Применение пироэлектрический датчик

Применение пироэлектрический датчик

Пироэлектрические детекторы и термопарные датчики Heimann Sensor GmbH

Компания Heimann Sensor GmbH – является мировым лидером в производстве инфракрасных датчиков температуры, термопарных матриц, пироэлектрических детекторов и сенсорных модулей с интегрированной схемой обработки сигнала для бесконтактного измерения температуры и определения состава газа.

Каждый физический предмет излучает в пространство волны, характер и интенсивность которых зависит от температуры объекта. Для предметов без цвета (абсолютно черные тела), т.е. не излучающих и не поглощающих энергии в каком-то определенном диапазоне длин волн, интенсивность излучения зависит только от температуры этого тела. На первом рисунке показана спектральная характеристика абсолютно черного тела.

Кривые на спектральной характеристике никогда не пересекаются друг с другом. Это говорит о том, что интенсивность излучения в отдельно взятом диапазоне является функцией от температуры. Измеряя интенсивность излучения, можно совершенно однозначно судить о температуре объекта. Такое измерение может быть проведено с помощью человеческого глаза, который чувствителен к диапазону длин волн от 0,38 до 0,75 мкм. Этот диапазон волн, называемый видимым излучением, помечен на спектральной характеристике. Если температура объекта превышает 400 0С (700 К), он начинает излучать в видимом диапазоне. При такой температуре объект будет казаться нам темно-красным. Это хорошо видно, например, при разогреве электрической плитки. Далее, с ростом температуры, например, до 1000 0С (1300 К) свечение объекта становится не просто более интенсивным – изменяется и его цвет. Он становится ярко-красным, так как в спектр излучения добавились участки, отвечающие за воспроизведение зеленого и желтого цвета. Излучение от объекта с температурой 6000 К будет восприниматься человеческим глазом как белый цвет.

Если температура объекта меньше 400 0С требуется детектор, чувствительный к более длинноволновому участку спектра (с длиной волны от 3 до 20 мкм – так называемое тепловое излучение). Наиболее распространенными детекторами, выпущенные за последние десятилетия, являются детекторы, которые основаны на полупроводниках, обладающих свойством изменять свою проводимость под действием инфракрасного излучения. Это изменение может быть зафиксировано, измерено и использовано, например, в приборах, предназначенных для дистанционного измерения температуры.

Системы, построенные на основе таких датчиков, обладают высокой точностью и разрешающей способностью. Однако их цена достаточно высока, что сдерживает их распространение на потребительском рынке бытовых приборов различного назначения. Ситуацию можно было исправить только с приходом другого класса инфракрасных датчиков. Такие датчики, чувствительные к длинноволновому инфракрасному диапазону, обладающие высокой разрешающей способностью и при этом недорогие, получили название пироэлектрических приемников.

В данном виде датчиков тепловое излучение абсорбируется пироэлектрическим материалом, который в свою очередь преобразует его в электрический потенциал.
Сфера применения пироэлектрических датчиков очень широка. Это детекторы движения, датчики пожарных и охранных сигнализаций, системы дистанционного измерения и контроля температуры, газоанализаторы и многие другие системы. Особенностью всех пироэлектрических приемников является то, что на выходе они имеют сигнал, прямо пропорциональный степени изменения мощности излучения на их входе. Поэтому их применение оправдано в том случае, если требуется фиксировать изменение уровня инфракрасного излучения. В случае, если датчик применяется для измерения статических уровней мощности (газоанализаторы, измерение температуры), требуется применение устройств, которые обеспечивают прерывание поступающего на вход приемника излучения с требуемой периодичностью (например, механические шторки).

Классический пироэлектрический приемник компании Heimann Sensor GmbH состоит из следующих частей:

• металлического корпуса;
• инфракрасного фильтра, отсекающего видимое излучение;
• керамической пластины, обладающей пироэлектрическим эффектом с двумя или более чувствительными зонами;
• полевого транзистора, и резистора;
• печатной платы, на которой располагаются компоненты приемника;
• металлической подложки с гибкими выводами.

