Устройство пироэлектрического датчика.
Ещё в далёком XIX веке немецкий физик Вильгельм Рентген занимался изучением пироэлектрического эффекта. Пироэлектрический эффект – это генерация электрических зарядов в кристалле под действием теплового (инфракрасного) излучения.
Современные технологии позволили искусственно синтезировать чувствительные пироэлектрические кристаллы. В отличие от природных кристаллов (турмалин, кварц) в которых пироэлектрический эффект проявляется слабо, искусственные пироэлектрические кристаллы обладают повышенной чувствительностью.
На основе пироэлектрических кристаллов были созданы пироэлектрические инфракрасные датчики. В настоящее время такие датчики применяют практически повсеместно.
Вот наиболее распространённые сферы применения:
Системы охранной сигнализации. Инфракрасные датчики движения обнаруживают движение человека в охраняемой зоне. Каждый человек излучает в окружающую среду тепло. Это и используется для обнаружения человека в охраняемом пространстве.
Автоматически открывающиеся входные двери в крупных супермаркетах, залах, студиях, магазинах и т.п. В таких системах также используются пироэлектрические датчики движения.
В последнее время в продаже появились автоматические выключатели освещения. Применение таких приборов в быту довольно оправдано, это сокращает затраты на электроэнергию.
Автоматические системы противопожарной сигнализации. Пироэлектрический датчик служит своеобразным электронным термометром и сигнализирует о превышении допустимой температуры в помещении.
Кроме всего прочего пироэлектрические датчики служат для дистанционного измерения температуры.
Наиболее продвинувшейся в производстве пироэлектрических датчиков является фирма Murata Manufacturing Co (Япония).
Устройство простейшего пироэлектрического датчика
Пироэлектрический датчик состоит из пластины пироэлектрика (кристалла) по бокам которого нанесены металлические обкладки, которые образуют своеобразный конденсатор.
На одну из обкладок нанесено вещество, принимающее электромагнитное тепловое излучение.
Излучение вызывает пироэлектрический эффект и напряжение между обкладками растёт, причём строго определённой полярности. Полученное напряжение приложено к участку затвор – исток полевого транзистора, встроенного в датчик.
В результате сопротивление канала транзистора VT1 изменяется. Транзистор VT1 нагружен на внешний нагрузочный резистор (не показан на рисунке), с которого и снимается сигнал.
Резистор R1 служит для разрядки обкладок конденсатора пироэлектрического датчика.
Датчики некоторых серий снабжают несколькими чувствительными элементами, соединёнными последовательно с чередующейся полярностью. Это позволяет сделать приборы нечувствительными к равномерному фоновому облучению.
Пироэлектрический кристалл – довольно инерционный чувствительный элемент.
Для различных электронных систем применяются пироэлектрические датчики с разной спектральной чувствительностью.
Спектральная чувствительность датчика формируется за счёт поглощающей способности материала, которым покрыты пластины пироэлектрика.
Для противопожарных систем используются пироэлектрические датчики со спектральной характеристикой под номером 1.
На графике видно, что датчики с данной характеристикой чувствительны к излучению с длиной электромагнитной волны 4 – 5 мкм (микрометров).
Для охранных систем, а также систем автоматики используются пироэлектрические датчики с характеристикой 2 и 3. Пироэлектрики с такой спектральной характеристикой более подходит для фиксации движения человека.
Пироэлектрические датчики со спектральной характеристикой под номером 4 наиболее подходят для дистанционных измерителей температуры. Видно, что характеристика под номером 4 более равномерна, следовательно, показания датчика с такой характеристикой будут наиболее точны.
Пироэлектрические датчики нашли широкое применение в системах «умный дом».
Главная » Технологии » Текущая страница
Также Вам будет интересно узнать:
-
Резистор.
Параметры резисторов.
-
Цифровой мультиметр. Какой мультиметр выбрать новичку?
-
«Мультирозетка». Собираем многофункциональную розетку.
-
Научись паять! Подготовка и уход за паяльником.
Параметры резисторов.
Устройство сенсора движения, основные элементы, можно ли собрать самому.
Основным элементом датчика движения является чувствительный элемент PIR датчик и линза Френеля.
