Принцип действия и особенности функционирования инфракрасных пассивных охранных извещателей

26 июня 2007  |  Оптикоэлектронные, инфракрасные CO



Для целей охраны имущества используется большая номенклатура разнообразных технических средств, среди которых особое место занимают охранные извещатели.

Охранные извещатели - это своего рода «чувствительные рецепторы» системы охранной сигнализации, которые призваны обнаружить преступника в охраняемом помещении, сформировать сигнал тревоги и передать его в охранную систему для принятия мер реагирования.

От того, какие извещатели используются в системе охраны офиса или квартиры, напрямую зависит безопасность имущества клиента, а в отдельных случаях - безопасность его жизни и здоровья.

Действие извещателей основано на использовании различных физических принципов. Можно выделить 2 основных типа извещателей:

1. Пассивные извещатели, которые сами не являются источниками волн различной физической природы (электромагнитных, акустических, пр.).

2. Активные извещатели, являющиеся источниками таких волн.

Очевидные преимущества пассивных извещателей - это их экологическая чистота и низкое энергопотребление. Однако в ряде случаев, в частности для повышения достоверности формируемого извещателем сигнала тревоги и минимизации числа ложных срабатываний, используют извещатели второго типа. При этом в современных извещателях, как правило, активный и пассивный способ работы совмещаются в одном приборе.

По физическому принципу действия извещатели можно подразделить на следующие группы.

Инфракрасные - извещатели, которые обнаруживают тепловое (инфракрасное) излучение человеческого тела и формируют сигнал тревоги в случае, когда источник теплового излучения движется.

Ультразвуковые - извещатели, излучающие ультразвуковые колебания и принимающие сигнал, отраженный от окружающих предметов. Формирование тревожного сигнала происходит в случае возникновения движения в контролируемой зоне.

Радиоволновые - извещатели, излучающие в диапазоне ультракоротких радиоволн. Их принцип работы аналогичен принципу ультразвуковых извещателей.

Барометрические - извещатели, формирующие сигнал тревоги при скачкообразном падении атмосферного давления в охраняемом помещении, которое может произойти в случае открытия двери или окна.

Акустические - извещатели, формирующие сигнал тревоги при регистрации в охраняемой зоне характеристического звука. Чаще всего это звук разбития оконного стекла.

Сейсмические - извещатели, устанавливаемые на стену или другую конструкцию и формирующие сигнал тревоги в случае регистрации в этой конструкции характеристических колебаний, возникающих при попытке разрушения преграды известными способами и инструментами (отбойный молоток, абразивный инструмент, газовый резак, «кислородное копье», взрывчатка, т.п.).

Инерционные - извещатели, в которых сигнал тревоги формируется с использованием инерционных свойств предметов и как правило при механическом воздействии на охраняемый объект, например автомобиль (покачивание, толчки). К группе инерционных относятся вибрационные и ударноконтактные извещатели.

Пьезоэлектрические - различные извещатели, использующие в своей работе пьезоэлектрические материалы, которые обладают свойством наведения разности потенциалов на противоположных сторонах пьезоэлектрического кристалла при его деформации. К пьезоэлектрическим относятся контактные извещатели контроля разбития стекла, извещатели контроля неподвижности установленных (скульптура) или подвешенных (картины) предметов и т.д.

Магнитоконтактные - извещатели, формирующие сигнал тревоги при размыкании геркона вследствие удаления от него магнитного элемента.

Устанавливаются как правило на окна и входные двери.

Электроконтактные - извещатели, которые формируют сигнал тревоги при размыкании электрического контакта. В настоящее время используются как правило в системах тревожной сигнализации и работают в ручном режиме.

Комбинированные - извещатели, которые сочетают в себе два или более физических принципа действия (инфракрасный и ультразвуковой, инфракрасный и радиоволновой, акустический и магнитоконтактный и пр.). Использование двух физических принципов действия зачастую позволяет повысить помехозащищенность извещателя, исключить ложные срабатывания.

Ультразвуковые и радиоволновые извещатели относятся к активному, а все остальные - к пассивному типу извещателей.

Кроме указанных существуют извещатели, использующие иные физические принципы действия: емкостные, индуктивные, электромагнитные и пр.