Приборы, предназначенные для детектирования длинноволнового инфракрасного излучения, появились более 150 лет назад. Такой прибор получил название «термопара». Термопара устроена достаточно просто: два различных материала спаиваются друг с другом одним концом. При наличии разницы в температуре спаянных и свободных концов термопары, возникает электродвижущая сила, которая так и называется — термоЭДС. Значение термоЭДС является функцией от разницы температур термопары и от ее материалов.

Если в точке соединения материалов термопары установить пластину-поглотитель, которая будет нагреваться от инфракрасного (теплового) излучения, то напряжение на выходе термопары будет пропорционально мощности инфракрасного излучения, попадающего на пластину-поглотитель. Для того, что бы повысить чувствительность такого датчика, несколько термопар соединяют последовательно. На соседнем рисунке показана первая термопара, сконструированная в 1835 году. Очевидно, что она обладает рядом недостатков, например, из-за большой массы она обладала очень большой инерционностью, что делало невозможным использование термопар для отслеживания быстро меняющихся температурных процессов.

Современная полупроводниковая промышленность позволяет разместить сотни термопар на площади в несколько квадратных миллиметров. Датчик такого типа обладает высокой чувствительностью, малой инерционностью и невысокой стоимостью при массовом производстве. Компания Heimann Sensor GmbH разработала уникальную технологию массового производства как одиночных термопарных датчиков, так и их матриц. Использование полностью автоматизированного производственного процесса позволяет добиться минимального расхождения параметров одной серии термопарных датчиков.

Процесс производства начинается с нанесения на кремниевую пластину стекловидного слоя (изолятора) (1). Затем на изолятор наносятся слои металла (2), образующие в результате несколько сотен соединенных последовательно термопар. В зависимости от размера кремниевой пластины на ней могут быть нанесены до нескольких тысяч термопар. После этого участок кремния под стекловидным изолятором удаляется посредством травления. Оставшийся кремний играет роль радиатора, охлаждающего «холодные» спаи (4) термопар. Завершающий этап — установка поглотителя (5), температура которого изменяется под действием инфракрасного излучения и, соответственно, нагревает «горячие» спаи термопары. После этого готовую кремниевую пластину режут на тысячи миниатюрных кристаллов, и каждый чувствительный элемент помещается в транзисторный корпус ТО-типа. Пайка крышки с инфракрасным окном к корпусу осуществляется в атмосфере инертных газов.

На соседнем рисунке приведена фотография чувствительного элемента термопарного датчика. Выводы элемента соединяются с двумя выводами корпуса датчика. Третий вывод предназначен для термистора, который устанавливается в корпус и предназначен для калибровки датчика. Выходной сигнал с датчика составляет несколько милливольт и необходимо его предварительное усиление. Предварительный усилитель сигнала должен находиться в непосредственной близости от чувствительного элемента датчика для достижения максимального соотношения уровня сигнал/шум. Некоторые термопарные датчики компании Heimann Sensor GmbH уже имеют встроенные схемы для предварительной обработки сигнала с чувствительного элемента непосредственно внутри датчика. Термопарные линейки дополнительно содержат встроенный мультиплексор, последовательно считывающий сигнал с каждого пикселя, тем самым снижая количество дополнительных микроконтактов. Сигнал на выходе термопарных датчиков прямо пропорционален мощности инфракрасного излучения, поступающего на вход датчика.

Область применения термопарных датчиков полностью аналогична области применения пироэлектрических приемников. Однако тот факт, что для работы термопарного датчика не требуется прерывистость излучения на входе датчика, сильно облегчает его работу в таких устройствах, как дистанционные измерители температуры и газоанализаторы.

Компания Heimann Sensor GmbH специализируется на разработке и производстве пироэлектрических детекторов и термопарных датчиков с высокой обнаружительной способностью и предназначенных для детектирования различных газов – CO2, CO, CH4, NO, N2O, HC, H2O. Детекторы могут содержать от 1 до 4 оптических каналов в зависимости от размера активной области кристалла и комплектуются различными типами фильтров по требованию заказчика.

