Пироэлектрический датчик. Пироэлектрический инфракрасный датчик движения: принцип работы, устройство и применение

Как работает пироэлектрический инфракрасный датчик движения. Из каких основных элементов он состоит. Где применяются PIR-датчики. Какие преимущества имеют пироэлектрические сенсоры движения.

Принцип работы пироэлектрического инфракрасного датчика движения

Пироэлектрический инфракрасный (PIR) датчик движения работает на основе пироэлектрического эффекта — способности некоторых материалов генерировать электрический заряд при изменении их температуры. Основные принципы работы PIR-датчика:

• Чувствительный элемент датчика реагирует на инфракрасное излучение, испускаемое объектами.
• Человеческое тело излучает ИК-волны длиной 9-10 мкм.
• При появлении человека в зоне обнаружения меняется уровень ИК-излучения, что вызывает изменение заряда пироэлектрического элемента.
• Электронная схема усиливает и обрабатывает этот сигнал, определяя наличие движения.

Таким образом, PIR-датчик пассивно регистрирует изменения теплового фона и способен обнаруживать движение теплых объектов.

Устройство и основные элементы PIR-датчика

В состав типичного пироэлектрического инфракрасного датчика движения входят следующие основные элементы:

• Пироэлектрический чувствительный элемент — сердце датчика, реагирующее на ИК-излучение.
• Линза Френеля — фокусирует ИК-лучи на чувствительном элементе, формируя зону обнаружения.
• Фильтр — пропускает только нужный диапазон ИК-волн (8-14 мкм).
• Усилитель сигнала с чувствительного элемента.
• Компаратор — сравнивает усиленный сигнал с пороговым значением.
• Микроконтроллер — обрабатывает сигнал и формирует выходной сигнал датчика.
• Выходной каскад — как правило, транзисторный ключ.

Все эти компоненты размещаются в компактном корпусе, часто со специальной линзой для формирования нужной диаграммы направленности.

Области применения пироэлектрических датчиков движения

PIR-датчики нашли широкое применение в различных сферах благодаря своей надежности, компактности и низкому энергопотреблению:

• Охранные системы — обнаружение проникновения в помещение.
• Автоматическое управление освещением — включение света при появлении человека.
• Системы «умный дом» — автоматизация различных функций.
• Автоматические двери в магазинах и офисах.
• Энергосберегающие системы — отключение неиспользуемых устройств.
• Сантехника — бесконтактные смесители, сушилки для рук.
• Игрушки и развлекательные устройства.

Разнообразие сфер применения делает PIR-датчики одними из самых распространенных сенсоров движения.

Преимущества пироэлектрических инфракрасных датчиков

PIR-датчики обладают рядом важных достоинств по сравнению с другими типами сенсоров движения:

• Пассивный принцип работы — не излучают сигналы, а только принимают.
• Низкое энергопотребление — могут работать годами от батареек.
• Нечувствительность к освещенности — работают в темноте.
• Простота конструкции и низкая стоимость.
• Компактные размеры — легко встраиваются в различные устройства.
• Высокая надежность и длительный срок службы.
• Нечувствительность к медленным изменениям температуры фона.

Эти преимущества обеспечили PIR-датчикам лидирующие позиции на рынке сенсоров движения для бытовых и коммерческих применений.

Как правильно выбрать и установить PIR-датчик движения?

При выборе и установке пироэлектрического датчика движения следует учитывать несколько важных факторов:

1. Зона обнаружения — выбирайте датчик с подходящим углом обзора и дальностью.
2. Условия эксплуатации — для улицы нужны защищенные модели.
3. Напряжение питания — должно соответствовать вашей системе.
4. Тип выходного сигнала — релейный, транзисторный или цифровой.
5. Чувствительность и время задержки — возможность настройки.

При установке датчика важно правильно ориентировать его зону обнаружения и избегать источников помех, таких как отопительные приборы или потоки воздуха.

Ограничения и недостатки PIR-датчиков

Несмотря на множество достоинств, пироэлектрические датчики движения имеют некоторые ограничения:

• Реагируют только на движущиеся объекты — неподвижный человек может остаться незамеченным.
• Чувствительны к резким изменениям температуры — могут давать ложные срабатывания.
• Не определяют расстояние до объекта и его размеры.
• Могут иметь «слепые зоны» в области обнаружения.
• Нечувствительны к объектам с температурой окружающей среды.

Понимание этих ограничений позволяет правильно применять PIR-датчики и при необходимости комбинировать их с другими типами сенсоров.

Перспективы развития технологии PIR-датчиков

Технология пироэлектрических инфракрасных датчиков продолжает развиваться в нескольких направлениях:

• Повышение чувствительности и снижение энергопотребления.
• Интеграция с другими типами сенсоров для комплексного анализа.
• Применение алгоритмов машинного обучения для распознавания типов движения.
• Миниатюризация — создание сверхкомпактных PIR-сенсоров.
• Разработка специализированных датчиков для конкретных применений.

Эти инновации позволят расширить возможности PIR-датчиков и открыть новые сферы их применения в будущем.

Устройство пироэлектрического датчика.

Пироэлектрический эффект

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 &raquo Технологии &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

Инфракрасный датчик движения от производителя: принцип действия ИК

Зоны действия PIR-датчиков
Как правильно располагать PIR-датчики
Общие требования по установке PIR-датчиков

Основной чувствительный элемент датчиков движения и присутствия — пироэлектрический инфракрасный сенсор. Пироэлектричество — это электрический потенциал, возникающий

в материале под воздействием инфракрасного (ИК) излучения.

Сенсор, в котором используется материал с такими свойствами, может реагировать на тепло, излучаемое телом человека. PIR-датчик (Pyroelectric InfraRed) имеет круговую диаграмму направленности (360°) с углом разворота 120°.

Специальные схемные решения позволили создать различные инфракрасные датчики движения для включения света, фиксирующие передвижение людей.

Зоны действия PIR-датчиков

В ассортименте изделий компании B.E.G. имеются датчики движения и присутствия различного исполнения и назначения:

• для наружного применения;
• для внутреннего применения;
• для настенного монтажа;
• для потолочного монтажа
• датчики в дизайнерском исполнении.

Один из главных параметров ИК датчиков движения — зона действия. Потолочные датчики, обычно, имеют круговую зону охвата (360°). Настенные датчики движения PIR, в зависимости от модели, имеют зону действия от 120° до 280°.

В конкретных условиях порой необходимо использовать датчик с нестандартным углом обзора.
В таких случаях используются закрывающие пластины (шторки). Они исключают из зоны обнаружения источники тепла (помех) или участки помещения.

Дальность действия датчика зависит от того, как перемещается человек по отношению к датчику. Если он движется в перпендикулярном к датчику направлении, то сенсор имеет максимальную дальность действия.

Если движение осуществляется по направлению к датчику (фронтально), зона охвата сокращается почти вдвое. Датчики имеют минимальную дальность действия, если движение происходит непосредственно под сенсором.

У датчиков присутствия PIR компании B.E.G. высокая зона чувствительности, и они реагируют на самые незначительные движения. Чувствительность датчика регулируется.

При реализации проекта важно добиться, чтобы зоны действия датчиков покрывали всю площадь, подлежащую контролю. Для этого используют несколько датчиков с перекрывающимися зонами охвата, избегая «мертвых» зон. Для исключения пропусков и ложных срабатываний, применяются временные задержки.

Как правильно располагать PIR-датчики

У входа в здание устанавливается настенный датчик движения PIR для наружного применения.
В зоне его действия должна быть дорожка к входу. Датчик первым приветствует посетителя, повышая имидж учреждения.

В коридорах особое внимание уделяется входам. Датчики должны устанавливаться так, чтобы человек даже на короткое время не оказывался в темноте. Для коридоров разработаны специальные потолочные датчики движения с узким диапазоном обнаружения и большой дальностью действия.

