的。 1．3信号调理电路由于热释电传感器输出信号频率和幅度比较低，易受外界环境的影响产生干扰，除了设置抗干扰电路外，选用放大器时应选低噪声、低漂移、低功耗、具有温度补偿的高增益精密运算放大器，实际电路见图1。（图片）图1热释电传感器与信号调理电路实际连接图热释电传感器的输出信号直流电平为1V，幅度为1mV的交变信号，该信号通过热释电传感器内部场效应管的源极输出，即图1中的节点1。第一级运算放大器（U1）是低频小信号放大电路，输出节点为3。第二级运算放大器（U2）为具有微分补偿电路的直流放大电路，由元件C1、R6、R7、R8和U2组成，输出电压V3波形如图2。（图片）图2信号调理电路输出电压波形图中t1～t2之间的曲线表示当人员进入传感器时波形变化情况，t2～t3之间的曲线表示当人员在传感器内部时波形变化情况，t3～t４之间的曲线表示当人退出传感器时的波形变化情况。从波形的变化可以看出：当人员进入传感器时，在直流电平2.5V的基础上迭加了一个正的电压波形，而退出时，迭加了负的电压波形，由此得出结论：人员进入时信号幅度正向增大，而退出时信号幅度间反向增大，该结论作为人员定位与移动相对位置匹配算法的判定依据。 2位置相关算法 2.1算法的设计思想定位软件是指通过特定的算法确定人员具体位置的软件，从而确定是否进行预报警或者报警，若预报警，则单片机发送预报警指令，进行声光报警；如报警，除了启动声光报警装置外，同时应将大型机械停车，以确保人员安全。为此，算法设计的关键是将探测区域进行合理的划分。 2.2算法的具体实现图3是由三个热释电传感器辐射区域交叉组成的平面结构图。三个传感器辐射区域两两相交，共分为8个区域，将这些区域划分为安全区、预报警区和报警区。其中1、2、3、4、6、7为预报警区，5为危险区，若有人进入该区则报警并输出闭锁控制信号，使转载机停车。（图片）图3三个传感器辐射交叉平面结构图 2.2.1具体数据格式前一时刻的位置表示人员上一时刻在探测范围内的具体位置，作为移动方向判定的基本依据；传感器1、传感器2和传感器3表示三个传感器检测信号经A/D转换后的数值；PLAST为上一时刻人员的位置（0～7），称之为保留字，初值为0，表示人员在报警区以外的安全位置。②X=［ X1，X2，X3］。XK表示人进入（或者退出）由K号传感器所确定的平面区域时，传感器的检测信号经过模数转换后的值，它的范围为00～FFH，对应模拟量0～5V。设无人进出时，信号调理电路的输出直流电平为2.5V，但是由于环境噪声的存在(如:气流的变化、湿度的变化、大型机械的的开停等)，信号调理电路的输出信号迭加了一定的噪声电平△A，总输出为2.5+△A，△A可正可负，它的值可通过单片机学习功能得到。表1具体的数据格式（图片） 2.2.2函数关系通过分析我们发现：图3中每个具体位置是由不同传感器所包围形成的，人员从不同位置移向另一位置时，相应传感器测得的数据会发生较大变化，而其它传感器的数据变化小于某个值△k。即：人员的位置（Position）由上一时刻人员的位置PLAST和该时刻三个传感器的电平经A/D转换后的数值X（X1、X2和X3）确定，并且给定PLAST和X（X1，X2，X3），可唯一确定Position，他们之间满足下列函数关系式： Position=f（PLAST，X） 2.2.3数据存储由函数关系的讨论可知,人员的当前位置与前时刻的位置及当前传感器测得的数据有关。为了描述方便,我们称人员前时刻的位置为“保留字”,当前传感器检测值与阈值的比较称为“判断条件”，人员前时刻的位置和当前判断条件存储在外部的非遗失性存储器中，数据存储形式为邻接表，表头为0～7保留字，共计8个位置，表的其它内容为从该位置移动到相应位置的变化条件，即传感器检测信号的变化情况。以保留字2为例，与其相邻的位置为1、3、4、5、6和7，具体确定方法见图3。当传感器的输出变化情况发生改变时，人员的移动方向和位置是不同的，与保留字2相邻的位置和条件对应关系见表2。与其它保留字相邻的位置和条件的对应关系确定方法与表2相同。表2与保留字2相邻的位置和条件对应关系（图片）表2中，“不变”是指该传感器的输出电平与上一时刻电平之差绝对值小于△K；A1表示当人员进入传感器时的判断阈值；A2表示当人员退出传感器时的判断阈值。 2.2.4具体定位方法将巡检到的三个传感器数据Xi（i=1、2、3）与阈值A1和A2比较，据保留字和比较结果可判断人员的当前位置。比如：设保留字为2，X2=X3为不变，X3 4结束语利用三个热释电传感器实现了人员定位算法，即位置相关算法，适当增加检测的传感器数量，可提高检测精度和准确度，但算法会变得很复杂，该算法不仅适合于煤矿环境的人员定位，而且也适用于其它需要界位划分的场合。算法的实现是推动被动定位技术发展的一个重要补充和探索。独特的传感器系统结构设计，可任意调整探测距离和范围，具有较大的灵活性。利用该算法实现的人员安全保护系统已在煤矿生产中得到了广泛应用。参考文献：〔1〕顾平.热释电红外控制电路及其应用〔J〕.《Practical radio》，1997，5～ 8 〔2〕周喜章.热释电红外传感器原理与应用〔J〕.《传感器世界》，20（7），1996，22 ～ 25 3/18/2007


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