Пироэлектрические датчики ИК излучения. Справочные данные

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Справочные материалы

 Комментарии к статье

Сегодня уже мало кого удивляет автоматически распахивающаяся перед посетителем дверь учреждения или магазина. В большинстве подобных случаев приближение человека "чувствует" висящий над дверью прибор, снабженный пироэлектрическим датчиком (приемником) ИК излучения. Подобные датчики отличаются высокой чувствительностью, долговечны, просты в эксплуатации. Они находят широкое применение, в том числе в системах охранной и пожарной сигнализации, дистанционных измерителях температуры.

Пироэлектрический эффект (пирос по-гречески - огонь) - генерация электрических зарядов в кристаллах под воздействием тепла - известен очень давно, его исследованием еще в XIX веке занимался известный немецкий физик Вильгельм Рентген. Эффект сродни пьезоэлектрическому, более того, пироэлектрики, как правило, обладают и пьезоэлектрическими свойствами. В кристаллах природного происхождения (кварц, турмалин) пироэлектрический эффект выражен довольно слабо, но теоретически показана возможность существования веществ со сколь угодно большим пироэлектрическим коэффициентом - отношением приращения электрического заряда к вызвавшему его приращению температуры. Сравнительно недавно такие вещества, относящиеся к классу сегнетоэлектриков, удалось синтезировать и создать на их основе чувствительные датчики.

Типовая схема датчика показана на рис. 1. Чувствительным элементом В1 служит своеобразный конденсатор - пластина из пироэлектрика металлическими обкладками. На одну из обкладок нанесен слой вещества, способного поглощать электромагнитное (тепловое) излучение. В результате поглощения энергии температура пластины конденсатора увеличивается и между обкладками появляется напряжение строго определенной полярности. Будучи приложенным к участку затвор-исток встроенного полевого транзистора VT1, оно вызывает изменение сопротивления его канала. Выходной сигнал снимают с внешнего нагрузочного резистора, включенного в цепь стока транзистора.

Через некоторое время, независимо от того, продолжает действовать на датчик тепловое излучение или нет, конденсатор разрядится через сопротивление утечки R1 - выходной сигнал спадает до нуля. Зачастую датчики снабжают несколькими чувствительными элементами, соединенными последовательно с чередующейся полярностью. Этим обеспечивают нечувствительность прибора к равномерному фоновому облучению и получение знакопеременного выходного напряжения при перемещении сфокусированного изображения объекта по чувствительной поверхности датчика.

Измеряют чувствительность пироэлектрического датчика обычно с помощью установки, схематически изображенной на рис. 2. Имитатор абсолютно черного тела использован в качестве источника теплового излучения. Поток периодически, с частотой 1 Гц, перекрывает заслонка-прерыватель, приводимый в действие электродвигателем. ИК импульсы поступают на чувствительный элемент датчика и вызывают появление импульсов напряжения на внешнем нагрузочном резисторе R1. Легко видеть, что полевой транзистор датчика здесь включен истоковым повторителем.

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

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

Характеристику спектральной чувствительности датчика определяет поглощающая способность материала покрытия пластины пироэлектрика в том или ином частотном интервале электромагнитного излучения. Окончательно ее формируют с помощью оптических фильтров, устанавливаемых перед чувствительным элементом. Типовые характеристики спектральной чувствительности различных вариантов пироэлектрических датчиков показаны на рис. 3.

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

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

Датчики оформлены в цилиндрическом металлическом корпусе с тремя (или четырьмя) жесткими проволочными лужеными выводами (рис. 4). На плоском торце корпуса, противолежащем выводам, имеется квадратное, прямоугольное или круглое окно, закрытое прозрачным для ИК лучей фильтром. На этом же рисунке указана цоколевка приборов.

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

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

Типовая схема применения пироэлектрического датчика в устройстве охранной сигнализации показана на рис. 5. Конденсаторы С1 и С2 служат для подавления высокочастотных наводок на выводы датчика В1 и должны быть установлены в непосредственной близости от него. Эти конденсаторы не нужны, если в примененном датчике уже есть встроенные.