Лестничные марши рассматриваются, как зоны повышенной опасности. Здесь должно быть исключено падение людей по причине недостаточной освещенности. На потолке  или на стене лестничной площадки датчики движения ставят как настенные выключатели.

Особенность освещения в офисе состоит в том, что в одном помещении надо обеспечить различную освещенность на разных рабочих местах. Необходимо учесть интенсивность естественного освещения и иметь возможность отключать освещение на пустующих местах.

Поэтому каждому рабочему месту нужна своя схема управления освещением. С такой задачей справятся потолочные датчики присутствия PIR с возможностью расширения диапазона обнаружения.

В школьном классе или вузовской аудитории освещение осуществляется с учетом дневного света. Помещение разделяют на зоны таким образом, чтобы с помощью регулируемого искусственного освещения обеспечить равномерную освещенность.

Особое внимание уделяется зоне у доски. Присутствующие должны хорошо видеть преподавателя и доску, поэтому здесь необходимо надежное освещение и, желательно, дополнительное ручное управление. В таких помещениях используются потолочные датчики присутствия.

При автоматизации освещения конференц-залов и комнат для совещаний используется подход аналогичный описанному выше. В магазине, аптеке, предприятии сферы обслуживания, возле входа, устанавливается датчик движения со звуковым сигналом, чтобы персонал обратил внимание на вошедшего посетителя.

Большой спортзал разбивают на зоны с независимым управлением от потолочных датчиков. Важно предусмотреть и ручное управление: это даст возможность обеспечить освещение только там, где проходят занятия.

В подземном гараже необходимо обеспечить надежный контроль зон входа и основных проходов. Возможные «мертвые» зоны компенсируются временными задержками. Здесь используются только потолочные датчики.

Общие требования по установке PIR-датчиков

Дальность действия PIR-датчиков зависит от направления перемещения источников ИК излучения. Если из-за большого количества коммуникаций установить датчики движения на потолок нельзя, то их размещают на колоннах и стенах.

Зону действия датчиков не должны ограничивать деревья, мебель и перегородки (в том числе стеклянные). Оптимальная высота установки для потолочных датчиков — 2,5-3 метра, а настенных выключателей от 1,1 до 2,2 метров. Датчики для высоких потолков размещают на высоте до 16 метров.

Ассортимент PIR-датчиков широк. Они отличаются назначением, техническими параметрами и конструкцией. Чтобы применить их с максимальной эффективностью на конкретном объекте, лучше воспользоваться услугами профессионалов.

Обращайтесь в компанию B.E.G. Наши специалисты дадут все необходимые консультации. И подписывайтесь на наш блог, чтобы не пропускать полезные материалы о датчиках движения и присутствия.

comments powered by HyperComments

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.

Работа ИК — датчика

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.
   Любой объект, при температуре выше абсолютного нуля, является источником инфракрасного излучения. Это излучение невидимое для человеческого глаза, но не для пироэлектрических материалов который использует PIR датчик. 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.
Разработан и применяется алгоритм уменьшения ложных срабатываний. Во-первых, человеческое тело испускает инфракрасное излучение длиной волн от 9 до 10 мкм.
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.

Пироэлектрические инфракрасные датчики

Пироэлектрический инфракрасный датчик детектирует инфракрасное излучение, основываясь на его температурной зависимости. Датчик подавляет помеху, возникающую из-за изменения температуры, используя два комплиментарных сенсора, что улучшает стабильность.	Датчики могут широко использоваться в устройствах безопасности, сторожевых устройствах, автоматике дверей, системах автоматического освещения, умных игрушках, и т.д
Применение Системы безопасности Электрическое освещение Автоматика для дома, и другие области применения	Характеристики Высокая чувствительность и превосходное отношение сигнал/шум Хорошая температурная стабильность Высокая устойчивость к воздействию помех (таких как вибрация, радиочастотные помехи, и т. д.) Хорошее соотношение цена/качество

RD-622, RD-623

Датчики	RD-622	RD-623
Cтандартный корпус	TO-5
Электроды инфракрасного приемника	2×1мм, 2 чувствительных элемента
Размер приемного окна	3×4мм	3.8×5мм
Размах выходного сигнала	3500mV
Чувствительность	3200V/M
Скорость обнаружения	1.4×108 cmHz1/2/w
Размах напряжения шума	<70mV
Степень выходного баланса	<10%
Напряжение (источника) питания	0.2-1. 5V
Рабочее напряжение	2-15V
Рабочая температура	-30 ~ 70°C
Температура хранения	-40 ~ 80°C
Углы обзора	x-138° y-125°	x-110° y-120°

Контактная информация

Москва

Отгрузка датчиков газа со склада в Москве осуществляется только по предварительному заказу по телефону (495)795-08-05 или по электронной почте [email protected]

127015, Москва, ул. Новодмитровская, д. 2, корп. 2, этаж 14, офис «Радиотех»

Отгрузка товара Пн.—Пт. 09:00—18:00, обед 14:00—14:30

Минск

Белрадиотех-Трейд, 220014, Беларусь, г. Минск, 3-й Железнодорожный переулок, д. 10, пом. 245
Тел.: +375 (17) 276-27-14
Факс: +375 (17) 276-27-13
Сайт.: http://brtt.by

Филиал ИФП СО РАН «КТИПМ»

Пироэлектрический датчик электромагнитного излучения

Пироэлектрические датчики предназначены для регистрации электромагнитного излучения в широком диапазоне длин волн 0. 4–2000 мкм. Пироэлектрический датчик включает в себя блок питания, набор детекторов излучения на основе пироэлектрических преобразователей из 5 штук. Данные датчики обладают наибольшей чувствительностью в миллиметровом диапазоне среди известных неохлаждаемых тепловых датчиков.

ОПИСАНИЕ

В основе датчика использован пироэлектрический преобразователь. Пироэлектрический датчик изготовлен в стандартном корпусе КТ-3, используемого для пироэлектрических датчиков ИК излучения типа МГ-33 производства АО «НПП «ВОСТОК», г. Новосибирск, и содержит первичный усилитель, расположенный на чипе сенсора. Датчик вставляется в корпус вторичного усилителя, который подсоединяется к многоканальному блоку питания и формирователя выходного сигнала. К одному блоку могут подсоединяться до 5 датчиков для спектрального и поляризационного анализа.

Вторичный усилитель и блок питания могут использоваться для работы со стандартными ИК детекторами типа МГ-33.

Данное конструктивное исполнение датчика (5-канальный блок питания и выносные малогабаритные вторичные усилители с пироэлектрическим преобразователем) выигрывает, как по эксплуатационным параметрам: малый диаметр выносного датчика, возможность оперативной замены измерительного элемента, возможность компоновки нескольких датчиков в одном узле для получения оперативной картины измеряемых параметров, так и по техническим характеристикам: малый шум усилителя и питающего напряжения, возможность питания как от сетевого источника, так и от аккумуляторной батареи.

Использование компактных вторичных усилителей и многоканального блока питания позволяет строить относительно недорогие системы для спектро-радиометрических измерений в научных и технологических исследованиях.

Технические характеристики: Датчик:

Спектральный диапазон, мкм	0,4–2000
Крутизна преобразования, В/Вт	>104
Мощность эквивалентная шуму, Вт/Гц1/2	< 10-8
Поляризационная чувствительность, дБ	20
Потребляемая мощность, Вт, не более	0.001
Напряжение питания, В	+5
Габариты, мм	9×9×12

Вторичный усилитель

Полоса усиления, Гц	60-500
Макс. напряжение выходного сигнала (нагрузка 50 Ом), В:	±4
Макс. шум усилителя, мВ	0,3
Габариты, мм	14×14×110

Блок питания

Количество подключаемых датчиков	5
Напряжение питания блока питания, В	+12
Потребляемая мощность блока питания, Вт, не более	2
Вес блока питания, кг	0,7
Габариты, мм	140×38×125

Пироэлектрический инфракрасный (PIR) датчик движения 12-24В 3А

PIR (пассивные инфракрасные датчики) сенсоры позволяют улавливать движение. Очень часто используются в системах сигнализации. Эти датчики малые по габаритам, недорогие, потребляют мало энергии, легки в эксплуатации, практически не подвержены износу. Кроме PIR, подобные датчики называют пироэлектрическими и инфракрасными датчиками движения.

