Пироэлектрические датчики ИК излучения

5 мая 2007  |  Оптикоэлектронные, инфракрасные CO



Сегодня уже мало кого удивляет автоматически распахивающаяся перед посетителем дверь учреждения или магазина. В большинстве подобных случаев приближение человека "чувствует" висящий над дверью прибор, снабженный пироэлектрическим датчиком (приемником) ИК излучения.

Подобные датчики отличаются высокой чувствительностью, долговечны, просты в эксплуатации. Они находят широкое применение, в том числе в системах охранной и пожарной сигнализации, дистанционных измерителях температуры.

Пироэлектрический эффект (пирос по-гречески — огонь) — генерация электрических зарядов в кристаллах под воздействием тепла известен очень давно, его исследованием еще в XIX веке занимался известный немецкий физик Вильгельм Рентген. Эффект сродни пьезоэлектрическому, более того, пироэлектрики, как правило, обладают и пьезоэлектрическими свойствами.

В кристаллах природного происхождения (кварц, турмалин) пироэлектрический эффект выражен довольно слабо, но теоретически показана возможность существования веществ со сколь угодно большим пироэлектрическим коэффициентом — отношением приращения электрического заряда к вызвавшему его приращению температуры.

Сравнительно недавно такие вещества, относящиеся к классу сегнетоэлектриков, удалось синтезировать и создать на их основе чувствительные датчики.

Типовая схема датчика показана на рис. 1.


Пироэлектрические датчики ИК излучения

Рис.1.

Чувствительным элементом В1 служит своеобразный конденсатор — пластина из пироэлектрика с металлическими обкладками. На одну из обкладок нанесен слой вещества, способного поглощать электромагнитное (тепловое) излучение. В результате поглощения энергии температура пластины конденсатора увеличивается и между обкладками появляется напряжение строго определенной полярности. Будучи приложенным к участку затвор- исток встроенного полевого транзистора VT1, оно вызывает изменение сопротивления его канала. Выходной сигнал снимают с внешнего нагрузочного резистора, включенного в цепь стока транзистора.

Через некоторое время, независимо от того, продолжает действовать на датчик тепловое излучение или нет, конденсатор разрядится через сопротивление утечки R1 — выходной сигнал спадает до нуля.

Зачастую датчики снабжают несколькими чувствительными элементами, соединенными последовательно с чередующейся полярностью. Этим обеспечивают нечувствительность прибора к равномерному фоновому облучению и получение знакопеременного выходного напряжения при перемещении сфокусированного изображения объекта по чувствительной поверхности датчика.

Измеряют чувствительность пироэлектрического датчика обычно с помощью установки, схематически изображенной на рис. 2.


Пироэлектрические датчики ИК излучения

Рис.2.

Имитатор абсолютно черного тела использован в качестве источника теплового излучения.

Поток периодически, с частотой 1 Гц, перекрывает заслонка—прерыватель, приводимый в действие электродвигателем.

ИК импульсы поступают на чувствительный элемент датчика и вызывают появление импульсов напряжения на внешнем нагрузочном резисторе R1. Легко видеть, что полевой транзистор датчика здесь включен истоковым повторителем.

Как показывают измерения, чувствительность датчика уменьшается практически пропорционально увеличению частоты импульсов излучения, принимаемых им. Причина этому — значительная тепловая инерционность чувствительного элемента.

Датчики, предназначенные для работы при больших перепадах температуры окружающей среды, оснащают двумя чувствительными элементами, включенными встречно последовательно, — рабочим и компенсационным. Компенсационный элемент может быть закрыт от внешнего потока излучения, но находится в одинаковых с рабочим температурных условиях.

Характеристику спектральной чувствительности датчика определяет поглощающая способность материала покрытия пластины пироэлектрика в том или ином частотном интервале электромагнитного излучения. Окончательно ее формируют с помощью оптических фильтров, устанавливаемых перед чувствительным элементом.

Типовые характеристики спектральной чувствительности различных вариантов пироэлектрических датчиков показаны на рис. 3.


Пироэлектрические датчики ИК излучения

Рис.3.

Датчики с характеристикой 1 предназначены для обнаружения пламени, 2 и 3 — наилучшим образом подходят для фиксации движения человека. Характеристика 4 оптимальна для использования в дистанционных измерителях температуры.

Пироэлектрические датчики различного назначения выпускают несколько фирм. Ниже будет подробно рассказано об изделиях одной из них — Murata Manufacturing Co (Япония).

Датчики оформлены в цилиндрическом металлическом корпусе с тремя (или четырьмя) жесткими проволочными лужеными выводами (рис. 4).


Пироэлектрические датчики ИК излучения

Рис.4.

На плоском торце корпуса, противолежащем выводам, имеется квадратное, прямоугольное или круглое окно, закрытое прозрачным для ИК лучей фильтром. На этом же рисунке указана цоколевка приборов.

