红外报警系统应用于农机安全生产作业的研究

　　摘要：从农机安全生产说起，由农机事故的特点引出被动红外报警技术的原理和特点，探讨了该技术在农机安全预警领域的应用。笔者将农业机械结构和近几年农机安全事故原因综合分析，提出将红外报警系统应用于农机安全生产作业，加强农机安全防护性能，有效遏制和减少农机事故的发生。

　　关键词：农机; 安全; 红外预警; 报警; 应用;

　　0 引言

　　农机安全生产是国家安全生产重点行业和领域之一。随着中央财政连年大幅增加农机购置补贴投入，农业机械保有量一直保持高速增长态势。与此同时，农机安全生产形势更加严峻，提高农机安全防护性能成为当前农机安全生产必须面对和亟待解决的重要环节。

　　1 农业机械事故的特点和影响因素

　　1.1 农业机械事故的特点

　　农业机械独特的作业环境决定了农业机械事故有着明显的特点。

　　1.1.1 农业机械事故的分散性和隐蔽性

　　由于农业机械作业地点分布于田间、场院、乡村道路等广大农村，所以农业机械事故的发生地也遍布农村广大区域，具有分散性。农业机械事故的分散也决定了事故的责任往往多为单方或自伤。加之农村信息不畅，导致管理部门很难掌握事故信息，呈现隐蔽性。

　　1.1.2农业机械事故的多样性及轻微轻伤事故的高发性

　　农业机械事故随农业机械作业所处的环境不同而呈现多样性，在作业前后的转移途中、作业过程中、维修时段均有发生。从事故报告看，农业机械事故有砸伤、烫伤、烧伤、摔伤、绞伤(死)、机件打伤(死)、撞伤等多样的事故。

　　1.2 影响农机安全生产的主要因素

　　据近几年农业机械事故统计分析，影响农机安全生产，造成农业机械事故的原因主要可归结为以下几个方面。

　　1.2.1 农机操作者安全意识不强操作技能差

　　从实际情况来看，多数农业机械事故源于农机操作者思想上疏忽大意或人为错误。例如，许多农机操作者存在不按要求操作、不注意警示、不注重维护、违章载人、酒后驾驶、无证驾驶、违规操作、不定期参加检验等问题。此外，由于农机操作者文化素质普遍较低，只看到新型农机具作业先进的一面，却没有掌握先进的操作技术和安全使用的基本知识。图1是发生在陕西省的一起因驾驶员操作不当和注意力不集中造成的事故。

　　图1 陕西省的一起农机事故

　　1.2.2 缺乏安全投入科技开发不够

　　随着农业机械购置补贴等惠农强农政策的实行，各地农业机械保有量不断增加，拖拉机、收割机以及大量新型的农机产品投入市场，但这些机械体积大，工作盲区大，安全防护能力较差，在转移和作业过程中极易对周边人员造成伤害，存在着重大的安全隐患。

　　2 被动红外报警原理和特点

　　热释电红外传感器的主要材料是钽酸锂(LiTao3)、硫酸三甘酞(LATGS)、钛锆酸铅(PZT)。它是在钛酸钡一类压电晶体上，上下表面设有电极，并在表面加有黑色膜。当有红外线间歇地照射时，其表面温度上升，使晶体内部的原子排列产生变化，即引起自发极化电荷。

　　此现象为热释电效应，为热电效应之一。热释电效应产生的表面电荷是暂时的，只要它一出现，便很快被空气中的各离子所中和。为此，用热释电效应制作红外传感器时，多是在它的元件前面加有机械式的周期遮光装置，以便使自发极化电荷周期性地出现，只有检测移动物体时不用。

　　由于热释传感器的输出阻抗很大，输出电压信号又极微弱，所以在传感器内部附加1只场效应管与1个薄膜电阻Rg,使其阻抗进行变换。Rs为负载电阻，有的热释传感器无Rs,需外接。为实现不同的检测目的，在进入红外线的窗口上设有滤光镜，将不需要的光谱滤掉。

　　外报警器分主动式、被动式2种。主动式红外线报警器的工作原理是，报警器主动发出红外线，红外线碰到障碍物，就会反弹回来，被报警器的探头接收。如果探头监测到红外线是静止不动的，也就是不断发出红外线又不断反弹的，那么报警器就不会报警。当有会动的物体触犯了这根看不见的红线的时候，探头就会检测到有异常，就会报警。

　　2.1 被动红外报警原理

　　红外报警系统工作原理见图2.