К изложенному необходимо добавить, что инфракрасные и радиоволновые извещатели могут быть однопозиционными (для контроля движения в определенном объеме) и двухпозиционными (для контроля движения через ограждение). Двухпозиционные извещатели состоят из конструктивно обособленных передатчика и приемника электромагнитных волн и используются для охраны периметров; формирование тревожного сигнала в них происходит при пересечении человеком инфракрасного или радиолуча. В данном случае мы имеем дело с активным инфракрасным извещателем.

В настоящей статье будут рассмотрены принцип работы и конструктивные особенности пассивных инфракрасных извещателей, которые по праву пользуются большой популярностью у потребителей и являются наиболее распространенными.

Пассивные инфракрасные извещатели предназначены для обнаружения человека, находящегося в пределах зоны чувствительности. Основная задача извещателя - обнаружить инфракрасное излучение человеческого тела. Как видно из рисунка 1, тепловое излучение человеческого тела находится в пределах спектрального диапазона электромагнитного излучения с длинами волн 8-12 микрон. Это так называемое равновесное свечение человеческого тела, максимум длины излучения которого полностью определяется температурой и для 37°С соответствует приблизительно 10 микронам. Существует целый ряд физических принципов и соответствующих устройств, которые применяются для регистрации излучения в указанном спектральном диапазоне. Для пассивных инфракрасных извещателей следует использовать чувствительный элемент с оптимальным соотношением чувствительность/стоимость. Таким чувствительным элементом является пироэлектрический фотоэлемент.


Принцип действия и особенности функционирования инфракрасных пассивных охранных извещателей

Рис. 1. Спектральная зависимость интенсивности свечения: солнца, флюоресцентной лампы, лампы накаливания, человеческого тела и спектра пропускания ряда блокирующих видимый свет фильтров: кремниевый фильтр, просветленный кремниевый фильтр, фильтр с длиной волны среза 5 мкм и фильтр с длиной волны среза 7 мкм.

Явление пироэлектричества состоит в возникновении наведенной разности потенциалов на противоположных сторонах пироэлектрического кристалла при его неравновесном кратковременном нагревании. Со временем электрические заряды из внешних электрических цепей и перераспределение зарядов внутри кристалла приводят к релаксации наведенного потенциала. Из вышесказанного следует:

частота прерывания (Гц).


Принцип действия и особенности функционирования инфракрасных пассивных охранных извещателей

Рис. 2. Зависимость величины сигнала отклика пироэлемента от частоты прерывания регистрируемого теплового ИК-сигнала.

1. Для эффективной пироэлектрической регистрации теплового излучения необходимо применять прерыватель с оптимальной частотой прерывания излучения около 0,1 Гц (рис. 2). С другой стороны это означает, что если используется безлинзовая конструкция пироэлектрического элемента, он сможет зарегистрировать человека лишь при его входе в пределы диаграммы направленности (рис. 3, 4) и при выходе из нее со скоростью 1 - 10 сантиметров в секунду.


Принцип действия и особенности функционирования инфракрасных пассивных охранных извещателей

Рис. 3, 4. Форма диаграммы направленности спаренного корпусированного пироэлектрического элемента в горизонтальной (Рис. 3.) и вертикальной (Рис. 4.) плоскостях.

2. Для повышения чувствительности пироэлектрического элемента к величине перепада температур (разница между фоновой температурой и температурой тела человека) необходимо сконструировать его, выдержав минимально возможные размеры, с целью уменьшения количества тепла, необходимого для заданного повышения температуры чувствительного элемента. Размеры чувствительного элемента нельзя чрезмерно уменьшать, так как это приведет к ускорению релаксационных характеристик, что эквивалентно уменьшению чувствительности. Существует оптимальный размер. Минимальная чувствительность обычно находится на уровне 0,1°С для пироэлемента размером 1 х 2 мм и толщиной несколько микрон.

3. Для повышения термостабильности работы извещателя и отсечки влияния медленно меняющейся температуры окружающей среды чувствительный элемент изготавливается в виде парной конструкции электрически встречно включенных элементов, расположенных на общей подложке. Внешний вид чувствительного пироэлемента приведен на рис. 5. Как видно из рисунка, чувствительный элемент изготавливается в типовом корпусе обычного полупроводникового электронного элемента. В корпусе формируется окно из материала, не пропускающего извне излучения с длиной волны менее 1 - 7 микрон в зависимости от типа используемого фильтрующего материала (см. рис. 1). Мировым лидером по производству пироэлектрических элементов является фирма HAMAMATSU (Япония). В Украине пироэлементы производит СКТБ Института физики НАН Украины.