Появилась необходимость приобрести пару датчиков для бытового использования в своих поделках на основе светодиодной подсветки.
Так как токи потребления у меня сравнительно не большие, а напряжение питания 12 В, были приобретены компактные пироэлектрические инфракрасные датчики движения в корпусе.

Посылка:

Я заказывал два датчика с возможностью регулировки по светочувствительности:

Датчики поддерживают питание от 12 до 24 Вольт. Они уже имеют распаянные стандартные провода длиной около 30 см с гнездами на вход и выход, с центральным контактом 2.1 мм, и это большой плюс. Не надо ничего припаивать, просто подключаете блок питания и пользуетесь:

Сами датчики довольно компактны. Внешний вид:

Размеры:

Чтобы добраться до платы и регулировок, нужно вскрыть корпус. Задняя крышка на защелках, поддевается отверткой:

Плата выглядит так:

Я нашел схему этого устройства, номиналы могут отличаться, но в целом для понимания сути работы, она верная:

Здесь мы видим стабилизатор напряжения на входе для питания микросхемы:

К слову сказать, вот даташит этого элемента, видно что разная маркировка подразумевает разное стабилизированное напряжение на выходе. Но главный момент заключается в том, что он поддерживает входное напряжение до 24 Вольт, именно поэтому превышать его не следует.

Далее по схеме, на выходе имеется полевой транзистор, который и является ключом в цепи питание-нагрузка:

В даташите указан максимальный продолжительный ток при нормальной комнатной температуре 15 А, но так как у нас нет охлаждения транзистора, мы ограничены по выходной мощности.

Сердце устройства — это микросхема Biss0001.Этот чип воспринимает внешний источник излучения и проводит минимальную обработку сигнала для его преобразования из аналогового в цифровой вид:

Далее, сами датчики скрыты за непрозрачным белым пластиковым колпачком:

ПИР датчик движения, по сути, состоит из пироэлектрического чувствительного элемента (цилиндрическая деталь с прямоугольным кристаллом в центре), который улавливает уровень инфракрасного излучения. Датчик фактически разделен на две части. Это обусловлено тем, что нам важен не уровень излучения, а непосредственно наличие движение в пределах его зоны чувствительности. Две части датчика установлены таким образом, что если одна половина улавливает больший уровень излучения, чем другая, выходной сигнал будет генерировать значение high или low.

Теперь непосредственно к регулировкам. Настраивал устройство, соответственно накидал что и куда крутить:

Время регулируется от 1 секунды до 500 сек. При полностью выкрученном ползунке свет просто мигает.

По поводу порога включения датчика, опытным путем выявил что это напряжение от 11,5 Вольт, если ниже, то датчик просто не включается:

По схеме понятно, что выходное напряжение с датчика меньше или равно входному. Я выставил 12В. тут есть погрешность в виде неточной индикации блока питания, поэтому потребление самого датчика конечно же ниже:

В режиме ожидания датчик потребляет 84мкА, а напряжение на выходе 170 мВ.

Честно скажу, что настраивать датчик ну очень неудобно с вынутой платой, поэтому я сделал отверстия на задней крышке, и так намного лучше:

Собрал схемку, все настроил:

Проверил:

Датчик работает уже два дня, второй такой я поставил на подсветку подставки для наушников, и мне нравится, что в отличие от предыдущего, который работал от 220 В, был больше и щелкал реле, этот более компактен и, конечно же, бесшумен.
Максимальную дальность не замерял, но в квартире с 3-х метров точно срабатывает

Insum.

Доволен ли я покупкой — да. Полноценное, качественно сделанное готовое устройство.

Что понравилось:
+ Полностью настраиваемый режим работы
+ Минимальное собственное потребление
+ Качество изготовления и компактность
+ Четкость срабатывания без пропусков
+.Наличие проводов с гнездами

Что не понравилось:
— Отсутствие прямого доступа к настройкам без разбора корпуса (решаемо)
— Крепежные уши очень маленькие (но лучше крепить на двустороннюю ленту типа 3М)

Белый колпачок датчика выбивается из черного корпуса, но в опции без датчика освещенности он черный.

На этом всё.

Пироэлектрический инфракрасный датчик для поверхностного монтажа IRS-A200ST01 от компании Murata — Компоненты и технологии

Пироэлектрические инфракрасные датчики уже давно применяются в охранных системах, и в последнее время для такого применения все возрастает. Например, на их базе изготавливаются сенсорные светильники, которые можно назвать простейшими охранными устройствами. Широкое распространение получают также экологичные системы освещения, в которых благодаря пироэлектрическим инфракрасным датчикам свет включается только в тех помещениях, где это необходимо. С течением времени были усовершенствованы такие характеристики пироэлектрических инфракрасных датчиков, как устойчивость к шумам и помехам от внешнего освещения, что значительно улучшило их работу. В то же время по мере расширения рынка произошло снижение цен на эти изделия.

Однако в области корпусирования пироэлектрических инфракрасных датчиков прогресс был невелик. Большинство данных устройств до сих пор монтируется в герметизированных корпусах типа TO-5, которые в прошлом использовались для транзисторов. При этом б ó льшая часть транзисторов сегодня предлагается в виде устройств для поверхностного монтажа (SMD) в миниатюрных прессованных корпусах, сменивших прежние пластмассовые корпуса с внешними выводами. Совершенствование корпусов транзисторов позволило уменьшить занимаемый ими объем и повысить плотность монтажа. Вдобавок на рынке появились многочисленные корпуса ИС с повышенной степенью интеграции и эффективностью монтажа, а также бескорпусные ИС. Безвыводное исполнение более широко применялось для таких компонентов, как конденсаторы, резисторы, катушки индуктивности, но и здесь произошла дальнейшая миниатюризация. Сегодня становится все труднее найти выводные компоненты.

Электронные компоненты в SMD-корпусах могут монтироваться путем пайки волной — в отличие от ныне применяемых пироэлектрических инфракрасных датчиков, требующих ручной пайки, которая чрезвычайно неудобна для производителей печатных плат. В ряде случаев ограничением становятся и габариты корпусов существующих пироэлектрических инфракрасных датчиков, препятствующие миниатюризации изделий на их основе. Многие производители электронных компонентов пытались помещать пироэлектрические инфракрасные датчики в SMD-корпуса. У некоторых это получалось — если говорить о внешнем виде устройства. Но до сих пор ни одной компании не удавалось изготовить пироэлектрический инфракрасный датчик в SMD-корпусе, который был бы пригоден для пайки волной. Чтобы изготовить «полноценный» пироэлектрический инфракрасный датчик, необходимо решить четыре перечисленные ниже проблемы.

Рис. 1. а) Внешний вид пироэлектрического инфракрасного датчика IRS-A200ST01;
б) габаритный чертеж и электрическая схема включения

Компания Murata Manufacturing Co., Ltd. представила первый пироэлектрический инфракрасный датчик поверхностного монтажа серии IRS-A200ST01 (рис. 1), а также обеспечила маркетинговые мероприятия для продвижения специально предназначенной для него линзы Френеля IML-0658 (рис. 2).

Рис. 2. Габаритный чертеж и схема распределения света в специальной линзе

Повышение теплостойкости

Для изготовления пироэлектрических инфракрасных SMD-датчиков, пригодных для пайки волной, необходимо было разработать пироэлектрический материал, который бы выдерживал соответствующую температуру волны. Обычно чем выше пироэлектрический коэффициент или чувствительность материала, тем ниже его точка Кюри. Материалы с такими характеристиками непригодны для пайки волной. Как правило, производители придают большее значение чувствительности обычно применяемых пироэлектрических материалов и поэтому берут за основу материалы с низкой точкой Кюри.