Что такое PIR датчик?
ПИР датчик улавливает движения в зоне контроля. Он достаточно компактен, имеет низкую стоимость, малое энергопотребление, прост в применении и у него большой срок эксплуатации. Благодаря этим свойствам сенсор можно встретить в приборах и устройствах, применяемые дома и в бизнесе.
Можно встретить название » ПИР датчик», «Пассивный инфракрасный датчик», «Пироэлектрический датчик», или «датчик движения ИК».
В основе датчика лежит пироэлектрический кристалл, размещенный в металлическом корпусе, чувствительный элемент определяет уровень инфракрасного излучения.
Сам датчик состоит из двух частей, благодаря этому при движении сравнивается уровень фона половинок, при движении слева направо или наоборот. Если с одной из половины поступает сигнал больше чем с другой, появляется на выходе сигнал. В обычном состоянии потенциалы уравниваются и сигнал отсутствует. Чувствительный элемент имеет усилитель сигнала, обвязку состоящую из электронных компонентов — резисторов и конденсаторов.
В электронной схеме датчика, микрочип преобразует входной аналоговый сигнал в цифровой выходной сигнал.
Для большинства изделий ПИР датчик стал незаменимым элементом благодаря потребительским свойствам, заслуженно вошел в нашу жизнь и верно служит для обнаружения движения на порученных объектах. Благодаря малому энергопотреблению двух элементов питания хватает на год беспрерывной работы. Не забываем, что датчик не способен определить сколько людей находится в контролируемой зоне и на каком они расстоянии от датчика. Самые распространенные сенсоры D203B, D204B, D205B и др.
ИК-датчик, для улучшения его характеристик, выпускается в герметически закрытом металлическом корпусе, улучшающий шумовые, температурные и защитные свойства.
В корпусе имеется окно, которое изготовлено из ИК-прозрачного материала, защищающий чувствительный элемент. На пластине располагаются два сбалансированных сенсора.
Зона чувствительности детектора PIR имеет вид.
В отличие от инфракрасных оптических датчиков, которые используют LED — передатчик и ИК — приемник, ПИР- сенсор ничего не излучает, он работает в пассивном режиме, принимает слабое инфракрасное излучение от объектов. Самым распространенным источником сигнала для сенсора PIR является организм человека, поэтому это свойство успешно применяется для автоматического включения освещения, систем сигнализации и открывания дверей.
При воздействии инфракрасного излучения, в пироэлектрических материалах образуется слабый электрический заряд, похожий на заряд создаваемый в солнечных батареях.Температура тела примерно 34-градуса, как правило, она выше, чем температура общего фона. При нахождении человека в зоне датчика, его более высокая температура вызывает появление потенциала в пироэлектрическом материале. Электронной схемой усиливается слабый сигнал, сгенерированный инфракрасным излучением и далее поступает на вход дифференциального компаратора. Компаратор сравнивает уровень сигнала с предыдущими значениями, что вызывает его срабатывание. В действительности, это слишком простой механизм работы, который может быть использован с любым источником излучения, в том числе таких, как яркий солнечный свет, появления отражений от объектов в жаркие и солнечные дни.
Поэтому, размещается ИК-фильтр перед датчиком, который пропускает длины волн в диапазоне от 8 до 14 мкм, а это соответственно увеличивает чувствительность к теплу, идущих от человеческого тела.
Схема прохождения сигнала от датчика движения.
Как работают PIR | ИК-датчик движения
Как работают PIR
Сохранить Подписаться
Пожалуйста, войдите, чтобы подписаться на это руководство.
После входа в систему вы будете перенаправлены обратно к этому руководству и сможете подписаться на него.
ДатчикиPIR более сложны, чем многие другие датчики, описанные в этих руководствах (например, фотоэлементы, FSR и переключатели наклона), потому что существует множество переменных, влияющих на вход и выход датчика. Чтобы начать объяснять, как работает базовый датчик, мы будем использовать эту довольно красивую диаграмму 9.0007
Сам ИК-датчик имеет две прорези, каждая прорезь сделана из специального материала, чувствительного к ИК-излучению.
