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:

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 ...>>

Наушники Bowers & Wilkins Px8 S2 11.11.2025

Наушники премиум-класса становятся не только аксессуаром для прослушивания музыки, но и инструментом для профессиональной работы с аудио. Новый флагман британского бренда Bowers & Wilkins - модель Px8 S2 - демонстрирует, как эти аспекты можно объединить в одной беспроводной системе. Компания представила Px8 S2 как обновленную флагманскую модель в линейке, ориентированную на пользователей, которые ценят высокое качество звука, эффективное шумоподавление и премиальный дизайн. Производитель отмечает, что наушники сочетают передовые акустические решения с эргономикой для длительного использования. Каждое устройство оснащено 40-миллиметровыми динамиками с карбоновыми диффузорами и 24-битным цифровым процессором. По словам Bowers & Wilkins, это обеспечивает точное и детализированное воспроизведение звукового спектра, а также поддержку аудио высокого разрешения. Автоматическая оптимизация соединения с источником сигнала гарантирует стабильное и качественное звучание вне зависимо ...>>

Шимпанзе могут менять свои убеждения 10.11.2025

Понимание того, как формируются убеждения и принимаются решения, традиционно считалось уникальной способностью человека. Однако недавнее исследование показало, что шимпанзе обладают способностью пересматривать свои мнения на основе новых данных, демонстрируя уровень рациональности, который ранее считался исключительно человеческим. Психологи под руководством Ханны Шлейхауф из Утрехтского университета провели серию экспериментов, направленных на изучение метапознания у шимпанзе. Исследователи впервые наблюдали, как эти обезьяны могут взвешивать различные виды доказательств и корректировать свои решения при появлении более убедительной информации. Экспериментаторы рассматривали рациональность как способность формировать убеждение о мире на основе фактических данных. При поступлении новой информации разумное существо способно сравнивать старые и новые данные и изменять свое мнение, если новые доказательства оказываются более весомыми. Для экспериментов использовались шимпанзе из ...>>

Случайная новость из Архива Ультраширокие мониторы LG 34U511A и 29U511A 04.07.2025 Компания LG презентовала в Японии две новые модели из своей линейки UltraWide, расширяя возможности как профессионалов, так и энтузиастов. Обе новинки - LG 34U511A и LG 29U511A - получили IPS-экраны с разрешением 2560х1080 пикселей, что при нестандартном соотношении сторон 21,33:9 (или 16:6,75) дает на треть больше полезного пространства, чем у привычных Full HD дисплеев той же диагонали. Такой формат позволяет удобно размещать несколько окон одновременно и работать с более широкими временными шкалами в редакторах видео и аудио. Модель с 34-дюймовой диагональю, 34U511A, обеспечивает максимальную яркость в 400 нит и сертифицирована по стандарту VESA DisplayHDR 400. Это делает ее подходящей для работы с HDR-контентом, а также для просмотра фильмов с высокой динамической контрастностью. Меньшая по размеру 29U511A выдает яркость в 250 нит, но при этом сохраняет ту же цветовую точность и набор технологий. Обе модели поддерживают 8-битную глубину цвета и охватывают 99% цветового пространства sRGB. Технология HDR10 обеспечивает расширенный динамический диапазон, а вставка черных кадров повышает четкость изображения при отображении быстро меняющегося контента. Эти особенности особенно полезны при просмотре видео, в играх и в задачах, требующих высокой визуальной четкости. Время отклика в 5 мс делает эти мониторы пригодными не только для работы с графикой, но и для игр. Несмотря на ориентацию на широкоформатный рабочий процесс, характеристики дисплеев соответствуют требованиям геймеров, которым важна минимальная задержка изображения. Стоимость устройств в Японии остается на уровне, доступном широкому кругу пользователей: младшая модель 29U511A предлагается за 33 000 иен, что составляет примерно 228 долларов, а старшая 34U511A - за 44 000 иен, или около 304 долларов. Это делает новинки привлекательным выбором в своем классе.

Другие интересные новости:

▪ 84-дюймовый телевизор Sony с разрешением 4K

▪ Минисканер определит состав любого объекта

▪ Птицы могут видеть магнитные поля

▪ Экситонный транзистор

▪ Тонометр работает от прикосновения

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Синтезаторы частоты. Подборка статей

▪ статья Химическое загрязнение атмосферы. Основы безопасной жизнедеятельности

▪ Как Великобритания стала одной из ведущих стран мира при Маргарет Тэтчер? Подробный ответ

▪ статья Начальник отдела компьютерного тестирования учебно-инновационной службы. Должностная инструкция

▪ статья Масса для типографских вальцов. Простые рецепты и советы

▪ статья Блокиратор межгорода. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025