《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于熱釋電傳感器的位置相關(guān)算法研究
摘要: 利用三個(gè)熱釋電傳感器實(shí)現(xiàn)了人員定位算法,即位置相關(guān)算法,適當(dāng)增加檢測(cè)的傳感器數(shù)量,可提高檢測(cè)精度和準(zhǔn)確度,但算法會(huì)變得很復(fù)雜,該算法不僅適合于煤礦環(huán)境的人員定位,而且也適用于其它需要界位劃分的場(chǎng)合。算法的實(shí)現(xiàn)是推動(dòng)被動(dòng)定位技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要補(bǔ)充和探索。獨(dú)特的傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可任意調(diào)整探測(cè)距離和范圍,具有較大的靈活性。利用該算法實(shí)現(xiàn)的人員安全保護(hù)系統(tǒng)已在煤礦生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。
Abstract:
Key words :

1熱釋電傳感器及其探測(cè)原理

1.1PIR(Pyroelectric infrared Sensor)簡(jiǎn)介

   熱釋電傳感器是一種新型被動(dòng)紅外探測(cè)元件,由鐵電介質(zhì)材料制成,輻射加熱作用使材料自發(fā)極化強(qiáng)度變化。溫度升高,極化強(qiáng)度降低,相當(dāng)于釋放出一部分電荷。制備熱釋電傳感器的鐵電材料有:硫酸三甘肽(TGS)、鈮酸鍶鋇(SBN)和鈦酸鉛(PbTiO3)等。熱釋電傳感器內(nèi)有兩個(gè)關(guān)鍵性的元件:(1)熱釋電紅外感應(yīng)單元(PIR Unit),能將波長(zhǎng)為8~12μm之間的紅外信號(hào)變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),并能對(duì)自然界中的白光信號(hào)具有抑制作用。(2)菲涅爾透鏡組(Fresnel Lens Array),是由若干個(gè)Fresnel Lens組成。菲涅爾透鏡包括兩種形式,即折射式和反射式,有兩個(gè)作用:①聚焦作用,將熱釋的紅外信號(hào)折射(或反射)在PIR上;②通過(guò)區(qū)域性遮斷技術(shù)將警戒區(qū)內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū),使進(jìn)入警戒區(qū)的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋電紅外信號(hào),這樣PIR就能產(chǎn)生變化的電信號(hào)。

1.2探測(cè)原理[1]

熱釋電傳感器是利用目標(biāo)物體所發(fā)出的紅外輻射信號(hào)實(shí)現(xiàn)被動(dòng)探測(cè)的,目標(biāo)物體輻射能量的大小與物體絕對(duì)溫度有關(guān),其關(guān)系遵循普朗克定律,關(guān)系式為:
Wλ=2πhc2[λ5(ehc/kT-1)]-1(1)
式中 h為plank常數(shù)(6.626×10-34Js);c為光速(2.9979×108m/s);T為絕對(duì)黑體的溫度(K);λ為波長(zhǎng);K為Bolzman常數(shù)(1.38110-21J/K)。Wλ為絕對(duì)黑體的光譜輻射發(fā)射量,由(1)式,可知:

(1)目標(biāo)物體的輻射能量隨溫度的升高而增大;
(2)隨著溫度的升高,物體輻射能量的峰值向短波方向移動(dòng),其變化符合維恩定律,即:λpT=2897.8,λp為峰值時(shí)紅外線波長(zhǎng);
(3)相同溫度下,不同目標(biāo)物體的輻射能量是不同的。