(нажмите для увеличения)

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

Как только амплитуда сигнала на выходе ОУ DA1.2 превысит 0,8 В, срабатывает компаратор DA2.1, если выброс напряжения положителен, или DA2.2, если он отрицателен, относительно некоторого значения, близкого к половине напряжения питания (оно определено номиналами резисторов R10 и R12). Выходы компараторов (с открытым коллектором) соединены параллельно, поэтому при срабатывании любого из них изменяется логический уровень на входе микроконтроллера. В результате обработки полученной последовательности импульсов (измерения их длительности, подсчета числа за определенный промежуток времени) микроконтроллер вырабатывает управляющий сигнал, приводящий в действие исполнительный механизм или узел подачи тревоги.

Для увеличения пространственной зоны чувствительности датчика перед его оптическим окном обычно устанавливают линзу, фокусирующую ИК лучи на пластине пироэлектрика. Чтобы получить веероподобную форму чувствительного сектора обзора, подобную показанной упрощенно на рис. 6,а, применяют зонированную линзу Френеля. Она состоит из множества отдельных фокусирующих участков, каждый из которых формирует свой чувствительный луч, приходящий с определенного направления. В результате при перемещении движущегося объекта из одного луча в другой датчик генерирует переменное напряжение.

Подобная веерность лучей образуется и в вертикальной плоскости (рис. 6,б). Применяя линзы Френеля специальной структуры, можно варьировать форму лепестков с тем, чтобы получить наилучшие условия для обнаружения объекта в заданном секторе обзора.

Кроме датчиков серии IRA, фирма Murata выпускает пироэлектрические модули IMD-B101-01 и IMD-B102-01. Наряду с собственно датчиком, такой модуль содержит усилитель и формирователь импульсов, пригодных для подачи на входы стандартных логических элементов (узел A3). Структурная схема модуля показана на рис. 7, а чертеж корпуса - на рис. 8.

Цоколевка модулей отличается мало. У обоих вывод 1 - общий, минусовый вывод питания; вывод 3 - плюсовой вывод питания; вывод 4 - цифровой выход. Но у модуля IMD-B101-01 вывод 2 - аналоговый выход усилителя сигнала датчика, а у IMD-B102-01 - вход сигнала стробирования коммутатора.

Основные характеристики модулей:

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

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

Автор: А. Сергеев, г. Москва по материалам сайта murata.com.

Смотрите другие статьи раздела Справочные материалы.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Оптимальная продолжительность сна 12.11.2025

Сон играет ключевую роль в поддержании здоровья, когнитивных функций и общего самочувствия. Несмотря на широко распространенный стереотип о восьмичасовом сне, последние исследования показывают, что оптимальная продолжительность сна для большинства здоровых взрослых ближе к семи часам. Эволюционный биолог из Гарварда, Дэниел Э. Либерман, утверждает, что традиционная норма восьми часов сна - это скорее культурное наследие индустриальной эпохи, чем биологическая необходимость. По его словам, полевые исследования, проведенные в сообществах, не использующих электричество, показывают, что средняя продолжительность сна составляет 6-7 часов, что значительно отличается от общепринятого стандарта. Современные эпидемиологические данные подтверждают этот взгляд. Исследования выявили так называемую "U-образную кривую" зависимости между продолжительностью сна и рисками для здоровья. Минимальные показатели заболеваемости и смертности наблюдаются именно у людей, спящих около семи часов в сутки. ...>>