Компания Murata разработала для этой цели новый материал, использовав максимально преимущества своих оригинальных керамических технологий. Этот материал удовлетворяет двум взаимно противоречащим требованиям: с одной стороны, он имеет более высокую температуру точки Кюри, что делает его пригодным для пайки волной, а с другой — обладает тем же пироэлектрическим коэффициентом, что и обычно применяемые материалы. Новый материал применяется теперь компанией Murata для изготовления пироэлектрических инфракрасных SMD-датчиков.

Герметичность корпуса

Температура керамики, из которой изготавливаются пироэлектрические инфракрасные датчики, меняется от уровня тепла, излучаемого человеческим телом, примерно на 10^–6°C, в результате чего в керамике вырабатывается электрический заряд порядка фА. Этот чрезвычайно слабый электрический ток пропускается через импеданс величиной в несколько десятков гигаом и преобразуется в напряжение. Поскольку импеданс сам по себе настолько велик, в пироэлектрические датчики встраивается полевой транзистор(FET) для преобразования импеданса. Для того чтобы проникшая внутрь влага не снижала импеданс преобразовательного блока, корпус датчика герметизируется азотом с целью обеспечения воздухонепроницаемости.

Для этого компания Murata разработала корпус чрезвычайно высокой степени герметичности с встроенными наружными выводами и внутренней конфигурацией, использующей систему заливки собственной разработки.

Электромагнитный экран

С точки зрения теории электрических цепей пироэлектрическая керамика является конденсатором. Поэтому изменения окружающих электрических полей непосредственно передаются на выход в виде шума. Электромагнитное экранирование, которое обеспечивает корпус, играет существенную роль в предотвращении такого шума.

Высокая степень электромагнитного экранирования в пироэлектрическом инфракрасном датчике Murata IRS-A200ST01 достигается за счет применения конструкции с отлитыми выводами, которая оказывает экранирующее воздействие благодаря оригинальной фирменной системе отливки на базе формовочных смол. Керамический корпус датчика обеспечивает сплошное экранирование за счет конструкции экрана, в состав которой входит оптический фильтр.

Теплоизоляция

Пироэлектрические инфракрасные SMD-датчики построены по распространенной двухэлементной схеме, структурным свойством которой является исчезновение выходного сигнала при одновременном попадании энергии на два фотоприемника (эквивалент изменения температуры объекта). Обеспечить высокую устойчивость пироэлектрического инфракрасного датчика к колебаниям внешней температуры можно при помощи конструкции, в которой тепло, передающееся на пироэлектрический элемент через корпус, поступает одновременно на два фотоприемника.

В обычных баночных корпусах однородная теплопередача достигается за счет высокой теплопроводности металла корпуса и большой теплоемкости соединений. Для пироэлектрических инфракрасных SMD-датчиков был разработан SMD-корпус, имеющий высокую устойчивость к колебаниям внешней температуры благодаря оптимальной реализации теплопередачи путем использования металлического вывода, встроенного в корпус в качестве тепловой трубки, а также теплоизоляции, обусловленной невысоким коэффициентом теплопередачи формовочной смолы.

Особенности нового датчика

Благодаря решению перечисленных выше технологических проблем разработанный компанией Murata пироэлектрический инфракрасный SMD-датчик IRS-A200ST01 характеризуется высокой чувствительностью и низким уровнем шума, подходит для пайки волной, имеет малые размеры (6,7×5,7×2,6 мм), чрезвычайно устойчив к помехам и удовлетворяет требованиям директивы по ограничению содержания вредных веществ (RoHS).

Пироэлектрические инфракрасные SMD-датчики компании Murata могут использоваться в охранном оборудовании, для автоматического управления освещением, в или IP-камерах, в автоматических сиденьях для унитаза с функцией омывания теплой водой, а также в других автоматических выключателях, например, для жидкокристаллических мониторов, воздушных кондиционеров, очистителей воздуха, вентиляторов и телевизоров.

Компания Murata также разработала специальную линзу Френеля, которая в полной мере соответствует преимуществам миниатюризации пироэлектрических инфракрасных SMD-датчиков. В ближайшем будущем компания планирует представить линзы с различными схемами распределения света.

Заключение

В настоящее время имеется высокий спрос на экологичное и энергетически эффективное электронное оборудование. В дальнейшем компания Murata планирует вывести на рынок более компактные пироэлектрические инфракрасные SMD-датчики, ориентированные на широкий спектр применений с использованием соответствующих линз — тем самым компания рассчитывает внести свой вклад в совершенствование глобальной экосистемы.

Пироэлектрический датчик

— обзор

3.2.2 Фторированные гомополимеры и сополимеры

Одним из первых синтетических фторполимеров является поли (хлортрифторэтилен) (PCTFE), о котором сообщили Фриц Шлеффер и Отто Шерер в 1934 году. , PCTFE устойчив к большинству кислот и окислителей. Поли (тетрафторэтилен), еще одна химически инертная термопластичная и негорючая синтетическая смола, была затем открыта в 1938 году Роем Планкеттом, который работал на DuPont; и в настоящее время он известен как тефлон.ПТФЭ — это превосходный электроизолятор, поэтому он подходит для проводов и кабелей в компьютерах или в аэрокосмической отрасли. Из него также могут быть изготовлены электреты, то есть диэлектрические материалы, которые имеют квазипостоянный электрический заряд или поляризацию, и могут применяться в микрофонах, фотокопировальных устройствах (ксерография) и перезаписываемых устройствах хранения цифровых данных.

Поли (винилиденфторид) — это высокоинертный термопластичный фторированный материал. Его термическая, химическая и атмосферостойкость обеспечивает долговременную работу в сложных архитектурных и промышленных антикоррозионных покрытиях, фотоэлектрических задних панелях, связующих для композитных электродов и сепараторов в литий-ионных батареях, мембранных фильтрах для очистки воды и искусственных мембранах в иммуноблоттинге. С 1980-х годов ПВДФ привлекает все большее внимание. Он вызвал большой интерес из-за необычных электрических свойств, возникающих благодаря полярным связям фтористого углерода. Спрос на PVDF в конденсаторах с высокой плотностью электрической энергии, подводных / медицинских акустических преобразователях, пироэлектрических датчиках, полевых транзисторах и электромеханических приводах заметно растет.

PVDF удобно получать радикальной полимеризацией газообразного мономера 1,1-дифторэтилена в суспензии или эмульсии с использованием воды в качестве среды.Реакция проходит при давлениях от 10 до 300 атм. Поверхностно-активные вещества, такие как перфторонановая кислота, необходимы для полимеризации водной эмульсии. Используются водорастворимые инициаторы, такие как персульфатные соли и пероксид. Температуры полимеризации составляют от 10 ° C до 150 ° C.

Условия полимеризации оказывают заметное влияние на связь мономерных звеньев. Инвертированное добавление мономеров к растущим макромолекулам приводит к структурным дефектам, т. Е. «Голова к голове» (-CH ₂ -CF ₂ -CF ₂ -CH ₂ -) или «хвост к хвосту» (-CF ₂ -CH ₂ -CH ₂ -CF ₂ -) рычаги, отличные от обычных рычагов «голова-хвост» (-CF ₂ -CH ₂ -CF ₂ -CH ₂ -).

Структурные дефекты играют важную роль в кристаллизации и электрических характеристиках ПВДФ, которые будут обсуждаться в следующей части. При полимеризации в бензольном растворе с использованием триизобутилборана / кислорода в качестве катализатора содержание дефектов составляет всего 2,7% [1]. Наличие дефектов в PVDF можно легко идентифицировать по типичным спектрам ЯМР ¹³ C и ¹⁹ F PVDF.

Сополимеры — это материалы, содержащие два или более мономерных звена случайным или последовательным образом.Фторированные сополимеры можно легко получить радикальной полимеризацией. Из них получаются материалы, отличные от их гомополимеров. Радикальная сополимеризация также является удобным способом модификации свойств PVDF, включая кристалличность, технологичность, стабильность и т.д. Например, сополимеры P (VDF-HFP) демонстрируют улучшенную гибкость по сравнению с гомополимерами PVDF.

