安全管理資訊系統 電子感測器介紹 Introduction of Electronic Senor

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1 安全管理資訊系統 電子感測器介紹 Introduction of Electronic Senor
授課老師：卓世明

2 目標 介紹保全系統中常見的電子偵測器設備 參考書： 谷腰欣司, “感測器” 譯者：趙中興 (全華書局, 2006)
Delton T. Horn, “電子保全系統” 譯者：張益蜂 (全華書局, 1995) Michael Khairallah, “Physical Security Systems Handbook -- The Design and Implementation of Electronic Security Systems,” Butterworth-Heinemann, Elsevier Inc., 2005 Thomas Norman, “Integrated Security Systems Design - Concepts Specifications and Implementation,” Butterworth-Heinemann, Elsevier Inc., Jan. 2007

3 感測器 (Sensor) 定義 能將待測物理量或化學量轉換成另一對應可記錄的輸出裝置
有時稱為感應器、偵測器、察覺器、檢測器、傳感器或轉換器等 功能主要用來代替人類感官檢測外界訊息，包括視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺。有些感測器還可偵測人類無法檢測到的外界訊息，如電磁感測 感測器通常會伴隨一控制電路，來比較感測器的變化，用以輸出某一警報信號

4 從人的五感開始談起 - 1 人體五感（感覺器官）來感受週遭的環境
視覺：眼睛觀察事物是因來感測可見光線 聽覺：用雙耳聽到外來時聲音 觸覺：用皮膚來感觸外來事物實體 嗅覺與味覺：可以用鼻子與舌頭感覺氣味與味道 感受週遭的環境順序第一是視覺，其次是為聽覺、觸覺、嗅覺、最後為味覺。當五感第一個視覺被斷絕時，人體將流失近大半所能獲得的情報，不僅無法清楚地掌握文字與畫面，連自由地行走都將會有困難

5 從人的五感開始談起 - 2 鼻 嗅覺 人體器官 人體感覺 感測器種類 感測器元件實例 目 視覺 光感測器
光導電元件、影像感測器、紅外線影像感測器 耳 聽覺 聲音感測器 麥克風 皮膚 觸覺 振動感測器 溫度感測器 壓力感測器 衝擊感測器 熱敏電組、紅外線溫感器 感壓聚合體 舌 味覺 味覺感測器 氣體感測器、氧化物感測器 鼻 嗅覺 嗅覺感測器 生物感測器

6 感測器 (Sensor) 感測器種類包括以 等做為檢出的對象感測器 物理原理：以金屬元件為主 化學原理：以電位化學量來感測
光 (紅外線)、磁力 振動、超音波 (距離)、壓力 化學原理：以電位化學量來感測 氣體 (瓦斯、一氧化碳等)、離子 溫 (溼) 度 生物原理：以生物材料為感測元件 醫療、空氣品質之監測 等做為檢出的對象感測器

7 感測器應用 – 感應照明燈 感測器常伴隨某些裝置組合成一反應系統 感應照明設備含 控制電路為一 比較器電路 根據比較器輸 出產生燈光開
紅外線感測器 控制電路 照明裝置 控制電路為一 比較器電路 根據比較器輸 出產生燈光開 、關的動作 輸出裝置: 150W 燈光 控制電路 紅外線感測器

8 感測器應用 – 警報系統 警報系統 (Alarm System) 含 感測器 控制電路 警報輸出裝置 警報輸出裝置 控制電路 感測器
磁簧開關

9 常用保安感測器 警戒 / 保全用途 安全用途 磁簧開關 (磁力) 水銀開關 (傾斜)、微動開關 振動開關、玻璃破碎感測器 紅外線溫感器
光遮斷感測器 超音波感測器 (遮斷感測器) 安全用途 溫、濕度感測器 瓦斯感測器、一氧化碳、酒精感測器 電磁、電流感測器 位準感測器、流速感測器

10 門禁辨識 (Door Identification)
門禁辨識可分成 機械辨識：包含條碼辨識 (Bar Code ID)、無線射頻辨識 (RFID)、光學辨識 (OCR)、手寫辨識、晶片辨識、與其他機械辨識等 生物辨識：包含指紋辨識、膧孔辨識、臉型辨識、靜脈辨識等生物辨識 一般感測器可視為一開關，在電路上容易視為通路 (Close) 或斷路 (Open)，進行處理。但門禁辨識使用的感應設備輸出則較為複雜，需要複雜的電路進行資料分析

