Пассивный инфракрасный датчик

Пассивный инфракрасный датчик ( PIR-датчик ) — это электронный датчик , который измеряет инфракрасный (ИК) свет, излучаемый объектами в его поле зрения. Чаще всего они используются в датчиках движения на основе PIR . PIR-датчики обычно используются в охранной сигнализации и автоматическом освещении.

PIR-сенсоры фиксируют общее движение, но не дают информации о том, кто или что двигалось. Для этой цели ИК-датчик изображения требуется .

Датчики PIR обычно называют просто «PIR», а иногда и «PID», что означает «пассивный инфракрасный детектор». Термин «пассивный» относится к тому факту, что PIR-устройства не излучают энергию для целей обнаружения. Они работают исключительно за счет обнаружения инфракрасного излучения (теплового излучения), излучаемого объектами или отраженного от них.

Принципы работы

Все объекты с температурой выше абсолютного нуля излучают тепловую энергию в виде электромагнитного излучения. Обычно это излучение невидимо для человеческого глаза , поскольку оно излучается в инфракрасном диапазоне, но его можно обнаружить с помощью электронных устройств, предназначенных для этой цели.

Датчик движения на базе PIR

на основе PIR Детектор движения используется для обнаружения движения людей, животных или других объектов. Они обычно используются в охранной сигнализации и автоматически активируемых освещения системах .

Операция

PIR-датчик может обнаруживать изменения в количестве падающего на него инфракрасного излучения, которое варьируется в зависимости от температуры и характеристик поверхности объектов перед датчиком. ^[2] Когда объект, например человек, проходит перед фоном, например стеной, температура в этой точке поля зрения датчика повысится от комнатной температуры до температуры тела , а затем обратно. Датчик преобразует результирующее изменение входящего инфракрасного излучения в изменение выходного напряжения, и это запускает обнаружение. Объекты с одинаковой температурой, но с разными характеристиками поверхности также могут иметь разную картину инфракрасного излучения, и, таким образом, перемещение их относительно фона также может вызвать срабатывание детектора. ^[3]

PIR имеют множество конфигураций для самых разных применений. Наиболее распространенные модели имеют множество линз Френеля или зеркальных сегментов, эффективную дальность действия около 10 метров (30 футов) и поле зрения менее 180 °. Доступны модели с более широким полем обзора, включая 360°, обычно предназначенные для установки на потолке. Некоторые более крупные PIR состоят из односегментных зеркал и могут улавливать изменения инфракрасной энергии на расстоянии более 30 метров (100 футов) от PIR. Существуют также PIR-датчики, оснащенные зеркалами с реверсивной ориентацией, которые обеспечивают либо широкий охват (шириной 110 °), либо очень узкий охват «занавеской», либо с индивидуально выбираемыми сегментами для «формирования» охвата.

Дифференциальное обнаружение

Пары сенсорных элементов могут быть подключены как противоположные входы дифференциального усилителя . В такой конфигурации измерения PIR компенсируют друг друга, так что средняя температура поля зрения исключается из электрического сигнала; увеличение ИК-энергии по всему датчику самоотменяется и не приводит к срабатыванию устройства. Это позволяет устройству противостоять ложным индикациям изменений в случае воздействия коротких вспышек света или освещения по всему полю. (Продолжительное воздействие высокой энергии все же может привести к насыщению материалов датчика и сделать датчик неспособным регистрировать дополнительную информацию.) В то же время эта дифференциальная схема сводит к минимуму синфазные помехи , позволяя устройству противостоять срабатыванию из-за близлежащих электрических полей. . Однако дифференциальная пара датчиков не может измерять температуру в этой конфигурации и поэтому полезна только для обнаружения движения.

Практическая реализация

Когда PIR-датчик настроен в дифференциальном режиме, он становится применимым в качестве устройства детектора движения. В этом режиме при обнаружении движения в пределах «прямой видимости» датчика подается пара дополнительных импульсов. ^[4] обрабатываются на выходе датчика. Чтобы реализовать этот выходной сигнал для практического запуска нагрузки, такой как реле, регистратор данных или сигнализация , дифференциальный сигнал выпрямляется с помощью мостового выпрямителя и подается в схему драйвера транзисторного реле. Контакты этого реле замыкаются и размыкаются в ответ на сигналы PIR, активируя подключенную к его контактам нагрузку, подтверждая обнаружение человека в заданной запретной зоне.