Статистические сополимеры VDF и фторированных мономеров, таких как HFP, CTFE, TFE и TrFE, были широко получены. Некоторые из них коммерчески доступны от DuPont, Solvay, Kureha и Arkema.Среди них сополимеры P (VDF-HFP) и P (VDF-CTFE) привлекательны для диэлектрических конденсаторов из-за большой емкости накопителя электроэнергии. В последнее время сополимеры P (VDF-TrFE) привлекают внимание благодаря своим выдающимся сегнетоэлектрическим свойствам.

Помимо статистических сополимеров, значительное внимание также привлекли сополимеры VDF с четко определенной структурой, такие как блочная, привитая и чередующаяся архитектура. Блок-сополимеры, содержащие VDF, могут самоорганизовываться в упорядоченные морфологии за счет фазового разделения, что особенно полезно для функциональных наноматериалов в мембранах и электронике. Для получения блок-сополимеров применялись свободнорадикальная полимеризация, поликонденсация, химия щелчков и другие методы [2].

Пироэлектрические датчики движения, газа, пищи или пламени

По мере того, как электронные устройства становятся все более автоматизированными, надежность и безопасность имеют первостепенное значение. Обеспечение правильной работы этих устройств часто достигается с помощью пироэлектрических датчиков, которые указывают на изменение, требующее определенного типа реакции. Датчики помогают успокоить многие небольшие, но важные операции, которые влияют на нашу повседневную жизнь.Независимо от того, используются ли они в гаражных воротах или в пожарных извещателях, пироэлектрические датчики помогают гарантировать надежность устройств дома. Их можно использовать во множестве приложений с использованием той же базовой технологии, которая основана на пироэлектрическом эффекте.

Пироэлектрические инфракрасные (ИК) датчики

KEMET используют пироэлектрический эффект керамических материалов, которые поглощают инфракрасные лучи и генерируют на них ответный электрический сигнал. Датчики KEMET очень чувствительны и подходят для множества применений.

Пироэлектрический эффект (и другие)

Пироэлектричество — это свойство некоторых кристаллических материалов, которые электрически поляризованы, чтобы испытывать изменение своей поляризации пропорционально изменению тепла. Это изменение итоговой поляризации кристалла временно генерирует обнаруживаемое напряжение на кристалле. У разных материалов разные пироэлектрические коэффициенты, которые описывают, насколько они чувствительны.

Пироэлектрический эффект связан с рядом других эффектов, но отличается от них: термоэлектрический эффект, пьезоэлектрический эффект и сегнетоэлектрический эффект.

• Термоэлектрический эффект — это свойство определенных материалов генерировать электрическое поле пропорционально изменению температуры по всему материалу, позиционно. Это отличается от пироэлектрического эффекта, который создает электрическое поле в зависимости от изменения температуры во времени.
• Пьезоэлектрический эффект — это свойство некоторых материалов генерировать электрическое поле, пропорциональное давлению, приложенному к материалу.Интересно, что все известные пироэлектрические материалы также являются пьезоэлектрическими.
• Сегнетоэлектрический эффект — это свойство некоторых материалов изменять свою электрическую поляризацию при воздействии обратного электрического поля. Все сегнетоэлектрические материалы также являются пироэлектрическими, но не все пироэлектрические материалы являются сегнетоэлектрическими.

Пироэлектрический эффект можно использовать для обнаружения инфракрасного излучения. Инфракрасное излучение поглощается химическими веществами или материалами на определенных длинах волн, поэтому пироэлектрический датчик может использоваться для обнаружения присутствия определенного химического вещества или материала, который блокирует определенную длину волны ИК-излучения.

Определение пироэлектрического эффекта

Инфракрасное излучение нагревает пироэлектрические керамические кристаллы, генерируя обнаруживаемое напряжение, которое можно измерить. Пассивные инфракрасные датчики измеряют или обнаруживают инфракрасные лучи, генерируемые объектом, который сам является инфракрасным излучателем. Активные инфракрасные датчики требуют, чтобы инфракрасный излучатель был источником излучения, а затем датчик определяет, какие длины волн были поглощены чем-то между излучателем и датчиком. Ниже приведены несколько примеров датчиков, использующих пироэлектрический эффект для обнаружения инфракрасного излучения для конкретных приложений.

Датчики движения

Инфракрасные датчики движения могут быть активными или пассивными. Активные инфракрасные датчики могут работать на очень большом расстоянии, потому что инфракрасный излучатель и датчик могут находиться далеко друг от друга. Типичным примером этого является датчик безопасности двери гаража. Как только что-либо блокирует инфракрасный луч, пересекающий проем гаражных ворот, раздается сигнал, чтобы гаражные ворота остановились. Пассивные инфракрасные датчики также могут использоваться для обнаружения движения, используя очень чувствительные датчики, сконфигурированные для непосредственного восприятия тепла инфракрасного излучения от источника. Такие датчики способны обнаруживать присутствие или отсутствие любого объекта, излучающего достаточно инфракрасного излучения, даже человеческого тела.

Пироэлектрические датчики движения

KEMET серии QMS представляют собой высокочувствительные устройства для поверхностного монтажа. Они предлагаются либо в однопиксельной конфигурации, либо в конфигурации 2 × 2 пикселя, что позволяет пользователям также определять направление обнаруженного движения. Большой динамический диапазон и быстрое время отклика обеспечивают быстрое и точное обнаружение движения.

Датчики газа

Одно из самых популярных применений инфракрасных пироэлектрических датчиков — обнаружение и контроль газов.Эти датчики работают, используя ИК-излучатель для направления инфракрасного излучения через образец газа, а затем обнаруживая, принимается ли определенная длина волны ИК-излучения на другой стороне. Если он не получен, в пробе должен присутствовать газ, который поглощает волны этой длины. Датчики настраиваются на определенные длины волн с помощью оптических ИК-фильтров на датчике, которые пропускают только желаемую длину волны к чувствительному элементу.

Пироэлектрические датчики газа

KEMET серии QGS представлены в небольшом SMD-корпусе с цифровым выходом I2C, а их серия QGC — в корпусе TO39 с аналоговыми выходами.Обе серии предлагают высокую чувствительность и чрезвычайно быстрое время отклика. Серия QGS обеспечивает очень низкое энергопотребление в сочетании с ИК-излучателями с малым рабочим циклом. Серия QGC предлагает множество оптических фильтров для обнаружения различных газов и может содержать до четырех чувствительных элементов в одном корпусе TO39.

Датчики пищи

От фотографа Бри Содерс, ассортимент еды, сфотографированный с помощью тепловизора.

Подобно датчикам газа, датчики пищевых продуктов откалиброваны для обнаружения связанных с пищевыми продуктами веществ, таких как жир, лактоза или сахар.Это обычные датчики ИК-спектроскопии, которые можно использовать для мониторинга всех видов коммерческих, промышленных или медицинских веществ или процессов, в зависимости от конфигурации и используемых инфракрасных оптических фильтров.

Пироэлектрические датчики пищевых продуктов QDC серии

KEMET содержат два чувствительных элемента в одном корпусе TO39 и могут быть настроены для обнаружения множества обычно контролируемых пищевых веществ. Серия пироэлектрических ИК-датчиков QDA компании KEMET представляет собой более общую серию датчиков, разработанных для ИК-спектроскопии.Эти датчики могут измерять множество различных веществ и факторов процесса в различных средах.

Датчики пламени

Датчики пламени легко конструируются с использованием пироэлектрических чувствительных элементов, поскольку пламя является сильным источником инфракрасного излучения. Датчики пламени могут не только обнаруживать пламя, но и распознавать источники пламени в тройных ИК-системах обнаружения пламени, которые сравнивают три определенные длины ИК-волн и их отношения друг к другу, чтобы обнаруживать пламя с определенной степенью точности.Датчики пламени могут быть более точными и быстрее реагировать на пламя, чем датчики дыма или тепла. Их можно использовать в устройствах противопожарной защиты, например, в умных домах или при обнаружении лесных пожаров, или в системах управления технологическими процессами, таких как оборудование для мониторинга печей и безопасности.