11 常用保安感測器 警戒 / 保全用途 安全用途 磁簧開關 (磁力) 水銀開關 (傾斜)、微動開關 振動開關、玻璃破碎感測器 紅外線溫感器
光遮斷感測器 超音波感測器 (遮斷感測器) 安全用途 溫、濕度感測器 瓦斯感測器、一氧化碳、酒精感測器 電磁、電流感測器 位準感測器、流速感測器

12 磁簧開關 (Reed Switch) -1 或稱門閥開關 (Door Switch)
警報系統中最常用的開關裝置。此種便宜裝置可做為門窗有效監視裝置 表面式 嵌壁式

13 磁簧開關 (Reed Switch) -2 磁簧開關是含一由磁簧管為主體將機械的動作轉換為通路 (close) 或斷路 (open) 之裝置
磁簧管是由二片平行放置低磁滯鐵性簧片，尾部有一小部份重疊形成一間隙。這兩片簧片是被完全密封在一支充入惰性氣體之玻璃管上 若兩簧片平時為斷路 (Normal Open; NO)。當有磁場近接，兩片簧片就會因磁場產生密合動作，形成通路 若兩簧片平時為通路 (Normal Close; NC)。當有磁場近接，兩片簧片就會因磁場產生分開動作，形成斷路 使用磁石移動作靠近磁簧管就會引動，磁場之靠近或遠離便成此感測器做開關動作 外掛式 磁簧管 磁鐵

14 水銀開關 (傾斜開關) 水銀開關，又稱傾側開關，以一接著兩根電極的小巧容器儲存著一小滴水銀 (一般是玻璃管)，容器中多數注入惰性氣體或真空。因為重力的關係，水銀球很容易隨容器中較低的地方流去。水銀本身為導電體 如果平時水銀珠是接觸兩個電極 (通路，Normal Close; NC)，開關傾斜將導致斷路；如果平時水銀珠是不接觸兩個電極 (斷路，Normal Open; NO)，開關水平將導致通路 常用於傾斜警報如一般不常移動家電，或震動警報如汽車防盜 玻璃管 水銀球

15 微動開關 (Micro Switch) 微動開關是一個標準型按鈕開關，用來偵測微小動作。透過一根長而輕的連桿，來壓放按鈕，即使很小的力量也可讓按鈕開、關，因此，又稱精密彈簧動作開關或靈敏開關 如果平時按鈕是一通路 (Normal Close; NC)，壓下按鈕產生斷路；如果平時按鈕是一通路 (Normal Open; NO)，壓下按鈕產生通路 常用於門窗開起感應，電腦滑鼠也是使用微動開關 玻璃管 水銀球

16 振動開關 (Vibration Switch)
感應方式又分為光電式感應及機械式感應兩大類，是一種感應靈敏之觸發性感應開關 機械式原理類似水銀開關。一般使用滾珠製成，又稱為滾球開關。可分為震動型滾珠開關，傾斜型滾珠開關及離心滾珠開關三種 常用於需震動感應之裝置，如震動感應器、汽車防盜警報

17 玻璃破碎感測器 (Glass Alarm Sensor)
玻璃破碎感測器一般使用導電簧片式震動，利用慣性質量振動引起的電接點通斷來報警的。通常將傳感器粘附在玻璃內側或邊框上。粘附在玻璃上時探測半徑約 2 米左右，環境溫度-25℃~+50℃。感測器可以感應玻璃破碎時產生的 2KHz 左右的振動頻率，對一般的衝擊和震動不予感應

18 關於紅外線幅射 光的種類：紅外線、可見光、紫外線、X 射線 蒲郎克定律：物體只要高於絕對零度 (攝氏零下273℃) 都會發出幅射
黑體幅射理論：自然界中所有物體只要溫度高於絕對零度，其內部原子會因熱擾動而發出電磁幅射，此稱為熱幅射 每一個物體都會放射出紅外線的熱幅射。此幅射量乃是由物體的溫度所控制決定。溫度高的物體所幅射出的紅外線能量就會較溫度低的物體所幅射出的為高 物體自常溫到1000℃ 間產生的主要幅射波長均落在紅外線波段 (不可見光)，因此無論是黑夜、白晝，我們周圍到處充滿了肉眼看不到的紅外線影像

19 焦電型紅外線感測器 - 1 紅外線感測器可分為熱型感測器及量子型感測器。熱型的原理是利用吸收紅外線來感測溫度的變化，量子型則是利用半導體的光電效應來感測溫度 熱型紅外線感測器主要由是利用人體接近溫度變化產生電荷現象，故又名「焦電型」(Pyro-electric)人體紅外線感測器 熱電型紅外線使用熱電偶 (鋯鈦酸鉛 PZT 或 鉭酸鋰 LiTaO3) 來製作。基本原理是熱釋電效應，即元件受熱時，會在受熱面與不熱面兩端產生正負相反的電荷集中。此時在元件兩端並聯的一個電阻會有電流通過，如此等同一電壓訊號。比較電壓高於某個值時，便可知有無人體接近 常用來作防盜報警、來客 電動門、非接觸開關和 火災警報器等