Дизайн продукта

Датчик PIR обычно монтируется на печатной плате, содержащей необходимую электронику, необходимую для интерпретации сигналов самого датчика. Вся сборка обычно содержится в корпусе, установленном в месте, где датчик может покрывать контролируемую область.

В корпусе обычно имеется пластиковое «окно», через которое может проникать инфракрасная энергия. Несмотря на то, что инфракрасная энергия часто прозрачна только для видимого света, она может достигать датчика через окно, поскольку используемый пластик прозрачен для инфракрасного излучения. Пластиковое окно снижает вероятность того, что посторонние предметы (пыль, насекомые, дождь и т. д.) закроют поле зрения датчика, повредят механизм и/или вызовут ложные срабатывания сигнализации . Окно можно использовать в качестве фильтра для ограничения длины волны до 8–14 микрометров, что наиболее близко к инфракрасному излучению, излучаемому людьми. Он также может служить механизмом фокусировки; см. ниже.

Фокусировка

Для фокусировки энергии удаленного инфракрасного излучения на поверхности датчика можно использовать различные механизмы.

Линзы

Пластиковое оконное покрытие может иметь несколько граней, которые фокусируют инфракрасную энергию на датчике. Каждая отдельная грань представляет собой линзу Френеля .

Мультифренелевская линза типа PIR
Корпус PIR-датчика движения с цилиндрическим граненым окном. Анимация выделяет отдельные грани, каждая из которых представляет собой линзу Френеля, фокусирующую свет на сенсорном элементе под ней.
Только передняя крышка PIR (электроника снята), сзади находится точечный источник света для отображения отдельных линз.
PIR со снятой передней крышкой, показывающий расположение пироэлектрического датчика (зеленая стрелка).

Зеркала

Некоторые PIR производятся с внутренними сегментированными параболическими зеркалами для фокусировки инфракрасной энергии. При использовании зеркал пластиковая оконная крышка обычно не имеет линз Френеля.

Сегментированное зеркало типа PIR
Типичный бытовой/коммерческий ФИД, в котором для фокусировки используется внутреннее сегментированное зеркало.
Крышка снята. Сегментированное зеркало внизу и плата ПК (печатная схема) над ним.
Печатная плата удалена, чтобы увидеть сегментированное зеркало.
Сегментированное параболическое зеркало снято с корпуса.
Задняя часть печатной платы обращена к зеркалу, когда она установлена. Пироэлектрический датчик обозначен зеленой стрелкой.

Диаграмма луча

В результате фокусировки вид детектора фактически представляет собой диаграмму направленности. Под определенными углами (зонами) PIR-датчик практически не получает энергии излучения, а под другими углами PIR получает концентрированное количество инфракрасной энергии. Такое разделение помогает детектору движения различать освещение по всему полю и движущиеся объекты.

Когда человек переходит из одного угла (луча) в другой, детектор будет лишь периодически видеть движущегося человека. Это приводит к быстрому изменению сигнала датчика, который используется электроникой для включения сигнализации или включения освещения. Медленно меняющийся сигнал будет проигнорирован электроникой.

Количество, форма, распределение и чувствительность этих зон определяются линзой и/или зеркалом. Производители делают все возможное, чтобы создать оптимальную диаграмму направленности луча для каждого применения.

Детектор движения с наложенной диаграммой направленности. Длина лучей является мерой чувствительности детекторов в этом направлении.

Применение автоматического освещения

При использовании в системе освещения электроника PIR обычно управляет встроенным реле, способным переключать сетевое напряжение. Это означает, что PIR можно настроить на включение света, подключенного к PIR, при обнаружении движения. Чаще всего это используется на открытом воздухе либо для отпугивания преступников (охранное освещение), либо для практических целей, например, включение света на входной двери, чтобы вы могли найти свои ключи в темноте.

Дополнительное использование может быть в общественных туалетах, кладовых, коридорах или в любом другом месте, где полезно автоматическое управление освещением. Это может обеспечить экономию энергии, поскольку освещение включается только тогда, когда оно необходимо, и нет необходимости полагаться на то, что пользователи запомнят выключить свет, когда покидают это место.

Приложения безопасности

При использовании в составе системы безопасности электроника PIR обычно управляет небольшим реле . Это реле замыкает цепь пары электрических контактов , подключенных к входной зоне обнаружения контрольной панели охранной сигнализации . Система обычно проектируется таким образом, что если движение не обнаружено, контакт реле замыкается — «нормально замкнутое» (НЗ) реле. При обнаружении движения реле размыкает цепь, вызывая сигнал тревоги; или, если провод отсоединен, сработает и сигнализация.