Используемый здесь объектив на самом деле мало что делает, и поэтому мы видим, что два слота могут «видеть» на некотором расстоянии (в основном чувствительность датчика). Когда датчик не используется, оба слота обнаруживают одинаковое количество ИК-излучения, окружающее количество, излучаемое из комнаты, стен или снаружи. Когда теплое тело, такое как человек или животное, проходит мимо, оно сначала перехватывает одну половину датчика PIR, что вызывает
ИК-датчик
Сам ИК-датчик помещен в герметичный металлический корпус для повышения устойчивости к шуму/температуре/влажности. Имеется окно из материала, пропускающего ИК-излучение (обычно это кремний с покрытием, так как его очень легко достать), которое защищает чувствительный элемент.
За окном находятся два сбалансированных датчика.
Левое изображение из спецификации Murata
Изображение из технического описания RE200B
Вы можете видеть выше схему, показывающую окно элемента, две части чувствительного материала
Изображение из технического описания RE200B
На этом изображении показана внутренняя схема. На самом деле внутри есть JFET (тип транзистора), который очень малошумящий и буферизует чрезвычайно высокое сопротивление датчиков в то, что может воспринять недорогая микросхема (например, BIS0001).
Линзы
Датчики PIR довольно общие и в большинстве случаев различаются только ценой и чувствительностью. Большая часть настоящего волшебства происходит с оптикой. Это довольно хорошая идея для производства: датчик PIR и схема фиксированы и стоят несколько долларов. Объектив стоит всего несколько центов и может очень легко изменять ширину, диапазон, схему восприятия.
На схеме вверху линза — это просто кусок пластика, но это означает, что область обнаружения — всего два прямоугольника. Обычно мы хотели бы иметь зону обнаружения, которая намного больше. Для этого мы используем простой объектив, такой как в фотоаппарате: он сжимает большую область (например, пейзаж) в маленькую (на пленке или ПЗС-сенсоре). По причинам, которые скоро станут очевидными, мы хотели бы сделать PIR-линзы маленькими, тонкими и легко формуемыми из дешевого пластика, даже если это может добавить искажения. По этой причине датчики на самом деле представляют собой линзы Френеля:
Изображение из журнала Sensors Magazine
Линза Френеля конденсирует свет, обеспечивая больший диапазон инфракрасного излучения для датчика.
Изображение с сайта BHlens.com
Изображение из приложения Cypress 2105
Итак, теперь у нас гораздо больший диапазон. Однако помните, что на самом деле у нас есть два сенсора, и, что более важно, нам нужны не два действительно больших прямоугольника с сенсорной областью, а скорее набор из нескольких небольших областей.
Итак, что мы делаем, так это делим линзу на несколько секций, каждая из которых представляет собой линзу Френеля.
Здесь вы можете увидеть многогранные секции
На этом макроснимке показаны различные линзы Френеля в каждой грани!
Различная огранка и дополнительные линзы создают диапазон областей обнаружения, перемежающихся друг с другом. Вот почему центры линз на гранях выше «несовместимы» — каждый второй указывает на другую половину чувствительного элемента PIR
.Изображения из технического описания NL11NH
Вот еще одно изображение, более качественное, но не такое количественное. (Обратите внимание, что датчик в магазине Adafruit имеет угол 110°, а не 90°)
Изображение с IR-TEC
Обзор Подключение к PIR
Это руководство было впервые опубликовано 28 января 2014 г. обновлено 27 июня 2012 г.
Эта страница (Как работают PIR) последний раз обновлялась 27 июня 2012 г.
Текстовый редактор на базе tinymce.
Обнаружение движения с использованием пироэлектрического и пассивного инфракрасного излучения
В нашем мире, который становится все более взаимосвязанным, появляется все больше приложений, которые выигрывают от способности обнаруживать людей или объекты, включая системы управления энергопотреблением зданий (BEM), которые контролируют окружающую среду в домах, офисах, фабриках и других зданиях.
Мартин Кинан, технический директор, Avnet Abacus
Важность и популярность систем БЭМ растут по мере роста стоимости энергии и выхода на первый план экологических проблем. Их способность подавать свет и / или тепло только тогда, когда это необходимо, обеспечивает значительную эффективность и экономию средств.