1.3信號(hào)調(diào)理電路

由于熱釋電傳感器輸出信號(hào)頻率和幅度比較低,易受外界環(huán)境的影響產(chǎn)生干擾,除了設(shè)置抗干擾電路外,選用放大器時(shí)應(yīng)選低噪聲、低漂移、低功耗、具有溫度補(bǔ)償?shù)母咴鲆婢苓\(yùn)算放大器,實(shí)際電路見(jiàn)圖1。 
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圖1熱釋電傳感器與信號(hào)調(diào)理電路實(shí)際連接圖
熱釋電傳感器的輸出信號(hào)直流電平為1V,幅度為1mV的交變信號(hào),該信號(hào)通過(guò)熱釋電傳感器內(nèi)部場(chǎng)效應(yīng)管的源極輸出,即圖1中的節(jié)點(diǎn)1。第一級(jí)運(yùn)算放大器(U1)是低頻小信號(hào)放大電路,輸出節(jié)點(diǎn)為3。第二級(jí)運(yùn)算放大器(U2)為具有微分補(bǔ)償電路的直流放大電路,由元件C1、R6、R7、R8和U2組成,輸出電壓V3波形如圖2。 
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圖2信號(hào)調(diào)理電路輸出電壓波形
圖中t1~t2之間的曲線表示當(dāng)人員進(jìn)入傳感器時(shí)波形變化情況,t2~t3之間的曲線表示當(dāng)人員在傳感器內(nèi)部時(shí)波形變化情況,t3~t4之間的曲線表示當(dāng)人退出傳感器時(shí)的波形變化情況。從波形的變化可以看出:當(dāng)人員進(jìn)入傳感器時(shí),在直流電平2.5V的基礎(chǔ)上迭加了一個(gè)正的電壓波形,而退出時(shí),迭加了負(fù)的電壓波形,由此得出結(jié)論:人員進(jìn)入時(shí)信號(hào)幅度正向增大,而退出時(shí)信號(hào)幅度間反向增大,該結(jié)論作為人員定位與移動(dòng)相對(duì)位置匹配算法的判定依據(jù)。

2位置相關(guān)算法

2.1算法的設(shè)計(jì)思想

定位軟件是指通過(guò)特定的算法確定人員具體位置的軟件,從而確定是否進(jìn)行預(yù)報(bào)警或者報(bào)警,若預(yù)報(bào)警,則單片機(jī)發(fā)送預(yù)報(bào)警指令,進(jìn)行聲光報(bào)警;如報(bào)警,除了啟動(dòng)聲光報(bào)警裝置外,同時(shí)應(yīng)將大型機(jī)械停車(chē),以確保人員安全。為此,算法設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是將探測(cè)區(qū)域進(jìn)行合理的劃分。

2.2算法的具體實(shí)現(xiàn)

圖3是由三個(gè)熱釋電傳感器輻射區(qū)域交叉組成的平面結(jié)構(gòu)圖。三個(gè)傳感器輻射區(qū)域兩兩相交,共分為8個(gè)區(qū)域,將這些區(qū)域劃分為安全區(qū)、預(yù)報(bào)警區(qū)和報(bào)警區(qū)。其中1、2、3、4、6、7為預(yù)報(bào)警區(qū),5為危險(xiǎn)區(qū),若有人進(jìn)入該區(qū)則報(bào)警并輸出閉鎖控制信號(hào),使轉(zhuǎn)載機(jī)停車(chē)。 
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圖3三個(gè)傳感器輻射交叉平面結(jié)構(gòu)圖
2.2.1具體數(shù)據(jù)格式

前一時(shí)刻的位置表示人員上一時(shí)刻在探測(cè)范圍內(nèi)的具體位置,作為移動(dòng)方向判定的基本依據(jù);傳感器1、傳感器2和傳感器3表示三個(gè)傳感器檢測(cè)信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值;PLAST為上一時(shí)刻人員的位置(0~7),稱(chēng)之為保留字,初值為0,表示人員在報(bào)警區(qū)以外的安全位置。②X=[ X1,X2,X3]。XK表示人進(jìn)入(或者退出)由K號(hào)傳感器所確定的平面區(qū)域時(shí),傳感器的檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的值,它的范圍為00~FFH,對(duì)應(yīng)模擬量0~5V。設(shè)無(wú)人進(jìn)出時(shí),信號(hào)調(diào)理電路的輸出直流電平為2.5V,但是由于環(huán)境噪聲的存在(如:氣流的變化、濕度的變化、大型機(jī)械的的開(kāi)停等),信號(hào)調(diào)理電路的輸出信號(hào)迭加了一定的噪聲電平△A,總輸出為2.5+△A,△A可正可負(fù),它的值可通過(guò)單片機(jī)學(xué)習(xí)功能得到。