Как работает PIR датчик HC-SR501, и его взаимодействие с Arduino

Лаборатория каждого сумасшедшего ученого, или секретная комната подростка, нуждается в улучшенной защите от вторжения мошенников или братьев и сестер. Если вы один из них, вам, вероятно, стоит подумать о приобретении пассивного пироэлектрического инфракрасного (PIR) датчика. PIR датчики позволяют вам определять, когда кто-то находится в комнате, когда не должен быть там.

Рисунок 1 – Как работает PIR датчик HC-SR501, и его взаимодействие с Arduino

Хотя это может показаться чем-то из шпионского фильма, но вы, вероятно, используете PIR датчики каждый день. Этот датчик вы можете найти в большинстве современных систем безопасности, автоматических выключателях света, механизмах открывания гаражных ворот и аналогичных применениях, где работа какого-либо электрического устройства необходима только в присутствии людей.

Как работает PIR датчик движения?

Если вы не знали, все объекты с температурой выше абсолютного нуля (0 Кельвинов / -273,15°C), включая человеческие тела, испускают тепловую энергию в виде инфракрасного излучения. Чем горячее объект, тем большее излучение он излучает.

PIR датчик разработан специально для обнаружения таких уровней инфракрасного излучения. В основном он состоит из двух основных составляющих: пироэлектрического датчика и специальной линзы, называемой линзой Френеля, которая фокусирует инфракрасные сигналы на пироэлектрический датчик.

Рисунок 2 – PIR датчик, пироэлектрический датчик, два слота обнаружения

Пироэлектрический датчик на самом деле имеет две прямоугольные прорези, выполненные из материала, который пропускает инфракрасное излучение. За ними находятся два отдельных инфракрасных сенсорных электрода: один из которых отвечает за создание положительного выходного сигнала, а другой – отрицательного. Причина такого решения заключается в том, что мы ищем изменение инфракрасных уровней, а не сами окружающие инфракрасные уровни. Два электрода подключены так, чтобы они подавляли друг друга. Если одна половина видит больше или меньше инфракрасного излучения, чем другая, выходной сигнал будет высоким или низким.

Когда датчик находится в режиме ожидания (то есть вокруг датчика нет движения), оба слота обнаруживают одинаковое количество инфракрасного излучения, что приводит к нулевому выходному сигналу.

Но когда мимо проходит теплый объект, подобный человеку или животному; сначала он перекрывает одну половину PIR датчика, что вызывает появление положительного дифференциального изменения между двумя половинами. Когда теплый объект покидает чувствительную область, происходит обратное, в результате чего датчик генерирует отрицательное дифференциальное изменение. Соответствующий импульс сигналов приводит к тому, что датчик устанавливает на выходном выводе высокий логический уровень.

Рисунок 3 – Принцип действия PIR датчика

PIR детектор движения HC-SR501

Для большинства наших проектов на Arduino, которые должны определять, когда человек покинул или вошел в зону, или приблизился, PIR датчики HC-SR501 являются отличным выбором. Они имеют низкое энергопотребление и низкую стоимость, довольно прочные, имеют широкий диапазон линз, с ними легко взаимодействовать, и они безумно популярны среди любителей.

PIR датчик HC-SR501 имеет три вывода: питание VCC, выход и земля (показано на рисунке ниже). Он имеет встроенный стабилизатор напряжения, поэтому он может питаться от любого постоянного напряжения от 4,5 до 12 вольт, обычно используется 5В. Кроме этого, у него есть несколько настроек. Давайте проверим их.

Рисунок 4 – Распиновка PIR датчика. Расположение компонентов на плате.

На плате есть два потенциометра для настройки пары параметров:

• Чувствительность – устанавливает максимальное расстояние, на котором может быть обнаружено движение. Оно варьируется от 3 до 7 метров. На реальное расстояние, которое вы получите, может влиять планировка вашего помещения.
• Время – устанавливает время, в течение которого выходной сигнал останется на высоком логическом уровне после обнаружения. Минимум – 3 секунды, максимум – 300 секунд или 5 минут.