Пироэлектрические датчики пламени серии QFC и QFS компании

KEMET отличаются быстродействием и высокой чувствительностью. Серия QFC отличается высокой чувствительностью и широким полем обзора в корпусе TO39. Серия QFS имеет высокий динамический диапазон в небольшом корпусе для поверхностного монтажа.Серия QFC предлагает аналоговые выходы, а серия QFS предлагает цифровые выходы I2C.

Пироэлектрические датчики KEMET

Пироэлектрические датчики

KEMET используют пироэлектрический эффект некоторых керамических материалов для обеспечения высокочувствительного обнаружения в быстром инфракрасном диапазоне для различных приложений. Будь то обнаружение движения, газа, пищи или пламени или просто обеспечение общих функций ИК-спектроскопии, универсальные и надежные пироэлектрические датчики KEMET справятся с этой задачей.

Чтобы узнать больше, посетите веб-сайт KEMET по адресу https://www.kemet.com/en/us/sensors.html.

Пироэлектрический датчик Physics

Пироэлектрические оптические датчики энергии

Конфигурация типичного пироэлектрического датчика и его рабочий выходной сигнал показаны на рисунке 1. Пироэлектрический материал, который обычно является кристаллическим, обладает электрической поляризацией даже в отсутствие приложенного напряжения. Падающий лазерный импульс нагревает кристалл, что вызывает расширение материала и изменение поляризации.Заряд накапливается на противоположных поверхностях кристалла, что создает ток, заряжающий конденсатор. Этот заряженный конденсатор индуцирует напряжение, изменение амплитуды которого пропорционально энергии исходного лазерного импульса. Поскольку ток вызывает изменение температуры, пироэлектрические детекторы реагируют только на импульсное или модулированное излучение. Они гораздо быстрее реагируют на изменения излучения, чем термобатареи, и не подвержены влиянию постоянного радиационного фона. Отклик пироэлектрического детектора зависит от тепловой постоянной времени (определяемой тепловой массой и тепловыми соединениями элемента с окружающей средой) и электрической постоянной времени (эффективное сопротивление и емкость цепи детектора).Следовательно, небольшие детекторы с небольшой тепловой массой могут иметь чрезвычайно быстрый отклик. Добавление черного покрытия для обеспечения равномерного поглощения в широком спектральном диапазоне часто используется в пироэлектрических датчиках. Однако это покрытие увеличивает тепловую массу детектора, что снижает частотную характеристику. Это приводит к компромиссу между временной реакцией и чувствительностью.

Пироэлектрические детекторы обычно используются для измерения энергии импульсных лазеров, где ширина импульсов может варьироваться от фс до мс, а по энергии от субмкДж до Дж.Как обсуждалось в разделе «Радиометрические измерения», тепловые и электрические постоянные времени детекторов энергии выбираются таким образом, чтобы каждый импульс был интегрирован. Пик выходного напряжения является мерой заряда, производимого детектором, и, следовательно, энергии импульса. Заряд рассеивается до прихода следующего импульса. Время интегрирования или время спада накладывает ограничения на минимальный интервал между импульсами или максимальную частоту повторения, которую можно точно измерить. Пироэлектрические датчики могут использоваться для измерения мощности низкоуровневых непрерывных или квазинепрерывных источников света.Для этого перед обнаружением излучение должно быть модулировано или прервано, чтобы детектор вырабатывал выходной сигнал переменного тока. Поскольку частотная характеристика детектора намного ниже, чем для измерения импульсного излучения, повышенная чувствительность обычно приводит к более высокому динамическому диапазону в этой конфигурации.

RP Photonics Encyclopedia — пироэлектрические детекторы, сегнетоэлектрический кристалл, спектральный отклик, активная область, длительность импульса, чувствительность и динамический диапазон, ширина полосы, микрофон

Энциклопедия> буква P> пироэлектрические детекторы

можно найти в Руководстве покупателя RP Photonics. Среди них:

Найдите более подробную информацию о поставщиках в конце этой статьи энциклопедии или посетите наш

Вас еще нет в списке? Получите свою запись!

Определение: детекторы света на основе пироэлектрического эффекта

Альтернативный термин: пироэлектрический датчик энергии

Более общий термин: детекторы света

Немецкий язык: pyroelektrische Detektoren

Категории: фотонные устройства, обнаружение и характеристика света

Как цитировать статью; предложить дополнительную литературу

Автор: Dr.Rüdiger Paschotta

Пироэлектрические детекторы — это датчики света, основанные на пироэлектрическом эффекте. Они широко используются для обнаружения лазерных импульсов (а не непрерывного света), часто в инфракрасной области спектра и с возможностью очень широкого спектрального отклика. Пироэлектрические детекторы используются в качестве центральных частей многих счетчиков оптической энергии и обычно работают при комнатной температуре (т. Е. Без охлаждения). По сравнению с измерителями энергии на основе фотодиодов они могут иметь гораздо более широкий спектральный отклик.

Существуют различные другие применения пироэлектрических датчиков, например, обнаружение пожара, спутниковое инфракрасное обнаружение и обнаружение людей по их инфракрасному излучению (детекторы движения , ).

Принцип работы

Фигура 1: Пироэлектрические детекторы. Источник: Excelitas Technologies.

Сначала рассмотрим основной принцип работы. Пироэлектрический детектор содержит кусок сегнетоэлектрического кристаллического материала с электродами с двух сторон — по сути, конденсатор.Один из этих электродов имеет черное покрытие (или обработанную поглощающую металлическую поверхность), которая подвергается воздействию падающего излучения. Падающий свет поглощается покрытием и, таким образом, также вызывает некоторый нагрев кристалла, поскольку тепло передается через электрод в кристалл. В результате кристалл производит некоторое пироэлектрическое напряжение; можно электронным способом определить это напряжение или, альтернативно, ток, когда напряжение поддерживается постоянным. При постоянной оптической мощности этот пироэлектрический сигнал в конечном итоге исчезнет; поэтому устройство не подходит для измерения интенсивности непрерывного излучения.Вместо этого обычно используется такой детектор со световыми импульсами; в этом случае получается биполярная импульсная структура, в которой сначала получается напряжение в одном направлении, а после импульса — напряжение в противоположном направлении.

По такому принципу действия пироэлектрические извещатели относятся к термическим извещателям: они не реагируют напрямую на излучение, а только на выделяемое тепло.

Проще говоря, детектор относительно чувствителен к колебаниям окружающей температуры.Поэтому часто используют дополнительный компенсирующий кристалл, который подвергается, по существу, тем же колебаниям температуры, но не падающему свету. Принимая во внимание разность сигналов от обоих кристаллов, можно эффективно снизить чувствительность к изменениям внешней температуры.

Пироэлектрические заряды обычно обнаруживаются операционным усилителем (ОУ) на основе полевых транзисторов (JFET) с очень низким током утечки.

Сегнетоэлектрические кристаллические материалы

Лишь небольшая группа кристаллов обладает достаточно низкой симметрией кристалла (например,грамм. моноклинный) для проявления сегнетоэлектрических свойств и пироэлектрического эффекта. У них есть электрическая поляризация, которая зависит от температуры и, таким образом, приводит к пироэлектрическим зарядам при изменении температуры.