Принцип действия и особенности функционирования инфракрасных пассивных охранных извещателей

Рис. 5. Внешний вид чувствительного элемента пироэлектрического пассивного ИК-извещателя.

Можно четко сформулировать условия обнаружения человека с помощью инфракрасного извещателя. Инфракрасный извещатель предназначен для обнаружения движущихся объектов с температурой, отличной от фонового значения. Диапазон регистрируемых скоростей перемещения: 0,1 - 1,5 м/сек. Таким образом инфракрасный извещатель не регистрирует неподвижные объекты, даже если их температура превышает уровень фона (неподвижный человек) или если объект с температурой, отличной от фона, перемещается таким образом, что не пересекает чувствительных зон извещателя (например перемещается вдоль чувствительной зоны).

Естественно, что высокая чувствительность инфракрасного извещателя достигается путем применения линзовой системы концентрации входящего излучения (рис. 6). В инфракрасном извещателе линзовая система выполняет две функции.


Принцип действия и особенности функционирования инфракрасных пассивных охранных извещателей

Рис. 6. Варианты формирования диаграммы направленности ИК-извещателей в зависимости от типа линзовой системы.

Во-первых, линзовая система служит для фокусировки излучения на пироэлектрическом элементе.

Во-вторых, она предназначена для пространственного структурирования чувствительности извещателя. При этом формируются пространственные зоны чувствительности, которые как правило имеют форму «лепестков», а их количество достигает нескольких десятков. Объект обнаруживается при каждом входе и выходе из чувствительных зон.

Обычно различают следующие виды диаграммы чувствительности, которую называют также диаграммой направленности.

1). Стандартная - веерная по азимуту и многоярусная по углу места (рис. 6а).

2). Узконаправленная - одно- или двухлучевая дальнодействующая по азимуту и многоярусная по углу места (рис. 6б).

3). Штороподобная - узконаправленная по азимуту и веероподобная по углу места (рис. 6в).

Существует также круговая диаграмма направленности (в частности, для извещателей, устанавливаемых на потолке помещения), а также ряд других.

Рассмотрим варианты конструктивного исполнения системы формирования диаграммы направленности (рис. 7). Эта оптическая система может быть либо линзовой, либо зеркальной. Изготовление обычной линзовой системы с учетом требования формирования пространственно структурированной диаграммы направленности является дорогостоящей задачей, поэтому обычные линзы в пассивных инфракрасных датчиках не применяются. Применяются так называемые линзы Френеля. В обычной линзе для направленного отклонения света (фокусировки) используется специальная сферическая форма поверхности, материал линзы имеет коэффициент оптического преломления, отличный от коэффициента преломления окружающей среды. В линзе Френеля используется явление дифракции, которое проявляется в частности в отклонении светового луча при прохождении через узкую щель. Линза Френеля изготавливается методом штамповки и поэтому стоит дешево. Недостатком применения линзы Френеля является неизбежная потеря половины энергии излучения в результате его дифракционного отклонения линзой в направлении, отличном от направления на пироэлектрический элемент.


Принцип действия и особенности функционирования инфракрасных пассивных охранных извещателей

Рис. 7. Конструктивные варианты исполнения охранных пассивных ИК-извещателей: с линзой Френеля и с зеркальной фокусирующей системой.

Зеркальная линза более эффективна по сравнению с линзой Френеля. Она изготавливается из пластической массы методом штамповки с последующим покрытием структурированной поверхности светоотражающим покрытием, не изменяющим своих свойств со временем (до 10 лет). Наилучшим покрытием является золото. Отсюда и более высокая, приблизительно в два раза, стоимость пассивных инфракрасных извещателей с зеркальной системой по сравнению с линзовой. Кроме того извещатели с зеркальной системой имеют большие габариты по сравнению с извещателями, оснащенными линзами Френеля.

Зачем применяют более дорогие извещатели с зеркальной системой концентрации входящего излучения? Важнейшей характеристикой извещателя является его чувствительность. Чувствительность практически одинакова в перерасчете на единицу площади входного окна извещателя. Это, в частности, означает, что если проектируют пассивный инфракрасный извещатель с повышенной чувствительностью, то вынуждены увеличивать размер зоны концентрации излучения - площадь входного окна, а, значит, и сам извещатель (максимальная чувствительность современных пассивных ИК-извещателей позволяет производить обнаружение человека на расстоянии до 100 метров). Если положить наличие потерь полезного сигнала за счет несовершенства линзы, то необходимо повысить коэффициент усиления электронной схемы обработки электрического сигнала, формируемого чувствительным элементом. При условии одинаковой чувствительности коэффициент усиления электрической схемы в зеркальном извещателе в два раза меньше, чем в извещателе с линзой Френеля. Это обозначает, что в извещателях с линзой Френеля выше вероятность ложного срабатывания, вызванная помехами в электронной схеме.