20 焦電型紅外線感測器 - 2 量子型紅外線感測器原理乃入射光子將半導體中的電子自基態 (價電帶) 激發至導電帶，產生電壓差 (photovoltaic 原理) 或電阻變化 (photoconductive 原理) 量子型的感度比熱型的來的好，但價格也比較貴 紅外線感測器的應用用途 種 類 用 途 熱型 火災警報器、呼叫警報器、入侵警報器、門窗感測器、調理器的溫度測定、自動販賣機、一般機器的溫度測定 量子型 人造衛星、醫療診斷用 追蹤裝置 紅外線顯微鏡

21 光遮斷感測器 (Photo-interrupter)
是一種以光和電子訊號相互轉變之裝置，由一發光與一受光元件組合而成，藉由受光元件感測光線來探知物體之存在為目的之一種電子機械裝置。發光元件一般發出紅外光線，受光元件為一光電晶體 (量子型感測器)，將接收光線轉換成電壓 對射式裝置：如發光與受光元件分別為不同裝置時，放於不同地點時，受光於發光方向可容易感應發光存在，此時可視為通路 (Normal Close)。當發光與受光之間某一物體進入，光線遮斷，便可視同一斷路 常用來作防盜報警、來客 電動門和非接觸開關等 發 射 電 路 接 收 電 路

22 超音波感測器 (Ultrasonic) 反射式裝置：在光遮斷感測器裡，使用到發光與受光元件組合，如發光與受光元件為同位置裝備，受光平時無法感應發光存在，可視為斷路 (Normal Open)。當受光收到某一物體之光線反射時，便可視同為一通路。超音波感測器使用此一原理 所謂的超音波，是指頻率超越人類 可聽範圍的音波 (約 16KHz 以上)。 超音波反射效果一般優於紅外線 超音波接收器乃單一頻率的壓電感 測器，指的是受到音波壓力 (振動) 而產生電壓變化的感測器。 常用來作物體距離量測、防盜報警 和非接觸開關等 發 射 電 路 接 收 電 路

23 對射式與反射式感測器比較 對射式裝置 (遮斷型開關) 反射式裝置 (反射型開關) 接收端感應方式 發射源與接收端不同地點
可使用紅外線、可見光或超音波 紅外線表現效果好 (方向性) 反射式裝置 (反射型開關) 發射源與接收端同一地點 可使用紅外線或超音波。超音波表現效果好 接收端感應方式 紅外線、可見光：光能轉電位感應 超音波：聲波振動感應

24 常用保安感測器 警戒 / 保全用途 安全用途 磁簧開關 (磁力) 水銀開關 (傾斜)、微動開關 振動開關、玻璃破碎感測器 紅外線溫感器
光遮斷感測器 超音波感測器 (遮斷感測器) 安全用途 溫、濕度感測器 瓦斯感測器、一氧化碳、酒精感測器 電磁、電流感測器 位準感測器、流速感測器

25 溫度感測器 - 1 常用溫度感測元件包括 熱敏電阻 (Thermally Sensitive Resistance) 熱電偶 (焦電型元件)
感溫 IC 電阻式溫度感測器 (Resistance Temperature Detector) 感測器原理是將感測元件偵測到的溫度變化轉為電阻變化，再以電壓方式輸出。因此，控制電路可以設計一電流比較器來取得溫度值 熱敏電阻：為對溫度十分敏感之電阻體， 亦稱作熱阻體(Thermistor)，此種元件在 溫度改變時內部電阻值會產生變化

26 溫度感測器 - 2 熱電偶 (Thermocouple)：使用二種不同性質金屬端點接觸連成一閉迴路。不同種類金屬擁有自由電子數不同，當溫度改變會造成接觸面之自由電子運動而使金屬間產生電位差。當兩端溫度相同時，端點所產生之熱電動勢相同，故迴路中不會有電流；若兩端間存在溫度差，導致熱電動勢大小不同而產生一電流由高電動勢往低電動勢流動 感溫 IC：半導體材料之導電性易受到溫度影響，故以半導體材料構成之積體電路 (Integrated circuit, IC) 之導電性亦受到溫度影響，於是便有感溫 IC 出現。感溫IC使用上十分方便，且能獲得極佳的線性電流輸出，非常適合於低溫範圍內測量 電阻式溫度感測器 (RTD)：為一具有溫度特性之電阻體。可用以製造 RTD 之金屬很多，其中以白金、銅、鎳等材質最普遍。RTD 元件之感測方式主要有浸入探針 (immersion probe)型及表面溫度感測 (surface probe) 型兩種型態

