一． 红外辐射的发射及其规律
（一） 黑体的红外辐射规律
所谓黑体，简单讲就是在任何情况下对一切波长的入射辐射吸收率都等于1的物体，也就是说全吸收。显然，因为自然界中实际存在的任何物体对不同波长的入射辐射都有一定的反射(吸收率不等于1)，所以，黑体只是人们抽象出来的一种理想化的物体模型。但黑体热辐射的基本规律是红外研究及应用的基础，它揭示了黑体发射的红外热辐射随温度及波长变化的定量关系。
下面，我着重介绍其中的三个基本定律。
1． 辐射的光谱分布规律-普朗克辐射定律
一个绝对温度为T(K)的黑体，单位表面积在波长λ附近单位波长间隔内向整个半球空间发射的辐射功率(简称为光谱辐射度)Mλb (T)与波长λ、温度T满足下列关系：
Mλb (T)=C1λ-5[EXP(C2/λT)-1]-1
式中C1-第一辐射常数，C1=2πhc2=3.7415×108w·m-2·um4
C2-第二辐射常数，C2=hc/k=1.43879×104um·k
普朗克辐射定律是所有定量计算红外辐射的基础，介绍起来比较抽象，这里就不仔细讲了。
2． 辐射功率随温度的变化规律-斯蒂芬-玻耳兹曼定律
斯蒂芬-玻耳兹曼定律描述的是黑体单位表面积向整个半球空间发射的所有波长的总辐射功率Mb(T)(简称为全辐射度)随其温度的变化规律。因此，该定律为普朗克辐射定律对波长积分得到：
Mb(T)=∫0∞Mλb(T)dλ=σT4
式中σ=π4C1/(15C24)=5.6697×10-8w/(m2·k4)，称为斯蒂芬-玻耳兹曼常数。
斯蒂芬-玻耳兹曼定律表明，凡是温度高于开氏零度的物体都会自发地向外发射红外热辐射，而且，黑体单位表面积发射的总辐射功率与开氏温度的四次方成正比。而且，只要当温度有较小变化时，就将会引起物体发射的辐射功率很大变化。
那么，我们可以想象一下，如果能探测到黑体的单位表面积发射的总辐射功率，不是就能确定黑体的温度了吗？因此，斯蒂芬-玻耳兹曼定律是所有红外测温的基础。
3． 辐射的空间分部规律-朗伯余弦定律
所谓朗伯余弦定律，就是黑体在任意方向上的辐射强度与观测方向相对于辐射表面法线夹角的余弦成正比，如图所示
Iθ=I0COSθ
此定律表明，黑体在辐射表面法线方向的辐射最强。因此，实际做红外检测时。应尽可能选择在被测表面法线方向进行，如果在与法线成θ角方向检测，则接收到的红外辐射信号将减弱成法线方向最大值的COSθ倍。
（二） 实际物体的红外辐射规律
1． 基尔霍夫定律
物体的辐射出射度M(T)和吸收本领α的比值M/α与物体的性质无关，等于同一温度下黑体的辐射出射度M0(T)。其表明，吸收本领大的物体，其发射本领大，如果该物体不能发射某一波长的辐射能，也决不能吸收此波长的辐射能。
2． 发射率
实验表明，实际物体的辐射度除了依赖于温度和波长外，还与构成该物体的材料性质及表面状态等因素有关。这里，我们引入一个随材料性质及表面状态变化的辐射系数，则就可把黑体的基本定律应用于实际物体。这个辐射系数，就是常说的发射率，或称之为比辐射率，其定义为实际物体与同温度黑体辐射性能之比。
这里，我们不考虑波长的影响，只研究物体在某一温度下的全发射率：
ε(T) = M(T)/M0(T)
则斯蒂芬-玻耳兹曼定律应用于实际物体可表示为：
M(T) =ε(T).σT4
（三） 发射率及其对设备状态信息监测的影响
物体对于给定的入射辐射必然存在着吸收、反射和透射，而且吸 收率α，反射率ρ和透射率τ之和必然等于1：
α+ρ+τ=1
而且，其反射和透射部分不变。因此，在热平衡条件下，被物体吸收的辐射能量必然转化为该物体向外发射的辐射能量。由此可断定，在热平衡条件下，物体的吸收率必然等于该物体在同温度下的发射率：
α(T)=ε(T)
其实由基尔霍夫定律，我们也可以推断出以上公式：
M(T)/ α(T)=M0(T)
ε(T) =α(T)
ε(T) = M(T)/M0(T)
则对于一个不透明的物体ε(T) =1-ρ(T)
根据上式，我们不难定性地理解影响发射率大小的下列因素：
1． 不同材料性质的影响
不同性质的材料因对辐射的吸收或反射性能各异，因此它们 的发射性能也应不同。一般当温度低于300K时，金属氧化物的发射率一般大于0.8。