Особенно высокая чувствительность достигается при использовании триглицинсульфата (TGS, (NH ₂ CH ₂ COOH) ₃ · H ₂ SO ₄ ). Однако этот материал имеет довольно низкую температуру Кюри — 49 ° C; выше этой температуры сегнетоэлектрические свойства исчезают.Несколько более высокая температура Кюри 61 ° C получена для модифицированной формы этого материала, дейтерированного триглицинсульфата (DTGS). Однако оба материала неприемлемы для применений, в которых нельзя гарантировать, что температура всегда будет ниже температуры Кюри. Также обратите внимание на то, что пироэлектрический отклик существенно увеличивается чуть ниже температуры Кюри, так что это влияет на калибровку. Кроме того, существует риск деполирования при более высоких температурах. Кроме того, TGS и DTGS водорастворимые, гигроскопичные и хрупкие, поэтому не подходят для надежных счетчиков оптической энергии.

Другими сегнетоэлектрическими материалами, принадлежащими к группе перовскита, являются цирконат, титанат свинца (PZT, PbZrTiO ₃ ) и титанат свинца (PT, PbTiO ₃ ). Их необходимо использовать в керамической форме (например, в виде осажденных тонких пленок), поскольку большие кристаллы трудно получить; дополнительные легирующие примеси необходимы для стабильности при комнатной температуре. Эти материалы можно производить по относительно низкой цене, и они намного прочнее, чем TGS.

Материалом с очень высокой температурой Кюри и общей высокой прочностью является танталат лития (LiTaO ₃ ), который поэтому часто используется, несмотря на его более низкий пироэлектрический отклик.

Параметры производительности

Спектральный ответ

Как обычно для тепловых извещателей, спектральный отклик может быть очень широким; требуется только достаточно широкополосное поглощение.

Пироэлектрический датчик может быть оснащен инфракрасным фильтром, который пропускает только свет в определенном диапазоне длин волн.

Активная область

Активная область обычно представляет собой круглый диск или прямоугольную область диаметром от нескольких миллиметров до нескольких десятков миллиметров.Ориентировочно детекторы для более высоких энергий импульса имеют большую активную площадь.

Отражающая способность поверхности

В принципе, пироэлектрический детектор должен идеально поглощать весь падающий свет, чтобы иметь как можно более высокую чувствительность. Однако для быстрого отклика нужно использовать тонкое поглощающее покрытие, которое находится на отражающем металлическом электроде, или просто металлический электрод с обработанной структурой поверхности для улучшенного поглощения. Следовательно, на практике может быть значительная отражательная способность (порядка 50%).

Максимальная ширина импульса

Для правильной работы такого детектора входные импульсы должны быть достаточно короткими. Максимально допустимая ширина импульса существенно различается в зависимости от модели; это может быть, например, несколько десятков микросекунд. Импульсы лазера с модуляцией добротности всегда достаточно короткие.

Чувствительность и динамический диапазон

Пироэлектрические детекторы обычно используются для регистрации импульсов с энергией в области наноджоулей или микроджоулей. Самые чувствительные устройства имеют минимальный уровень шума значительно ниже 100 пДж, так что даже энергии импульса в несколько наноджоулей могут быть измерены с разумной точностью.В то же время может быть разрешена энергия импульса до 10 мкДж, так что эффективный динамический диапазон составляет, например, 40 дБ для измерения энергии.

Другие устройства оптимизированы для гораздо более высоких энергий импульса, например несколько джоулей, но имеют более высокий уровень шума, что позволяет проводить измерения вплоть до энергии импульса в десятки микроджоулей вместо наноджоулей.

Обратите внимание, что может быть дополнительное ограничение допустимой средней мощности. Это означает, что для максимально возможной частоты следования импульсов необходимо ограничить энергию импульса, поскольку в противном случае произойдет слишком сильный нагрев датчика.

Пропускная способность обнаружения

Типичная ширина полосы обнаружения пироэлектрического детектора составляет несколько килогерц, а иногда даже десятки килогерц. Это довольно быстро по сравнению со многими другими тепловыми детекторами, такими как термопары и термобатареи, и возможно из-за небольшой теплоемкости компактного кристалла детектора. (В принципе, электрическая емкость также может быть ограничивающим фактором, но обычно важно время тепловой релаксации.) Для особенно быстрого отклика можно использовать тонкие металлические электроды с обработанной поглощающей поверхностью, что минимизирует теплоемкость.

Поставщики часто указывают вместо истинной ширины полосы максимально допустимую частоту повторения импульсов, при которой все еще можно измерить энергию каждого импульса. На самом деле это количество, которое наиболее актуально для пользователей. Такой детектор можно использовать, например, для отслеживания флуктуаций энергии импульса лазера с модуляцией добротности. Для измерения только средней энергии импульса можно просто использовать медленный тепловой детектор, который выдает среднюю мощность, и разделить ее на частоту следования импульсов.

Частота следования импульсов лазера с синхронизацией мод была бы слишком высокой; здесь нужно было бы использовать фотодиод.

Ответ на звук (микрофон)

Все пироэлектрические кристаллические материалы также являются пьезоэлектрическими. Следовательно, пироэлектрический детектив также будет демонстрировать некоторую реакцию на входящие звуковые волны, то есть он действует как микрофон, что обычно нежелательно. Такую микрофонию можно подавить, например, при правильном монтаже и экранировании кристалла.

Вопросы и комментарии пользователей

Здесь вы можете оставлять вопросы и комментарии. Если они будут приняты автором, они появятся над этим абзацем вместе с ответом автора. Автор принимает решение о приеме на основании определенных критериев. По сути, вопрос должен представлять достаточно широкий интерес.

Пожалуйста, не вводите здесь личные данные; в противном случае мы бы скоро удалили его. (См. Также нашу декларацию о конфиденциальности.) Если вы хотите получить личный отзыв или консультацию от автора, пожалуйста, свяжитесь с ним, например по электронной почте.

Отправляя информацию, вы даете свое согласие на возможную публикацию ваших материалов на нашем веб-сайте в соответствии с нашими правилами.(Если вы позже откажетесь от своего согласия, мы удалим эти данные.) Поскольку ваши материалы сначала проверяются автором, они могут быть опубликованы с некоторой задержкой.

См. Также: счетчики оптической энергии, тепловые детекторы
и другие статьи в категориях фотонные устройства, обнаружение и определение характеристик света

Если вам нравится эта страница, поделитесь ссылкой с друзьями и коллегами, например через соцсети: Эти кнопки обмена реализованы с учетом конфиденциальности!

Код для ссылок на других сайтах

Если вы хотите разместить ссылку на эту статью на каком-либо другом ресурсе (напр. грамм. ваш веб-сайт, социальные сети, дискуссионный форум, Википедия), вы можете получить требуемый код здесь.

HTML-ссылка на эту статью:

   
 Статья о пироэлектрических детекторах  
 в  
 RP Photonics Encyclopedia   

С изображением для предварительного просмотра (см. Рамку чуть выше):

   
  alt =" article ">   

Для Википедии, например в разделе «== Внешние ссылки ==»:

  * [https://www.rp-photonics.com/pyroelectric_detectors.html 
 статья о «Пироэлектрических детекторах» в энциклопедии RP Photonics]  