Дефицит кислорода усиливает выброс закиси азота 12.11.2025

Парниковые газы играют ключевую роль в изменении климата, а закись азота (N2O) - один из наиболее опасных среди них. Этот газ не только втрое сильнее углекислого газа в удержании тепла, но и разрушает озоновый слой. Недавнее исследование американских ученых показало, что микробы в зонах с низким содержанием кислорода активно производят N2O, усиливая глобальные климатические риски. Команда из Университета Пенсильвании изучала прибрежные воды у Сан-Диего и провела наблюдения на глубинах от 40 до 120 метров в Восточной тропической северной части Тихого океана - одной из крупнейших зон дефицита кислорода. Исследователи сосредоточились на том, как морские микроорганизмы превращают нитраты в закись азота. В ходе работы выяснилось, что существует два пути образования N2O. Один путь начинается с нитрата, другой - с нитрита. На первый взгляд более короткий путь должен быть эффективнее, однако микробы, использующие нитрат, продуцируют больше газа, поскольку этот "сырьевой" источник более д ...>>

Омега-3 помогают молодым кораллам выживать 11.11.2025

Сохранение коралловых рифов становится все более актуальной задачей в условиях глобального изменения климата. Молодые кораллы особенно уязвимы на ранних стадиях развития, когда стрессовые условия и нехватка питательных веществ могут привести к высокой смертности. Недавнее исследование ученых из Технологического университета Сиднея показывает, что специальные пищевые добавки способны существенно повысить выживаемость личинок кораллов. В ходе работы исследователи разработали особый состав "детского питания" для коралловых личинок. В него вошли масла, богатые омега-3 жирными кислотами, а также важные стерины, необходимые для формирования клеточных мембран. Личинки, получавшие эти добавки, развивались быстрее, становились крепче и демонстрировали более высокую устойчивость к стрессовым факторам. Особое внимание ученые уделили липидам. Анализ показал, что личинки активно усваивают эти вещества, что напрямую влияет на их жизнеспособность. Стерины, содержащиеся в корме, повышают устойчи ...>>

Случайная новость из Архива Компьютер на воде 01.06.2023 Ученые из Австралии представили прототип "резервуарного" компьютера, который производит вычисление в емкости с водой и предполагает будущее. Поведение волн на воде подчинено строгим физическим законам и ведет к прогнозируемому результату. По словам ученых, их изобретение - это аналоговый компьютер, который способен выполнять ряд задач быстрее и точнее любой цифровой платформы. Исследователи поддержали прототип эффективной математической моделью (в ее основу положены элементы работы нейронных сетей), о чем ученые рассказали в своей научной статье. Конструктивно прототип "резервуарного" компьютера представляет собой длинную емкость с проточной водой. Роль входного контура играет насос, создающий волны на поверхности проточной воды. Отметим, ученых заинтересовала не обычная волна, быстро теряющая силу, а структурно-устойчивая обособленная волна, распространяющаяся в нелинейной среде - так называемый солитон. Представленный прототип показал, что аналоговая волновая платформа способна запоминать как упорядоченные, так и случайные входные данные. Также волновая платформа продемонстрировала обработку входных данных в соответствии с поставленной задачей. В ряде случаев выданный резервуаром результат точно превосходил аналогичные вычисления, произведенные на классических цифровых компьютерах. Для повышения точности считывания амплитуды и рисунка волн ученые добавили в воду флуоресцентный состав. В перспективе они намерены разработать "водяной" микропроцессор, который мог бы работать на принципе столкновения волн в резервуаре, но на микроуровне и в защищенном виде, подобно классическому микрочипу. Ожидается, что аналоговые "резервуарные" компьютеры ускорят расчеты в климатологии, социологии, биржевом секторе и там, где прогнозирование зависит от многих факторов, носящих вероятностный характер.

Другие интересные новости:

▪ Видеокарта Radeon RX 640

▪ Apple создает 3D-интерфейс для iPhone и iPad

▪ Высококлассная пассивная АС от YAMAHA

▪ Память в 1000 раз быстрее и долговечнее флэш

▪ Критерии отбора туристов для полета в космос

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Металлоискатели. Подборка статей

▪ статья Детская болезнь левизны. Крылатое выражение

▪ статья Что пьют дельфины? Подробный ответ

▪ статья Холодная обработка металлов на металлорежущих станках (токарном, фрезерном, сверлильном). Типовая инструкция по охране труда

▪ статья Генератор Мяу. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Карта, выбранная зрителем, достается из кармана. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025