2． 表面状态的影响 任何实际物体表面都不是绝对光滑的，总会表现为不同的表面粗糙度。因此，这种不同的表面形态，将对反射率造成影响，从而影响发射率的数值。这种影响的大小同时取决于材料的种类。
例如，对于非金属电介质材料，发射率受表面粗糙度影响较小 或无关。但是，对于金属材料而言，表面粗糙度将对发射率产生较大影响。如熟铁，当表面状况为毛面，温度为300K时，发射率为0.94；当表面状况为抛光，温度为310K时，发射率就仅为0.28。
另外，应该强调，除了表面粗糙度以外，一些人为因素，如施 加润滑油及其他沉积物(如涂料等)，都会明显地影响物体的发射 率。
因此，我们在检测时，应该首先明确被测物体的发射率。在一 般情况下，我们不了解发射率，那么只有用相间比较法来判别故 障。而对于电力设备，其发射率一般在0.85-0.95之间。
3． 温度影响 温度对不同性质物体的影响是不同的，很难做出定量的分析，
只有在检测过程中注意。
（四） 物体之间的辐射传递的影响
上面我们曾经讨论过物体对于给定的入射辐射必然存在着吸收、反射，而当达到热平衡后，其吸收的辐射能必然转化为向外发射的辐射能。因此，当我们在一个变电站中，检测任意一个目标时，所检测出来的温度，必然还存在着附近其它物体的影响。
因此，我们在检测时，要注意检测的方向和时间，使其它物体的影响降到最小。
（五） 大气衰减的影响
大气对物体的辐射有吸收、散射、折射等物理过程，对物体的辐射强度会有衰减作用，我们称之为消光。
大气的消光作用与波长相关，有明显的选择性。红外在大气中有三个波段区间能基本完全透过，我们称之为大气窗口，分为近红外（0.76 ~ 1.1um），中红外（3 ~ 5um），远红外（8 ~ 14）。
对于电力设备，其大部分的温度较低，集中在300K ~ 600K(27℃ ~327℃)左右，在这一温度区间内，根据红外基本定律可以推导出，设备发射的红外辐射信号，在远红外8 ~ 14um区间内所占的百分比最大，并且辐射对比度也最大。因此，大部分电力系统的红外检测仪器工作在8 ~ 14um的波长之内。
不过，请注意，即使工作在大气窗口内，大气对红外辐射还是有消光作用。尤其，水蒸气对红外辐射的影响最大。因此，在检测时，最好在湿度小于85%以下，距离则越近越好。
红外探测器基本介绍
接近探测器（传感器）是一种当入侵者接近它时能触发报警的探测装置。在接近探测器中，通常有一个高频率的LC震荡电路，震荡电路的LC回路通过导线连通到外部的金属部件上。当人体靠近时，通过空间的电磁偶合，会改变LC回路的谐振频率，引起震荡频率改变，探测器的检测电路能够识别这种频率的改变而发出警示信号。
接近探测器比较适用于室内，如对写字台、文件柜、保险柜等一些特殊物件提供保护，也可以用于对门窗的保护。通常被保护的物件是金属的，实际上可以构成保护电路的一部分，因而只要有人试图破坏系统时，就会立即触发报警。
接近探测系统的主要优点是多用性和通用性，它几乎可用来保护任何物体，而且不会被几米以外的干扰所激发。一旦有人靠近或接触到珠宝箱、文件柜、门窗准备行窃时，便会触发报警，但在附近的正常业务工作可以照常进行。
接近探测器的电路设计，需要注意几个关键的技术要点：①频率的选择，频率太低检测灵敏度低，太高容易产生误报，还要尽量避开电台频率点；②耗电量要小，接近探测器有时被做成一个小巧的便携式报警器，需要使用电池供电，而且使用电池供电也有利于提高电路的抗干扰能力，减少误报；③LC震荡回路的谐振频率，还会受外界环境因素（如温度和湿度）的影响，因此检测震荡频率的缓慢变化没有意义，应该检测震荡频率的突然变化，只有震荡频率的“突变”才与可能的盗情相关。
移动/震动探测器机器
能够探测固定物体位置被移动的传感器称为移动探测器。其实运动是无处不在的，地球在转动，地球上的任何东西都在“移动”，这里所要探测的其实是相对的移动，比如放置在桌面上的物体被移开了桌面、停放的车辆被开动或搬动了等等。
移动探测器材最适合于如文件柜、保险箱等贵重、机要特殊物件的保护，也适宜于与其他系统结合使用，来防止盗贼破墙而入。移动探测器的有效性与应用的正确与否有很大关系。它常常用来对某些一般情况下有人员在活动的保护区内的特殊物件提供保护。
探测被警戒的物体发生移动，必须找到移动所能够产生的物理量变化，现在至少有：机械方法、光学方法、电磁方法、震动探测法