Основные технические характеристики пироэлектрических датчиков серии IRA фирмы Murata представлены в таблице.

У датчиков IRA-E710ST0, IRA-E910ST1, IRA-E420S1 и IRA-E420QW1 между выводами затвора и истока, а также затвора и стока полевых транзисторов включены встроенные блокировочные конденсаторы. В корпусе прибора IRA-E940ST1 размещены два датчика с двумя чувствительными элементами каждый. Прибор имеет один общий вывод и объединенный стоковый вывод, выводы истока транзисторов — раздельные.


Пироэлектрические датчики ИК излучения



* В двух перпендикулярных плоскостях.
** Все элементы соединены последовательно и по полярности встречно.

Типовая схема применения пироэлектрического датчика в устройстве охранной сигнализации показана на рис. 5.


Пироэлектрические датчики ИК излучения

Рис.5.

Конденсаторы С1 и С2 служат для подавления высокочастотных наводок на выводы датчика В1 и должны быть установлены в непосредственной близости от него. Эти конденсаторы не нужны, если в примененном датчике уже есть встроенные.

Внутренний полевой транзистор датчика В1 включен по схеме истокового повторителя. Его нагрузка — резистор R1. Колебания напряжения, возникающие на нем при движении нагретого объекта в чувствительной зоне, усиливают два ОУ — DA1.1 и DA1.2. Их общий коэффициент усиления достигает максимума (7500) на частоте 2 Гц, спадая на 3 дБ в частотных точках 0,5 и 5,5 Гц. Однако инерционность самого датчика сдвигает общую полосу пропускания системы датчик—усилитель значительно ниже — до 0,06...1,2 Гц.

Как только амплитуда сигнала на выходе ОУ DA1.2 превысит 0,8 В, срабатывает компаратор DA2.1, если выброс напряжения положителен, или DA2.2, если он отрицателен, относительно некоторого значения, близкого к половине напряжения питания (оно определено номиналами резисторов R10 и R12).

Выходы компараторов (с открытым коллектором) соединены параллельно, поэтому при срабатывании любого из них изменяется логический уровень на входе микроконтроллера.

В результате обработки полученной последовательности импульсов ( измерения их длительности, подсчета числа за определенный промежуток времени) микроконтроллер вырабатывает управляющий сигнал, приводящий в действие исполнительный механизм или узел подачи тревоги.

Для увеличения пространственной зоны чувствительности датчика перед его оптическим окном обычно устанавливают линзу, фокусирующую ИК лучи на пластине пироэлектрика.

Чтобы получить веероподобную форму чувствительного сектора обзора, подобную показанной упрощенно на рис. 6,а, применяют зонированную линзу Френеля.


Пироэлектрические датчики ИК излучения

Рис.6.

Она состоит из множества отдельных фокусирующих участков, каждый из которых формирует свой чувствительный луч, приходящий с определенного направления. В результате при перемещении движущегося объекта из одного луча в другой датчик генерирует переменное напряжение.

Подобная веерность лучей образуется и в вертикальной плоскости (рис. 6,б).

Применяя линзы Френеля специальной структуры, можно варьировать форму лепестков с тем, чтобы получить наилучшие условия для обнаружения объекта в заданном секторе обзора.

Кроме датчиков серии IRA, фирма Murata выпускает пироэлектрические модули IMD-B101-01 и IMD-B102-01.

Наряду с собственно датчиком, такой модуль содержит усилитель и формирователь импульсов, пригодных для подачи на входы стандартных логических элементов (узел A3).

Структурная схема модуля показана на рис. 7, а чертеж корпуса — на рис. 8.


Пироэлектрические датчики ИК излучения

Рис.7.

Цоколевка модулей отличается мало. У обоих вывод 1 — общий, минусовый вывод питания; вывод 3 — плюсовой вывод питания; вывод 4 — цифровой выход. Ноумодуля IMD-B 101-01 вывод 2 — аналоговый выход усилителя сигнала датчика, а у IMD-B102-01 — вход сигнала стробирования коммутатора.

Основные характеристики модулей.

Напряжение питания, В...................................................2,6...5,5
Собственный потребляемый ток, мкА ................................120
Выходной ток, мА .........................................................1
Длительность выходных импульсов, с................................1...3
Время восстановления после срабатывания, с, не более .........3
Дальность обнаружения объекта, м,
без линзы ....................................................................1
с линзой Френеля.............................................................5
Угол обзора, град.......................................................119x38
Рабочий температурный интервал, °С............................-10...+50

В системах, автоматически включающих освещение при обнаружении движения в помещении, на вход стробирования модуля IMD-B102-01 обычно подают сигнал с фоторезистора, реагирующего на общую освещенность. Этим исключают срабатывание системы в дневное время.

Автор: А. СЕРГЕЕВ, г. Москва, Радио №7, 2004


Код для размещения на форумах или блоге

«
»