Размещение

Производители рекомендуют тщательно размещать свою продукцию во избежание ложных срабатываний (т. е. любого обнаружения, не вызванного злоумышленником).

Они предлагают монтировать PIR таким образом, чтобы PIR не мог «видеть» из окна. Хотя длина волны инфракрасного излучения, к которому чувствительны чипы, не очень хорошо проникает через стекло, сильный источник инфракрасного излучения (например, фары автомобиля или солнечный свет) может перегрузить датчик и вызвать ложную тревогу. ФИД не «увидит» человека, движущегося по другую сторону стекла. Это может быть хорошо для окна, выходящего на общественный тротуар, или плохо для окна во внутренней перегородке.

Также рекомендуется не размещать PIR в таком положении, чтобы вентиляционное отверстие HVAC могло подавать горячий или холодный воздух на поверхность пластика, закрывающего окно корпуса. Хотя воздух имеет очень низкую излучательную способность (излучает очень небольшое количество инфракрасной энергии), воздух, дующий на пластиковую оконную крышку, может изменить температуру пластика настолько, что сработает ложная тревога.

Датчики также часто предназначены для «игнорирования» домашних животных, таких как собаки или кошки, путем установки более высокого порога чувствительности или обеспечения того, чтобы пол комнаты оставался вне фокуса.

Поскольку радиус действия датчиков PIR составляет до 10 метров (30 футов), один детектор, расположенный возле входа, обычно является всем, что необходимо для помещений только с одним входом. Системы безопасности на основе PIR также применимы для наружной охраны и освещения, чувствительного к движению; Одним из преимуществ является их низкое энергопотребление, что позволяет им работать на солнечной энергии. ^[5]

ПИР-термометр с дистанционным управлением

Реализованы конструкции, в которых PIR-схема измеряет температуру удаленного объекта. ^[6] В такой схеме используется недифференциальный выход PIR. Выходной сигнал оценивается в соответствии с калибровкой ИК-спектра конкретного типа наблюдаемого вещества. Таким образом, относительно точные и точные измерения температуры могут быть получены дистанционно. Без калибровки по типу наблюдаемого материала ИК-термометр способен измерять изменения ИК-излучения, которые напрямую соответствуют изменениям температуры, но фактические значения температуры невозможно рассчитать.

См. также

Примечания

^ Спецификация продукта для PR150-1L/PR180-1L . Левитон . Проверено 6 сентября 2014 г. ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
^ «Как работают компоненты инфракрасного детектора движения» . Страница некоммерческого исследования . Корпорация Глолаб.
^ «Технология PIR-сенсоров» . ecosirius.com . Проверено 1 февраля 2014 г.
^ «Генерация выходного импульса PIR-датчика» .
^ Д., Галли. «Пассивные инфракрасные датчики: краткий обзор» . InHomeSafetyGuide.org . В руководстве по безопасности дома . Проверено 6 мая 2016 г.
^ К. Ф. Цай и М. С. Янг (декабрь 2003 г.). «Пироэлектрический инфракрасный термометр для мониторинга объектов внутри помещений». Обзор научных инструментов . 74 (12): 5267–5273. дои : 10.1063/1.1626005 .

Внешние ссылки

Как работают компоненты инфракрасного детектора движения
Рекомендации по проектированию и инструкция по сборке из комплекта детектора движения
Патент США № 3703718 « Инфракрасная система обнаружения вторжений» , выданный 21 ноября 1972 года Герберту Л. Берману, содержит очень четкое объяснение.

[1] Спецификация продукта для PR150-1L/PR180-1L . Левитон . Проверено 6 сентября 2014 г. ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}

[Glolab_Corporation-2] «Как работают компоненты инфракрасного детектора движения» . Страница некоммерческого исследования . Корпорация Глолаб.

[3] «Технология PIR-сенсоров» . ecosirius.com . Проверено 1 февраля 2014 г.

[4] «Генерация выходного импульса PIR-датчика» .

[5] Д., Галли. «Пассивные инфракрасные датчики: краткий обзор» . InHomeSafetyGuide.org . В руководстве по безопасности дома . Проверено 6 мая 2016 г.

[PIR_Thermometer_Tsai_2003-6] К. Ф. Цай и М. С. Янг (декабрь 2003 г.). «Пироэлектрический инфракрасный термометр для мониторинга объектов внутри помещений». Обзор научных инструментов . 74 (12): 5267–5273. дои : 10.1063/1.1626005 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]