主动光入侵探测器
光以直线传播，因此称为“光线”，如果光的传播路径被阻挡，光线既中断，光不能继续传播。主动光入侵探测器就是利用了光的直线传播特性作入侵探测，由光发射器和光接收器组成，收、发器分置安装，收发器之间形成一道光警戒线，当入侵者跨越该警戒线时，阻挡了光线，接收器失去光照而发出报警信号。
一般情况下，选择可见光光谱之外的红外辐射光作为发射器的光源，使入侵者不能够察觉警戒光线的存在。为了避免受自然日光照射的干扰，通常采取两种技术措施：
①在接收器的受光窗口上加滤色镜，过滤其他的光线；
②对发射器光线进行幅度（强度）调制，具体做法是：使用红外线发光二极管作发射器光源的发光器件，并且使用频率为几KHz的调制信号，对发射器光源的供电电源的电压或电流进行调制，使发射器发出的光线强度也按照调制信号的规律变化。在接收器中，采用采用红外接收二极管接收光信号，并通过具有调谐回路的放大器对信号进行选频放大，这样就可以滤除与调制信号频率不同的其他信号的干扰，日光是不受任何调制的的稳定光线，它在接收二极管上产生的信号，自然也就被滤除而不产生响应。
被动式红外探测器
利用“黑体辐射”的物理学原理：只要物体的温度高于绝对零度，就会不停地向四周辐射光线，辐射的光线波长与物体的温度相关。人体在正常体温下，能够发射出远红外线，肉眼不能够看到它，但通过红外线传感器就可探测到这种远红外线，因此能够发现入侵者。这种探测器的核心部件是热释电红外探测元件，配置上用透明塑料制成的“菲聂尔”透镜，就能够对一定的空间范围进行监控，安装方便、灵敏度高、不需要辅助光源、耗电少，而且成本还比较低，因此是现在比较流行的一种电子安防产品部件。
入侵探测器基本介绍
入侵探测器是用来探测入侵者的移动或其他动作的电子及机械部件所组成的装置。包括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、微波和被动红外复合入侵探测器、超声波入侵探测器、振动入侵探测器、音响入侵探测器、磁开关入侵探测器、超声和被动红外复合入侵探测器等。
1、入侵探测器的功能原理
每一种入侵探测器都具有在保安区域内探测出入员存在的一定手段，装置中执行这种任务的部件称为探测器或传感器。
理想的入侵探测器仅仅响应人员的存在，而不响应如狗、猫及老鼠等动物的活动，也不响应室内环境的变化，如温度、湿度的变化及风、雨声音和振动等。要做到这一点不很容易，大多数装置不但响应了人的存在，而且．对一些无关因素的影响也产生响应。对报警器的选择和安装也要考虑使它对无关因素不作响应，同时信号的重复性要好。
设计报警装置时首先要掌握和分析各种入侵行动的特点。入侵者在进入室内时首先要排除障碍，他必须打开门窗，或在墙上、地板和顶棚上开洞。因此可以安装一些开关报警器，使入侵者刚开始行动时就触发开关。另一个应考虑的特点是光和红外线不能透过人体，因此可以利用安装光电装置的方法来探测入侵活动。
还有一个十分重要的特点是人体正常体温能发射红外线，利用红外线传感器就可探测出人体辐射的热量。此外，入侵者在行窃时不可避免的要发出声响，使用声控传感器便可探测室内发出的异常声响。利用超声波和微波入侵探测器是根据人体的移动会干扰超声波或电磁场的原理而工作的。
各种探测器有各自不同的工作原理，它们各有优缺点。要使探测器在任何场合都能有效地发挥作用，就应该进行精心选择、精心安装，安装时应尽可能考虑到对探测器的保护措施。
由于家庭、商店、团体和企业等部门各自的情况不同，使用的入侵探测器也不尽相同。为了获得最佳保安效果，通常需要根据用户的实际情况对报警系统进行裁剪，这样才能使探测器更好地发挥作用。
没有入侵行为时发出的报警叫做误报。误报可能由于元件故障或某些外界影响而造成，它所产生的恶劣后果是不堪设想的，最轻的后果是因为增加了许多不必要的麻烦而使人感到厌烦，从而大大降低报警器的可信度。可以设想，如果商店和库房管理人员经常由于误报而被从床上叫起，他们就不会愿意使用这种报警装置。最坏的后果是它使警察或保安人员毫无必要地火速赶到现场，这样他们本身的安全和周围人们的安全都会受到危害。因此，误报是报警器的致命弱点。
2、各种类型的探测器
1）微波多普勒入侵探测器