2.2.2函數(shù)關(guān)系

通過(guò)分析我們發(fā)現(xiàn):圖3中每個(gè)具體位置是由不同傳感器所包圍形成的,人員從不同位置移向另一位置時(shí),相應(yīng)傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生較大變化,而其它傳感器的數(shù)據(jù)變化小于某個(gè)值△k。即:人員的位置(Position)由上一時(shí)刻人員的位置PLAST和該時(shí)刻三個(gè)傳感器的電平經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值X(X1、X2和X3)確定,并且給定PLAST和X(X1,X2,X3),可唯一確定Position,他們之間滿足下列函數(shù)關(guān)系式:

Position=f(PLAST,X)

2.2.3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

由函數(shù)關(guān)系的討論可知,人員的當(dāng)前位置與前時(shí)刻的位置及當(dāng)前傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)有關(guān)。為了描述方便,我們稱(chēng)人員前時(shí)刻的位置為“保留字”,當(dāng)前傳感器檢測(cè)值與閾值的比較稱(chēng)為“判斷條件”,人員前時(shí)刻的位置和當(dāng)前判斷條件存儲(chǔ)在外部的非遺失性存儲(chǔ)器中,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)形式為鄰接表,表頭為0~7保留字,共計(jì)8個(gè)位置,表的其它內(nèi)容為從該位置移動(dòng)到相應(yīng)位置的變化條件,即傳感器檢測(cè)信號(hào)的變化情況。以保留字2為例,與其相鄰的位置為1、3、4、5、6和7,具體確定方法見(jiàn)圖3。當(dāng)傳感器的輸出變化情況發(fā)生改變時(shí),人員的移動(dòng)方向和位置是不同的,與保留字2相鄰的位置和條件對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表2。與其它保留字相鄰的位置和條件的對(duì)應(yīng)關(guān)系確定方法與表2相同。
表2與保留字2相鄰的位置和條件對(duì)應(yīng)關(guān)系

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表2中,“不變”是指該傳感器的輸出電平與上一時(shí)刻電平之差絕對(duì)值小于△K;A1表示當(dāng)人員進(jìn)入傳感器時(shí)的判斷閾值;A2表示當(dāng)人員退出傳感器時(shí)的判斷閾值。

2.2.4具體定位方法

將巡檢到的三個(gè)傳感器數(shù)據(jù)Xi(i=1、2、3)與閾值A(chǔ)1和A2比較,據(jù)保留字和比較結(jié)果可判斷人員的當(dāng)前位置。比如:設(shè)保留字為2,X2=X3為不變,X3
4結(jié)束語(yǔ)

利用三個(gè)熱釋電傳感器實(shí)現(xiàn)了人員定位算法,即位置相關(guān)算法,適當(dāng)增加檢測(cè)的傳感器數(shù)量,可提高檢測(cè)精度和準(zhǔn)確度,但算法會(huì)變得很復(fù)雜,該算法不僅適合于煤礦環(huán)境的人員定位,而且也適用于其它需要界位劃分的場(chǎng)合。算法的實(shí)現(xiàn)是推動(dòng)被動(dòng)定位技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要補(bǔ)充和探索。獨(dú)特的傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可任意調(diào)整探測(cè)距離和范圍,具有較大的靈活性。利用該算法實(shí)現(xiàn)的人員安全保護(hù)系統(tǒng)已在煤礦生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。
 

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