Существует множество способов обнаружения присутствия людей или объектов, включая такие технологии, как радар или лазер. Однако для обнаружения людей обычно используется одна из двух популярных технологий: пироэлектрическая / пассивная инфракрасная (PIR) или ультразвуковая, в основном из-за их небольшого размера, низкой стоимости, простоты реализации и надежности.
Оба они используют совершенно разные принципы друг друга и имеют разные преимущества, а это означает, что они выбираются на основе потребностей каждого отдельного приложения. При выборе технологии разработчики также должны учитывать факторы окружающей среды, такие как наличие пыли и дыма, так как это повлияет на выбор датчика.
Фундаментальный принцип работы ИК-датчиков основан на законе Вина. Это гласит, что каждый объект излучает тепловую энергию в виде излучения при условии, что его температура выше абсолютного нуля. Кроме того, закон Вина утверждает, что длина волны этого излучения обратно пропорциональна температуре. Поскольку люди всегда выше абсолютного нуля, они способны активировать датчик PIR.
Рис. 1. Блок-схема человеческого датчика, подключенного к Интернету вещей, с пассивным ИК-датчиком в качестве основного чувствительного элемента
PIR-датчики обычно представляют собой устройства для монтажа на печатной плате, выполненные в небольшом металлическом корпусе с двумя прорезями, через которые пироэлектрический материал подвергается воздействию окружающей среды.
Именно этот материал преобразует тепловое излучение в слабый электрический сигнал, указывающий на присутствие теплого объекта, например, человека или домашнего животного.
Пироэлектрические материалы подключены в противофазе таким образом, что при обнаружении человека первым «окном» генерируется положительный импульс, а когда человек затем проходит перед вторым «окном», генерируется отрицательный импульс. Используя простую аналоговую схему, основанную на паре операционных усилителей, эти импульсы можно использовать для запуска внешнего устройства или для ввода данных в микроконтроллер.
Рис. 2: Типичная обработка сигнала для ИК-датчика
Радиус обнаружения открытого ИК-датчика часто довольно узок и, в зависимости от размера помещения, в котором размещен ИК-датчик, это может означать, что только доступна небольшая зона обнаружения. В результате на чувствительный элемент часто надевают линзу Френеля из полупрозрачного пластика. Расположение элементов линзы Френеля определяет схему обнаружения и концентрирует энергию теплового излучения с большой площади на малые чувствительные поверхности.
Кроме того, довольно часто между линзой Френеля и передней частью датчика добавляют ИК-фильтр, чтобы ограничить длины волн, которые могут воздействовать на пироэлектрические элементы, интересующими. Применяя закон Вина, мы видим, что инфракрасная энергия человеческого тела обычно имеет длину волны около 10 мкм.
PIR-датчики являются ценным и очень популярным средством обнаружения людей, особенно когда они входят или выходят из помещения, поэтому в основном используются в системах безопасности / сигнализации. Однако одним из ограничений является то, что человек должен двигаться, чтобы его можно было обнаружить, поскольку датчики PIR измеряют только изменения в излучаемом ИК-излучении в пределах их поля действия. Еще одна проблема, которую следует иметь в виду, заключается в том, что технология PIR может быть чувствительна к радиочастотным помехам. С распространением таких технологий, как Wi-Fi и Bluetooth, эти ложные срабатывания стали более распространенными, чем раньше.
Восприимчивость PIR-устройств к радиочастотным помехам зависит от производителя, при этом некоторые предлагают решения с высоким уровнем радиочастотной невосприимчивости.
Другой метод обнаружения людей заключается в обнаружении их физического присутствия, а не в зависимости от температуры или ИК-излучения. Используя принцип отраженных звуковых волн, ультразвуковые приборы способны обнаруживать объект перед собой — это может быть любой крупный объект, в том числе люди и неодушевленные предметы.
Ультразвуковое обнаружение осуществляется с помощью пары устройств, одно из которых является передатчиком, а другое — приемником. Передатчик издает звуковой взрыв, который по сути представляет собой механическую волну, вытесняющую воздух, с частотой, которая обычно находится в диапазоне от 30 кГц до 10 МГц. Этот частотный диапазон выбран отчасти потому, что он неслышим для человека.