27 溫度感測器 - 3 溫度感測元件比較 感溫元件 熱敏電阻 電熱偶 電阻式RTD 準確度 穩定性 範圍 靈敏度 輸出 優點
佳 ( 0.1-1℉ ) 良好 ( 約1-102℉) 極佳 ( ℉ ) 穩定性 良好 尚可 佳 範圍 尚可 (-100 ~ 280℃ ) 很廣 ( -185 ~ 1700℃ ) 很小 ( -15 ~ 70℃ ) 靈敏度 1 ~ 3V 50μV/℉ 0.1Ω/℉ 輸出 0.60mV 1-6V 優點 非常靈敏 經濟實用溫度範圍大 在可量測範圍準確度很高

28 濕度感測器 一般濕度感測器用以檢出濕度或結露等的方法有 感測器大致可分為七大類 常用於農業上有關控制、監測、 預警等各方面之應用
測定感濕材料因水氣的吸收、脫離，或結露而產生的電氣阻抗或電容量的變化 測定因濕度變化而產生氣體熱傳導度的差異 測定因濕度變化或結露而產生的水晶振動子的共振頻率變化 測定因濕度變化α射線穿越水滴而造成的衰減及光的吸收、反射 感測器大致可分為七大類 電解質濕度感測器 高分子濕度感測器 陶瓷濕度感測器 晶體振盪濕度感測器 常用於農業上有關控制、監測、 預警等各方面之應用 半導體濕度感測器 厚膜濕度感測器 結露濕度感測器

29 瓦斯感測器 瓦斯煙霧感測器的使用可分為瓦斯洩漏的檢出及濃度的測定，瓦斯取樣分析
一般瓦斯感測器可分為接觸燃燒式、半導體式、熱傳導式或熱阻體式三種感測器 接觸燃燒式：將白金線周圍以氧化鋁等物燒結，再於其表面披覆白金或鈀等氧化觸媒，將此加熱至 300℃左右時，可燃性氣體就在表面上接觸燃燒，而使白金線之溫度升高，並使電阻增加，利用此性質作瓦斯之偵知原理 半導體瓦斯感測器為利用半導體表面吸 著瓦斯時導電率 (電阻) 會變化而做成， 材質有 SnO2 (二氧化錫)，ZnO (氧化鋅) Fe2O3 (三氧化二鐵) 等

30 一氧化碳 (CO) 感測器 一氧化碳偵測器分為半導體感測元件與電化學感測元件兩大類
同瓦斯感測器，半導體型式氣體偵測器使用的氧化物半導體，將此加熱時，會因為 CO 氣體在氧化物半導體的表面做吸附 (adsorption) 作用或是去吸附 (desorption) 作用，致使半導體的自由電子的量增加與否，進而造成材料整體電阻改變。利用此種效應所製成之氣體偵測器，以二氧化錫 (SnO2) 的氧化物是被應用最為廣泛的材料

31 感測器特性 評估感測器可由以下數據來表現 誤差 (Error) 精確度 (Accuracy) 重複性 (Repeatability)
靈敏度 (Sensitivity) 解析度 (Resolution) 範圍 (Range) 及展幅 (Span) 直線性 (Linearity) 滯後現象 (Hysteresis)

32 電子式感測器之基本偵測方法 電容式： 利用電容量的改變來偵測激源變化 電阻式： 利用電阻值之改變 電感式： 利用線圈電流改變產生感應電壓
電容式： 利用電容量的改變來偵測激源變化 電阻式： 利用電阻值之改變 電感式： 利用線圈電流改變產生感應電壓 磁阻式： 永久磁鐵或電磁線圈之磁通量的改變被磁阻 干擾而改變通過之路徑 (Open、Close) 光傳導式：利用相對運動來感應電壓量測電壓變化 磁抗式： 固態材料受光照射其內部電阻值會與照度成 正比 光伏特式：兩種不同材料做成接合面,受光照產生電壓 電位計式：透過可變電阻分壓值取得激源變化 壓電式： 石英晶體被擠壓，形狀改變產生電壓 應變計式：形狀的導體受力量改變幾何形狀，電阻值改變 熱電式： 利用熱產生電阻值改變