常常被称为雷达报警器，因为它实际上是一种多普勒雷达。是应用多普勒原理，辐射一定频率的电磁波，覆盖一定范围，并能探测到在该范围内移动的人体而产生报警信号的装置。
从技术上讲，一般要求探测器应由一个或多个传感器和信号处理器组成，探测器应具有能改变探测范围的方法。
微波多普勒入侵探测器如果安装恰当就很难被破坏。利用微波探测器还可以用一台设施来保护两个以上的房间。微波入侵探测器对于捕获躲藏起来的窃贼非常有效，只要躲藏的人进入保安区域就会触发报警器。
微波入侵探测器的主要缺点是安装要求较高，如果安装不当，微波信号就会穿透装有许多窗户的墙壁而导至频繁的误报。另一个缺点是它会发出对人体有害的微量能量，因此必须将能量控制在对人体无害的水平。此外，微波报警装置会受到空中交通和国防部门所用的高能量雷达的干扰。
2）超声波入侵探测器
超声波入侵探测器与微波入侵探测器原理一样，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，从而引起报警，超声波入侵探测器利用超声波的波束探测入侵行为，与微波入侵探测器一样是最有效的保安设施之一。超声波报警器必须对保安区域内微小运动非常敏感，同时又不会受气流的影响。
超声波报警装置的有效性取决于能量在保安区域内多次反射。像墙壁、桌子和文件柜这样的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，比装有壁毯和许多窗帘的办公室所需的传感器少。充满软质材料的区域最好使用其他保安方法。
另外，如果房间里通风很好，或是房间的某个部位在加温，使空气流动较大，就会使相对安装的超声波报警器发生误报。因为在空气流动较大的情况下，如果发射信号顺风时，发出的超声波到达接收机的速度就会较静止时快，这样一来，驻波波形就会被破坏，从而触发报警器。
3）主动红外入侵探测器
发射机与接收机之间的红外辐射光束，完全或大于给定的百分比部分被遮断能产生报警状态的探测装置。
主动红外入侵探测器一般由单独的发射机和接收机组成，收、发机分置安装，性能上要求发射机的红外辐射光谱应在可见光光谱之外。为防止外界干扰，发射机所发出的红外辐射必须经过调制，这样当接收机收到接近辐射波长的不同调制频率的信号，或者是无调制的信号后，就不会影响报警状态的产生和干扰产生的报警状态。
4）被动红外入侵探测器
当人体在探测范围内移动，引起接收到的红外辐射电平变化而能产生报警状态的探测装置。
对灵敏度的要求是，当人体正常着装，以每秒一步的速度，在探测范围内任意作横向运动，连续步行不到3米，探测器便能产生报警状态。
被动红外入侵探测器采用热释电红外探测元件来探测路动目标。只要物体的温度高于绝对零度，就会不停地向四周辐射红外线，利用移动目标(如人、畜、车)自身辐射的红外线进行探测。
与其他类型的保安设备比较，被动红外入侵探测器具有如下特点：
1、不需要在保安区域内安装任何设备，可实现远距离控制；
2、由于是被动式工作，不产生任何类型的辐射，保密性强，能有效地执行保安任务；
3、不必考虑照度条件，昼夜均可用，特别适宜在夜间或黑暗条件下工作；
4、由于无能量发射，没有容易磨损的活动部件，因而功耗低、结构牢固、寿命长、维护简便、可靠性高。
5）微波和被动红外复合入侵探测器
将微波和被动红外两种单元组合于一体，且当两者都处于报警状态才发出报警的装置。这种复合探测器由微波单元、被动红外单元和信号处理器组成，并装在同一机壳内。微波和红外探测范围大小相当且重叠，在机壳内有调节两者重叠的装置。
6）机电探测器
最简单的入侵探测器，由围绕保护区域的闭合电路所组成，一旦入侵者进入该区域，即会破坏电路而触发报警。
机电探测器包括：
1、金属箔探测器。最常用的机电探测器是将金属箔或金属带装在门窗上形成探测电路的组成部分，由于入侵行为而损坏金属箔时就会触发报警；
2、门窗开关。门窗开关可用于机电入侵报警器；
3、玻璃破碎探测器。在各类偷盗案件中，案犯以暴力手段打破玻璃门窗而侵入室内作案的案例占有相当大的比例，因此玻璃破碎探测器在防盗报警中具有很大的使用价值；
4、倾斜与振动开关。顾名思义，所谓倾斜开关或振动开关就是能敏感倾斜或振动而进行开、关的器件。
