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:

Расставание действительно может причинять физическую боль 16.09.2026

Разрыв отношений с близким человеком способно вызывать настолько сильные переживания, что привычное выражение "разбитое сердце" иногда воспринимается почти буквально. Человек может испытывать тревогу, тоску и эмоциональное напряжение, сопровождающиеся вполне реальными телесными ощущениями. Исследования работы мозга показывают, что такая связь между эмоциональными и физическими страданиями может иметь вполне определенную нейробиологическую основу. Эксперимент, позволивший изучить этот вопрос, провела команда психолога Итана Кросса из Мичиганского университета. В исследовании участвовали 40 человек, недавно переживших расставание по инициативе партнера. Все добровольцы продолжали остро реагировать на произошедшее, что позволило исследователям изучить мозговую активность в период наиболее сильных переживаний. Во время эксперимента участников помещали в аппарат магнитно-резонансной томографии. Испытуемым поочередно показывали фотографию бывшего партнера и подвергали предплечье воздей ...>>

Научно доказана невозможность создания нейтринного лазера 16.09.2026

Лазер давно перестал быть исключительно лабораторной технологией: сегодня он используется в связи, медицине, промышленности и научных исследованиях. Поэтому физики периодически предлагают необычные варианты устройств, способных работать по аналогичным принципам, но с другими типами частиц. В 2025 году появилась идея создать лазер, формирующий направленный поток нейтрино. Однако последующий теоретический анализ показал, что привлекательная на первый взгляд концепция сталкивается не просто с техническими трудностями, а с фундаментальными законами квантовой физики. Первоначальную концепцию предложили профессор Массачусетского технологического института (MIT) Джо Формаджио (Joe Formaggio) и Бен Джонс (Ben Jones) из Техасского университета в Арлингтоне. Согласно их замыслу, облако радиоактивных атомов следовало охладить до сверхнизких температур порядка нанокельвинов - миллиардных долей кельвина. В таких условиях атомы могли бы сформировать Бозе - Эйнштейновский конденсат, особое квантов ...>>

Индекс нижнего белья раскрыл состояние швейцарских почв 15.09.2026

Почва кажется обычной частью окружающего нас ландшафта, однако под ее поверхностью существует сложная экосистема, от состояния которой напрямую зависит жизнь человека. Миллиарды микроорганизмов, черви, грибы и другие обитатели почвы перерабатывают органические вещества и участвуют в круговороте питательных элементов. Чтобы привлечь внимание общества к этой мало заметной проблеме, исследователи из Цюрихского университета придумали весьма необычный эксперимент: они закопали более 2000 пар хлопкового нижнего белья в садах, на лугах, полях и газонах по всей Швейцарии. Проект получил название "Доказательство в виде нижнего белья" и представлял собой не массовую шутку, а научный эксперимент, позволяющий наглядно оценить биологическую активность почвы. Исследователи помещали хлопковые изделия в землю, а примерно через два месяца извлекали их и сравнивали степень разрушения ткани. Некоторые образцы за это время практически исчезали, оставляя лишь отдельные фрагменты швов, тогда как на други ...>>

Случайная новость из Архива Ультрафиолетовый телескоп UVEX 19.02.2024 NASA подтвердило разработку следующего поколения ультрафиолетового телескопа, который планируется отправить в космос к концу 2030-х годов. Это миссия Ultraviolet Explorer (UVEX) для исследования ближнего и дальнего ультрафиолетового спектра. Предыдущий аналогичный инструмент - Galaxy Explorer (GALEX) - функционировал с 2003 по 2013 год. Новый телескоп будет в 50-100 раз более чувствителен, чем приборы GALEX. Перед UVEX стоят две основные задачи. Во-первых, составить карту неба в ультрафиолетовом диапазоне. Во-вторых, обеспечить возможность быстро менять ориентацию для изучения переходных процессов: взрывов сверхновых, слияния звезд, джетов черных дыр и нейтронных звезд, а также других энергетических явлений. Это дополнит гравитационно-волновые наблюдения, помогая идентифицировать источники гравитационных волн. Наблюдение за небом в ультрафиолете позволит изучить самые тепловые объекты. Это молодые и старые звезды на стадиях интенсивной активности в своих ядрах. Кроме того, данные в ультрафиолетовом спектре откроют новые горизонты для исследования галактик с низким содержанием металлов и других астрономических объектов. Планируемые расходы на подготовку миссии UVEX, не включая стоимость запуска, оцениваются в $300 млн. Телескоп запланирован для двухлетнего научного путешествия. Основные технические детали миссии проработаны, и имеется техно-экономическое обоснование проекта. Ожидается, что производство аппарата и научных инструментов начнется через год-два. Миссия UVEX обещает перевернуть наше представление о космосе, раскрывая новые тайны и явления в ультрафиолетовом спектре. Ее разработка и запуск откроют двери для новых открытий в области астрофизики и космологии.

Другие интересные новости:

▪ Световой радар на микрочипе

▪ Светодиодный светофор

▪ Переработка пластика в топливо

▪ Рекорд дальности поездки водородного поезда

▪ Регуляторы VIPER26K со встроенным MOSFET 1050 В

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Важнейшие научные открытия. Подборка статей

▪ статья Чанакья Пандит. Знаменитые афоризмы

▪ статья Вращаются ли другие планеты? Подробный ответ

▪ статья Люцерна посевная. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Активная АС с мостовым УМЗЧ на микросхеме TDA7266L. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Противоугонное устройство. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026