Пироэлектрическая технология в лазерных датчиках и анализаторах пучка

Детектор Pyrocam состоит из пироэлектрического кристалла LiTa03, установленного с индиевыми выступами на твердотельный мультиплексор считывания. Этот датчик, разработанный для оригинальной Pyrocam I, оказался наиболее прочным, стабильным и точным из имеющихся массивов ИК-детекторов. Свет, падающий на пироэлектрический кристалл, поглощается и преобразуется в тепло, которое создает заряд на поверхности. Затем мультиплексор считывает этот заряд в видеолинию. Для использования с короткими лазерными импульсами встроенное ПО камеры создает очень короткий электронный затвор для точного улавливания генерируемого термическим сигналом. Pyrocam III измеряет профиль пучка как импульсных, так и непрерывных лазеров.Поскольку пироэлектрический кристалл представляет собой интегрирующий датчик, можно измерять импульсы от фемтосекунд до 12,8 мс. Пироэлектрический кристалл измеряет только изменения интенсивности, поэтому он относительно невосприимчив к изменениям температуры окружающей среды.
	Рис. 1. Spiricon Pyrocam ™ III
Поскольку непрерывные лазерные лучи должны быть прерваны для создания изменяющегося сигнала, Pyrocam III содержит встроенный прерыватель в качестве опции. Pyrocam III — незаменимый инструмент для обслуживания промышленных инфракрасных лазеров, особенно CO2. Профилировщик пучка заменяет прожиг в неэлектронных режимах и акриловые блоки, обеспечивая электронную регистрацию данных с более высокой четкостью и анализ краткосрочных колебаний.
Photon NanoScan NanoScan — это щелевой профилировщик, который может быть оснащен кремниевыми, германиевыми или пироэлектрическими детекторами. С пироэлектрическим детектором NanoScan может измерять лазеры практически с любой длиной волны.Система состоит из барабана с двумя ортогональными прорезями, который вращается с программно управляемой скоростью от 1,25 Гц до 20 Гц. Пироэлектрический датчик представляет собой одноэлементный детектор, который реагирует на свет, проходящий через щели, создавая профиль луча по осям x и y луча. Преимущества этого метода измерения включают возможность измерения очень малых лучей, включая лучи в фокусе диаметром до 20 мкм; измерение большого количества лучей напрямую без затухания; очень точное определение местоположения талии; наведение и положение луча. Пироэлектрические детекторы NanoScans доступны в стандартной и мощной версиях. Стандартная версия имеет прорези из никелевого сплава и алюминиевый барабан; он номинально рассчитан на мощность до ~ 100 Вт. Версии высокой мощности имеют медные прорези и барабан, покрытый медью, и могут выдерживать несколько кВт мощности 10 мкм (CO2-лазер). Возможности максимальной мощности для любой из этих конфигураций зависят от длины волны и плотности мощности. Детекторы в обеих конфигурациях идентичны.
Наносканы обычно используются в приложениях, где необходима обратная связь о лазерном луче, особенно при настройке лазерной системы, фокусировке или юстировке лазерной оптики или выполнении измерений лучей намного меньшего размера, которые совместимы с системами массивов Pyrocam. Поскольку они могут использоваться с длиной волны, они популярны среди пользователей, которые работают с несколькими лазерами или с гармониками лазеров Nd: YAG (1064 нм, 532 нм, 355 нм и 266 нм).
Ophir Energy Measurement Пироэлектрические датчики энергии основаны на принципе, согласно которому тепло поляризует пироэлектрический кристалл, вызывая генерацию электрического заряда, пропорционального теплу, поглощаемому кристаллом. Тогда простейшей формой пироэлектрического детектора энергии будет тонкий пироэлектрический кристалл, металлизированный с обеих сторон для сбора генерируемого заряда, с параллельным конденсатором для создания напряжения, пропорционального энергии, и параллельным резистором для отвода генерируемого заряда, чтобы быть готов к следующему импульсу.
	Рис. 3. Профилировщик луча Photon NanoScan
	Вышеупомянутая система хорошо работает для коротких импульсов и низкой частоты повторения, то есть с низкой скважностью, когда время между импульсами велико по сравнению с длительностью импульса, по крайней мере 10: 1, а предпочтительно намного больше. Однако, если рабочий цикл короче, возникают нелинейные эффекты, как показано на втором рисунке на рис.
Рисунок 4. Пироэлектрический датчик мощности
Видим, что бывает несколько проблем: Напряжение может начать спадать до того, как закончится лазерный импульс, что приведет к низкому показанию энергии. Напряжение не снизилось до прихода следующего импульса, поэтому считывание начинается с ненулевой точки. Кристалл горячий от предыдущих импульсов и остывает до тех пор, пока не будет считан следующий импульс, поэтому показание снова будет ниже, чем должно быть. Компания Ophir решила эти проблемы с помощью сложной электронной схемы, встроенной в головку датчика. Решение состоит в том, что вместо постоянного резистора для отвода заряда схема сохраняет высокий импеданс во время импульса, чтобы заряд не утекал, и низкий импеданс между импульсами, чтобы кристалл был готов к следующему импульсу сразу после его окончания. предыдущего пульса. Это достигается с помощью сложной схемы, схематично показанной на рисунке 4 в виде размыкающего и замыкающего переключателя.
Этот метод приводит к значительному повышению производительности. Вместо 5-10% рабочего цикла мы можем достичь почти 50% рабочего цикла. Вместо фиксированного компромисса между максимальной шириной импульса и максимальной частотой повторения мы можем организовать схему для измерения длинных импульсов с низкой частотой повторения и коротких импульсов с высокой частотой повторения с настройкой ширины импульса, выбираемой пользователем. В одном и том же датчике мы можем получить частоту повторения до 10 кГц и ширину импульса до 5 мс.Для детектора с высокой частотой повторения это более чем в 100 раз превышает максимальную ширину импульса, доступную при использовании традиционных неотключаемых методов.
Таблица 1. Доступные настройки для пироэлектрического датчика мощности
Вышеупомянутый метод также оптимизирует шумовые характеристики, поскольку для коротких импульсов время интегрирования может быть коротким, что сводит к минимуму шум. Это также приводит к большему динамическому диапазону от максимальной до минимальной измеряемой энергии. Поглощающие поверхности, используемые в пироэлектрических датчиках, должны быть устойчивы к импульсам наносекундной длительности высокой энергии без повреждений. Если лазерный импульс поглощается поверхностью материала в пределах, скажем, первых 0,1 мкм толщины, то за короткое время импульса очень тонкий слой материала нагревается до очень высокой температуры. При относительно низкой плотности энергии ~ 0,1 Дж / см² или меньше материал может обесцвечиваться или даже испаряться. Чтобы повысить устойчивость к повреждениям, мы можем сделать слой более толстым и частично прозрачным, чтобы лазерный луч поглощался на гораздо большей толщине (например. г., ~ 5 мкм). С другой стороны, если толщина слишком велика, то теплу требуется время, чтобы переместиться в кристалл, и частота повторения датчика будет низкой.
Рис. 6. Примеры различных типов пироэлектрических датчиков энергии

Экспериментальное описание и моделирование пироэлектрического датчика

Аннотация

В данной статье представлены работы, выполненные для моделирования и экспериментальной характеристики пироэлектрического инфракрасного детектора.Работа сосредоточена на датчике LiTaO3, который использовался в качестве детектора в длинноволновом канале двухканального ИК-спектрометра, предназначенного для исследования атмосферы Марса, планетарного фурье-спектрометра MarsExpress, PFS. Необходимость экспериментальной характеристики возникает из-за необходимости моделирования всего спектрометра для правильной интерпретации научных данных, собранных во время орбиты вокруг Марса. Рассматриваемый датчик охарактеризован вместе с его усилительной и кондиционирующей электроникой приближения.Из-за окончательного использования детектора, то есть спектрометрии FTIR, экспериментальная характеристика фокусируется на частотной характеристике и нелинейном поведении, которые соответственно влияют на спектральную чувствительность и наличие спектральных искажений. Имеющиеся в литературе математические модели, описывающие пироэлектрические явления, обычно не учитывают зависимость тепловых характеристик от температуры и по своей сути линейны, поэтому не подходят для наших нужд. Из-за отсутствия информации о характеристиках конструкции детектора, точная априорная модель не могла быть напрямую реализована.Апостериорная модель, полученная из процесса идентификации на основе тестирования детектора, была разработана и проверена, чтобы иметь инструмент моделирования для всего спектрометра. Датчик демонстрирует нелинейность, зависящую от всех факторов, влияющих на среднюю температуру чувствительного элемента: падающая инфракрасная мощность, температура корпуса. Эти нелинейности можно проследить до зависимости от температуры тепловых характеристик чувствительного элемента, пироэлектрического коэффициента и теплоемкости LiTaO3, а также от нелинейности лучистого теплообмена.

© (2005) АВТОРСКОЕ ПРАВО Общество инженеров по фотооптическому приборостроению (SPIE). Скачивание тезисов разрешено только для личного использования.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с вашим системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

.