33 ”智慧型” 感測器 ”智慧型” 感測器 (Intelligent Sensor)：感測器必須經過某一控制電路處理變成為有智慧的，它具備接近人類的判斷能力與人類的基本特性。有時可稱此感測器為 “Smart Sensor” 智慧型感測器 (Intelligent Sensor) 具備以下的條件： 具有判斷的功能 可作不同資料的補正 可作統計性的資料處理 可作攫取資料的分析 可作多數的感測器之間資料的交換 可適應環境的變化 可作演算的變換與擁有是當記憶空間等

34 感測器之控制電路 - 1 感測器的偵測方法，不管是開關型、或是電阻值、電壓等變化，取得的資訊需要經過控制電路處理
信號處理：感測器輸出為類比 (Analog) 信號，必須轉換為數位 (Digital) 信號，才能分析。一般稱為 ADC (Analog to digital converter) 轉換 數位 (Digital) 信號，以電池為例，一般為 0 ~ 5 伏特，對應所謂的 0 跟 1 將感測器的資訊轉為 0 跟 1 (有時是一連串的 0 跟 1) 後，輸入到控制電路。控制電路常使用微處理器 (Micro-processor; μP) 來分析、處理該信號

35 感測器之控制電路 - 2 一般的微處理器，常以所謂 8051 單晶片為代號處理器。它有許多通用輸入、輸出埠 (General purpose Input/Output; GPIO) 可以連接許多的輸入、輸出點或其他用途 (如鍵盤的按鍵處理) 將 ADC 產生之感測器的數位資訊 (0、1) 連接到微處理器之 GPIO 後，透過微處理器內部的程式 (Program) 可持續性的監視並產生必要的輸出 以一喇叭警報器為例，當磁簧開關感測某一門、窗不當被開啟，微處理器使用另一 GPIO 輸出使喇叭響起警報的的動作。此類輸出必須經過所謂的 DAC (Digital to analog converter) 的處理，才能使喇叭動作

36 感測器之控制電路 - 3 警報感測 (Alarm Sensor) 系統之功能區塊
以門禁喇叭警報系統為例，控制電路可以使用按鍵方式或一段時間方式來解除警報 ADC μP DAC 感測器 控制電路 警報輸出

37 門禁系統 門禁系統屬公共安全管理系統範疇。在建築物內的主要管理區， 包括出入口、電梯、設備控制機房、貴重物品庫房等通道口，安裝門磁開關、電控鎖或讀卡機等控制裝置，由中心控制室監控。中控室能夠對各通道口的位置、通行對象及通行時間等進行控制或設定 門禁系統作用在於管理人群進出管制區域，限制未授權人士進出特定區域，並使已授權者在進出上更為簡捷 門禁辨識可分成機械辨識與生物辨識。生物辨識將於下一單元介紹

38 機械式感應門禁系統 - 1 機械式感應系統使用包括
電子密碼鍵盤 (Keypad) 磁卡 (Magnetic stripe) 條碼卡 (Barcode Card) 感應卡 (Proximity Card) 智慧卡 (Smart Card) 等，作為授權識別，通過控制機編程，記錄進出人士時間日期。適用於各類型辦公室、計算機室、數據庫、停車場及倉庫等

39 機械式感應門禁系統 - 2 機械式感應系統使用磁卡等讀卡感測系統通常會內建控制電路。讀卡感測所產生的資訊會比一般感測器 (Sensor) 複雜，它和控制電路常使用一連串的 0、1 數據，如此才能辨識如不同身份的訊息 理想的門禁系統應結合整個保全系統，控制電路應可以 讀卡機控制與記錄 (Card reader controlled) 電子門鎖控制 (Electronic Lock) 中控式遠端開、關 (Remote bypass) 自動回鎖 (Auto-reverse) 當人已進入 聲音警示 (Audio alert) 如不當使用

40 電子保全系統 - 1 電子保全系統指使用多種電子式感測器與錄影設備進行監視、感測記錄、錄影與警報功能 電子保全系統包括
單一警報感測 (Alarm Sensor) 系統或多種電子式感測器 結合系統 錄影設備，包括單一或多台攝影機、影像儲存煤體 門禁控制與語音設備 (如對講機) 中控系統，包括中控主機與儲存煤體與監視畫面 (閉路電視常被使用) 安全資管理資訊系統，包括各種管制與事件記錄 (含人、時間、地點與對象) 警報系統，包括近端、遠端或特定對象等

41 電子保全系統 - 2 警報感測 (Alarm Sensor) 系統與中控主機通常因為距離關係必須使用特定的通信方法來相互對連，RS485 介面通信或無線通信常被使用 使用類比或數位的閉路電視 (Closed Circuit TV; CCTV) 來做監視或錄影的功能，將於後面單元介紹