机电探测器最基本的优点是它的工作原理简单，电路元件很少，因此可靠性相对较高。只要安装与维护得当，再加装备份的隐蔽开关，报警器可具有较好的保安性能，它可作为较高级报警系统的极好后备系统；另外，由于机电探测器可以看得见并易于识别，所以对大多数“业余”窃贼和破坏分子有一定的威慑作用，对于惯犯也有一定迷惑作用。比如说，当他发现机电报警器后，便会信心十足地先设法损坏报警器，然后放心地开始作案，这时他就可能触发更高级的报警系统。
但是机电探测器不可能保护所有可能进入保护区的通道，即使所有的门窗都装上这种探测器，入侵者仍可穿过墙壁、顶棚或地板而侵入室内。机电探测器的另一缺点是它的安装问题，如果缺乏想象力和安装经验，就不易取得好的效果。它的敏感元件十分暴露，容易被案犯处理后失效。
7）光电探测器
光电探测器利用光线具有直线传播的特点，因此它适合于探测出入口或较开阔而没有物体阻挡光束的区域。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是，它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。
8）光探测器
光探测器是一种不用光源驱动的光探测器。这种装置可自动测出保安区内的光线强度，并能对突然的变化作出反应。
9）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，它可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的变化。但是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，报警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，而且不容易被破坏。但如果入侵者的体温与室内环境的温度一致，那么报警器就会失效，实际上这是很难实现的。
10）接近探测器
接近探测器是一种当入侵者接近它(但还未碰到它)时能触发报警的探测装置。在室外应用接近探测器时很容易发生误报，必须在应用时采取特殊的措施。最常见的影响是温度和湿度的变化，下雨时，影响就更大了，要采用高级的绝缘材料来支承放感导线，以便将雨水的影响减小到最低限度。
接近探测器更适用于室内，如对写字台、文件柜等一些特殊物件提供保护。通常被保护的物件是金属的，实际上可以构成保护电路的一部分。敏感导线接到柜子的框架上，作为敏感电路中电容器的一个极板。
接近探测器非常适合于对特定物件的保护。它的最突出优点是可以很方便地将被保护物体当作电路的一部分，因而只要有人试图破坏系统时，就会立即触发报警。
接近探测系统的主要优点是多用性和通用性，它几乎可用来保护任何物体，而且不会被几米以外的干扰所激发。一旦有人靠近珠宝箱、文件柜行窃时，便会触发报警，但在附近的正常业务工作可以照常进行。
接近探测系统的主要缺点是太灵敏，如果为了适应某一种应用而把灵敏度调得太高时，容易造成频繁的误报。与其他系统不同，它不可能将电源插头一插就能使系统正常工作，而必须进行一定的调整，使误报的概率降低到最低限度。
11）音响入侵探测器
除了可用于门户的入口控制以外，还可用来监控入侵者出现的区域，但这时警卫人员必须一直监听着是否有入侵行动所发出的声音。但另一方面，入侵者一般又都是尽可能地不出声的，尤其是一个警卫要监控几个不同的区域时困难就更大了。增加一个触发电路便可克服上述缺点。
音响入侵探测器材有许多局限性。在正常条件下，当背景噪声在很宽的范围内变化时，这种探测器很容易造成误报。对于门窗上挂有较厚的帘子、地面铺有厚地毯的场合也不适用。此外，有的部门机械设备昼夜自动地接通断开会产生不停的声音，这时也不宜使用上述探测器。音响入侵探侧器的突出优点是，它可用来鉴别引起报警的原因。
12）振动入侵探测器
振动探测器与音响入侵探测器实质上是相同的。振动系统的传感器是一个振动探测器，这种探测器必须要有机械位移才能产生信号；振动探测器材最适合于如文件柜、保险箱等贵重、机要特殊物件的保护，也适宜于与其他系统结合使用，来防止盗贼破墙而入。振动探测器的有效性与应用的正确与否有很大关系。它常常用来对某些一般情况下有人员在活动的保护区内的特殊物件提供保护。