　　图2 红外报警系统工作原理

　　被动红外报警器主要是根据外界红外能量的变化来判断是否有人在移动。人体的红外能量与环境有差别，当人通过探测区域时，报警器收集到的这个不同的红外能量的位置变化，进而通过分析发出报警。人体都有恒定的体温，一般在37℃左右，会发出特定波长10μm左右的红外线。被动红外报警器就是靠探测人体发射的10μm左右的红外线而进行工作的。人体发射的10μm左右的红外线通过菲涅尔滤光片增强后，聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。

　　2.2 被动红外报警的特点

　　被动红外报警的特点：(1)被动红外报警器是以探测人体辐射为目标的，所以热释电元件对波长为10μm左右的红外辐射必须非常敏感。(2)为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。(3)被动红外报警器的传感器包含2个互相串联或并联的热释电元件，而且制成的2个电极化方向正好相反，环境背景辐射对2个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是报警器无信号输出。(4)一旦人侵入被动红外报警器探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是2片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而报警。

　　3 被动红外报警技术在农机设备中的应用方向

　　被动红外探测器主要适用于环境较为稳定的报警装置。被动红外应用于田间、场院等农业机械作业场所，受干扰因素多，因而在户外农业机械安全领域处于起步或空白阶段。对于被动红外探测器的使用情况，这里将从现有被动红外设备功能同农业机械安全作业风险点如何结合的角度，综合分析其在农业机械安全领域的应用方向。

　　3.1 识别探测器在农业机械安全报警系统中的应用方向

　　农业机械作业时前进后退方向为重点危险区域，识别探测器功能为周边有人向机械移动(或前进)方向经过报警，另一方向经过不报警。如果有人向拖拉机行进反方向走去，触发非报警方向，探测器不会报警。如果有人向拖拉机移动(或前进)方向靠近被探测到，则会触发报警，这样减少了一些不必要的误报。

　　3.2 幕帘探测器在农业机械安全报警系统中的应用方向

　　农业机械进料位置、高速旋转部件、传动部件、机器前进或倒退区域等特定位置为高危险区域，幕帘探测器因其探测角度较小，当有人靠近特定危险区域的时候，将发生报警。这类产品适宜联合收割机等大型多功能移动式驾驶操作人员盲区较大的农业机械安全报警。

　　3.3 双鉴探测器在农业机械安全报警系统中的应用方向

　　双鉴探测器主要探测方式包含了被动红外探测、微波探测2种探测方式。单一被动红外探测方式，对农业机械的复杂环境比较敏感，误报几率大，而微波探测仅对移动的固体有反应，双鉴探测器需要被动红外和微波模块同时报警时才会报警，因此能够大幅降低误报几率。双鉴探测器稳定性高，银行、基站、商业环境等较多领域已采用。双鉴探测技术较为完备，农业机械方面应用推广基础好，前景广阔。

　　4 被动红外报警技术在农机设备应用中需解决的几个问题

　　被动红外探测器由于探测原理的问题，受到的影响因素较多，而在农机安全行业重点需要解决误报问题。如何避免或减少由于田间作业环境影响而产生的误报，就需要从设计开始进行思考，尽量避开主要误报源。

　　4.1 探测区域不应对着农业机械的出风口

　　探测区域不应对着发动机排气口、风扇出风口等农业机械的出风口，这是因为农业机械工作时的排风会导致局部温度的变化，从而造成误报。

　　4.2 探测区域应尽量避免有物体摆动

　　农田、场院地势开阔，气流复杂，探测区域内农作物秸秆等摆动物体多，因其比热与空气不同，在同样受热时，温度变化可能有差异，如果同时有运动产生，则正好满足动红外探测器的探测条件，很有可能引致误报。

　　4.3 避免探测器自身漏报

　　探测器自身漏报一般有2个方面的原因：(1)安装的位置和角度调节不合适，未将其对准危险预警区域，使应预警的范围处在探测范围之外;(2)当农田、场院环境温度升高时，探测器的灵敏度会降低，可能也会产生漏报。

　　5 结束语

　　尽管被动红外探测技术在农机安全作业领域应用还很少，在技术应用上也还存在着很多问题，但是随着国家对农业安全的重视，只要解决被动红外探测技术应用上的漏洞，就会使被动红外探测技术在农机安全作业领域得到广泛的应用。

　　参考文献

　　[1]A.R.杰哈。红外技术应用：光电光子器件及传感器[M].北京：化学工业出版社，2004.30-35.

　　[2]李佳。被动红外探测技术在报警领域的应用[J].中国安防，2009(7)：45-47.

　　作者：席鹏