Эти звуковые волны будут отражаться от первого объекта, с которым они столкнутся, и отразятся обратно, чтобы быть уловленными приемником.
В случае пустой комнаты звуковые волны будут отражаться от стены напротив того места, где расположен датчик — шаблон приема для этого образует «базовую линию», и любое изменение этого шаблона указывает на присутствие объекта (вероятно, человека). присутствовать в комнате. Ультразвуковые датчики полезны для измерения присутствия легко обнаруживаемых объектов (включая стены) на расстоянии до 6 м и людей на расстоянии до 3 м.
Поскольку скорость звука в воздухе относительно постоянна (температура оказывает на нее небольшое влияние), то путем измерения времени, прошедшего между отправкой звукового импульса и приемом отражения, можно определить расстояние от объекта до датчика. можно вычислить. По этой причине такие типы систем известны как системы «Time of Flight» (ToF). Хотя этот принцип широко используется в ультразвуковых измерительных устройствах, таких как те, которые используются для измерения помещения при продаже дома, большинство систем управления зданием просто хотят знать, что где-то в комнате есть человек, и, как результат, свет должен Быть на.
Рисунок 3: Ультразвуковые датчики могут использоваться для обнаружения на уровне помещения и отдельных роботизированных устройств
Опять же, схема, необходимая для получения выходного сигнала от приемника и создания сигнала, указывающего на присутствие человека, относительно невелика. просто с ультразвуковыми датчиками. Это может быть вход в систему BEM, где его можно использовать для управления освещением или HVAC, или и тем, и другим.
В целом ультразвуковые датчики уменьшаются в размерах и становятся все более универсальными по мере развития технологий, что позволяет использовать их в большем количестве приложений.
Хотя мы рассматривали использование ИК- и ультразвуковых датчиков в составе более крупных систем БЭМ, они в равной степени применимы и в небольших автономных системах. Многие, если не большинство, светильников, управляемых движением, контролируются датчиками движения на основе PIR. Также можно заменить стандартные выключатели света на датчик PIR, чтобы свет включался, когда кто-то входит в комнату.
Еще одно очень популярное применение ИК-детекторов — системы сигнализации для обнаружения злоумышленников. Их трудно подделать, так как нарушитель будет обнаружен еще в нескольких метрах от него, задолго до того, как он сможет добраться до датчика и отключить его. Фактически, в подключенной системе один и тот же ИК-датчик можно использовать для включения света и, когда в здании никого нет, для обнаружения злоумышленников.
Ультразвуковые датчики могут использоваться вместо ленточных инструментов для измерения помещений при создании планов домов, офисов или других зданий. Он также используется для проверки наличия трещин в больших конструкциях, таких как здания или самолеты, где звуковые импульсы отражаются заполненной воздухом трещиной, которая представляет собой разрыв в материале. Это позволяет обнаруживать трещины задолго до того, как они станут достаточно серьезными, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом.
По мере того, как простые роботы появляются в домашних условиях, например устройства для уборки пылесосом или мытья полов, или более крупные, но похожие роботы для стрижки газонов, способность обнаруживать препятствия становится очень полезной.
Для этого обычно используют ультразвуковую технологию, поскольку она проста и надежна. Он также используется на некоторых транспортных средствах для обнаружения препятствий при парковке, а также для облегчения работы более современных систем, таких как самостоятельная парковка или обнаружение слепых зон.
Хотя во многих системах определения уровня жидкости используется датчик, который вводится в жидкость, у этого могут быть недостатки, особенно при работе с легковоспламеняющимися или коррозионно-активными жидкостями. Встраивание ультразвукового датчика в крышу резервуара позволяет бесконтактно измерять уровень жидкости и, зная форму резервуара, позволяет рассчитать оставшийся объем жидкости. Добавление функции связи позволило бы удаленным резервуарам связываться с системой, которая облегчала бы автоматическое пополнение после достижения заранее установленного порогового уровня.
Несмотря на то, что использование этих двух технологий широко и разнообразно, и ожидается, что оно будет только расширяться по мере добавления новых типов устройств и приложений в IoT, обнаружение присутствия и движения остается основным применением для PIR и ультразвуковых технологий.