Еще раз вернемся к оптической схеме извещателя. Кроме линзовой системы и оптического «отрезающего» фильтра, установленного непосредственно в корпусе чувствительного элемента, для уменьшения ложных срабатываний, вызванных всевозможными источниками излучения, применяют различные оптические фильтрующие элементы («белый» фильтр, «черное» зеркало и т.п.), задача которых минимизировать попадание постороннего оптического излучения на поверхность пиро-электрического элемента.

Входное окно большинства ИК-извещателей выполнено в виде «белого» фильтра. Этот фильтр изготовлен из материала, рассеивающего видимый свет, но в то же время не влияющего на распространение инфракрасного излучения.

В извещателях с зеркальной системой концентрации входящего излучения дополнительный поглощающий фильтр размещается непосредственно на зеркале. Такое зеркало отлично отражает ИК-излучение и эффективно поглощает видимую часть спектра. Внешне оно имеет черный цвет, поскольку не отражает видимый свет, и поэтому называется «черным» зеркалом. Использование дополнительного, по отношению к непосредственно размещаемому на корпусе светочувствительного элемента, поглощающего фильтра позволяет уменьшить тепловую нагрузку на чувствительный элемент от поглощенной энергии падающего на него излучения, поскольку дополнительный поглощающий фильтр и чувствительный пироэлемент пространственно разнесены.

Совершенствуются и линзы Френеля. Прежде всего путем придания линзе сферической формы, минимизирующей аберрации по сравнению со стандартной цилиндрической формой. Кроме этого применяется дополнительное структурирование диаграммы направленности в вертикальной плоскости за счет мультифокусной геометрии линзы: в вертикальном направлении линза разделена на три сектора, каждый из которых независимо собирает излучение на один и тот же чувствительный элемент.

Весьма актуальной является проблема противодействия физическому экранированию извещателя, которое сводится к установке перед ним экрана, перекрывающего его «поле зрения» (так называемое «маскирование»). Технические средства противодействия маскированию составляют систему антимаскирования извещателя. Некоторые извещатели оснащаются встроенными ИК- светодиодами. В случае, если в зоне обнаружения извещателя, а следовательно в зоне действия светодиодов, возникает преграда, то отражение излучения светодиодов от преграды воспринимается извещателем как сигнал тревоги. Более того, периодически (в существующих моделях - один раз в 5 часов) происходит самотестирование извещателя на предмет наличия отраженного излучения ИК-светодиодов. В том случае, если при самотестировании на выходе электрической схемы не появится необходимый сигнал, то срабатывает схема генерации сигнала тревоги. Извещатели с функциями антимаскирования и самотестирования устанавливаются на наиболее ответственных объектах, в частности там, где возможно противодействие работе системы охраны.

Еще один путь повышения помехоустойчивости извещателя - это применение квадратичного чувствительного пироэлемента совместно с использованием микропроцессорной обработки сигнала. Разные фирмы решают проблему создания квадратичного элемента различным образом. Например фирма «OPTEX» применяет два обычных сдвоенных пироэлемента, расположенных рядом. Основная задача системы - выделить и «отсеять» события, вызванные одновременной засветкой обоих пироэлементов (например свет фар) или электрической помехой.

Фирма «ADEMCO» применяет специальную конструкцию счетверенного пироприемника, где четыре чувствительных элемента расположены в одном корпусе. При этом встречно включены пироэлементы, расположенные как в горизонтальной плоскости, так и в вертикальной. Такой извещатель не будет реагировать на мелких животных (мыши, крысы), которые зачастую бывают в складских помещениях и являются одной из причин ложных срабатываний (рис. 8). Использование разнополярного подключения чувствительных элементов в таком извещателе делает невозможным «шумовое» ложное срабатывавние.


Принцип действия и особенности функционирования инфракрасных пассивных охранных извещателей

Рис. 8. Работа многоканальной системы селекции шумовых импульсов на примере работы квадратичного охранного пассивного ИК-извещателя.

Фирма «ADEMCO» настолько уверена в совершенстве разработанного ею квадратичного извещателя, что объявила о выплате премии, если обладатель извещателя зафиксирует его ложное срабатывание.

Еще одной мерой предосторожности является применение проводящих пленочных покрытий, наносимых на внутреннюю поверхность входного окна для противодействия радиочастотным помехам.

Эффективным методом повышения помехоустойчивости извещателей является применение так называемой «двойной технологии», которая заключается в использовании комбинированного извещателя, реализующего пассивный инфракрасный и активный радиоволновой (иногда - ультразвуковой) принципы действия.

Радиоволновой (ультразвуковой) блок фиксирует наличие допплеровского сдвига в частотном спектре отраженного радиосигнала (ультразвука), обусловленного движением объекта. Применение таких извещателей наиболее эффективно при последующей микропроцессорной обработке поступающих сигналов. Эти извещатели не рекомендуется применять в помещениях, где находятся люди, так как излучение оказывает вредное влияние на здоровье.

Извещатели «двойной технологии» используются при охране помещений, в которых имеются небольшие домашние животные: кошки, собаки, - а также при наличии в охраняемом помещении периодически включаемых неподвижных теплоизлучающих устройств: факсимильный аппарат, калорифер, вентилятор и т.п.

Мы рассмотрели основы работы и конструкцию пассивных инфракрасных охранных извещателей. В целом все конструктивные ухищрения, применяемые теми или иными фирмами, имеют одну цель - уменьшить вероятность ложного срабатывания извещателя, поскольку ложное срабатывание ведет к неоправданным затратам на реагирование по тревоге, а также влечет моральный ущерб для владельца охраняемого имущества.

Извещатели постоянно совершенствуются. На современном этапе основными направлениями совершенствования извещателей является повышение их чувствительности, уменьшение числа ложных срабатываний, дифференциация подвижных объектов по признаку санкционированного или несанкци-онированного пребывания в зоне обнаружения.

Как источник электрического сигнала, каждый чувствительный пироэлемент является также источником случайных шумовых сигналов. Поэтому актуальной является задача минимизации флуктуационных помех, решаемая схемотехническим путем. Используются разные методы борьбы с шумами.

Во-первых, в извещателе устанавливаются электронные дискриминаторы входного сигнала по верхнему и нижнему уровню, что минимизирует частоту появления помехи (рис. 9).


Принцип действия и особенности функционирования инфракрасных пассивных охранных извещателей

Рис. 9. Пороговая система двухстороннего ограничения уровня шумового сигнала охранного пассивного ИК-извещателя.

Во-вторых, применяется режим синхронного учета импульсов, поступающих по обоим оптическим каналам. Причем схема составляется таким образом, что полезный оптический сигнал на входе приводит к появлению положительного электрического импульса по одному каналу и отрицательного по другому. На выходе применяется схема вычитания. Если источником сигнала является шумовой электрический сигнал - он будет идентичен для двух каналов и на выходе результирующий сигнал будет отсутствовать. Если источником сигнала является оптический сигнал, то выходной сигнал будет суммироваться.

В третьих, применяется метод счета импульсов. Сущность этого метода состоит в том, что одиночный сигнал регистрации объекта не приводит к формированию сигнала тревоги, а устанавливает извещатель в так называемое «предтревожное состояние». Если в течении определенного времени (на практике это - 20 секунд) повторно не поступит сигнал регистрации объекта, происходит сброс предтревожного состояния извещателя (рис. 10).


Принцип действия и особенности функционирования инфракрасных пассивных охранных извещателей

Рис. 10. Работа системы счетчика импульсов.

Как правило все извещатели требуют подключения электрического питания 12 В постоянного тока. Ток потребления типового извещателя находится в пределах 15 - 40 мА. Сигнал тревоги формируется и передается на охранную централь посредством выходного реле с нормально замкнутыми контактами.

Промышленностью выпускаются извещатели для установки в помещении, а также на открытых площадках; последние имеют соответствующее климатическое исполнение. Типовой срок службы пассивных инфракрасных извещателей - 5 - 6 лет.

Автор: Ю.Ю. Орлов, А.В. Столяренко, Л.И. Громовенко, О.Ю. Жариков
Источник: http://www.bcm.com.ua


Код для размещения на форумах или блоге

«
»