Наконец, на плате есть перемычка (на некоторых моделях перемычка не впаяна). У нее есть два варианта настройки:

• H – это удержание / повтор / повторный запуск. В этом положении HC-SR501 будет продолжать выдавать высокий логический уровень, пока он продолжает обнаруживать движение. Рисунок 5 – Работа PIR датчика HC-SR501 в режиме повторного запуска
• L – это прерывающийся или неповторяющийся / без повторного запуска. В этом положении выходной сигнал останется на высоком логическом уровне в течение времени, установленного регулировкой потенциометра TIME. Рисунок 6 – Работа PIR датчика HC-SR501 в режиме без повторного запуска

Повышение универсальности PIR датчика HC-SR501

Печатная плата HC-SR501 имеет площадки для двух дополнительных компонентов. Они обычно обозначаются как «RT» и «RL». Обратите внимание, что на некоторых платах обозначения могут быть закрыты «купольной» линзой на стороне, противоположной компонентам.

Рисунок 7 – PIR датчик. Площадки для фоторезистора и термистора

• RT – предназначен для термистора или термочувствительного резистора. Его добавление позволяет использовать HC-SR501 при экстремальных температурах, а также в некоторой степени повышает точность детектора.
• RL – это место для подключения светочувствительного резистора (LDR) или фоторезистора. При добавлении этого компонента HC-SR501 будет работать только в темноте, это обычное применение для систем освещения, чувствительных к движению.

Дополнительные компоненты могут быть припаяны непосредственно к плате или выведены в удаленные места с помощью проводов и разъемов.

Распиновка PIR датчика HC-SR501

HC-SR501 имеет 3-контактный разъем, который соединяет его с внешним миром. На него выведены следующие контакты:

Рисунок 8 – Распиновка PIR датчика HC-SR501

VCC – вывод питания для PIR датчика HC-SR501, к которому мы подключаем вывод 5V на Arduino.

Выходной контакт – логический выход с TTL уровнем 3,3 В. Низкий логический уровень означает, что движение не обнаружено, высокий логический уровень означает, что было обнаружено какое-то движение.

GND должен быть подключен к земле Arduino.

Использование PIR датчика в качестве автономного устройства

Одна из причин, по которой PIR датчик HC-SR501 является чрезвычайно популярным, заключается в том, что он является очень универсальным датчиком, который самодостаточен. А подключив его к каким-либо микроконтроллерам, таким как Arduino, вы сможете еще больше расширить его универсальность. Для нашего первого эксперимента мы будем использовать HC-SR501 отдельно, чтобы показать, насколько он полезен сам по себе.

Схема соединений для этого эксперимента очень проста. Батареи подключены к выводам датчика VCC и GND, а маленький красный светодиод подключен к выходному контакту через ограничивающий ток резистор 220 Ом. И всё!

Теперь, когда PIR обнаруживает движение, на выходном контакте появляется высокий логический уровень, и светодиод загорается!

Рисунок 9 – Тестовая схема подключения PIR датчика без использования Arduino. Она показывает, как можно использовать PIR датчик в автономных приложениях.

Помните, что при включении питания необходимо подождать 30-60 секунд, пока PIR датчик не адаптируется к инфракрасной энергии в помещении. В течение этого времени светодиод может немного мигать. Подождите, пока светодиод не погаснет, а затем подвигайтесь перед ним, махая рукой, чтобы увидеть, что светодиод загорается.

Подключение PIR датчика к Arduino UNO

Теперь, когда у нас есть полное понимание того, как работает PIR датчик, мы можем подключить его к нашей плате Arduino!

Подключить PIR датчики к микроконтроллеру очень просто. PIR действует как цифровой выход, поэтому всё, что вам нужно делать, это отслеживать, когда на его выходном выводе установится высокий логический уровень (обнаружено движение) или низкий логический уровень (не обнаружено). Подайте на PIR датчик напряжение 5 В и подключите землю. Затем подключите выход к цифровому выводу 2.

Вам нужно установить перемычку на HC-SR501 в положение H (повторный запуск), чтобы он работал правильно. Вам также нужно будет установить время на минимум (3 секунды), повернув потенциометр «время» против часовой стрелки до упора. Установите чувствительность в любое положение, которое вам нужно, либо, если не уверены, установите ее в среднее положение.

Теперь вы готовы загрузить код и начать работу PIR датчиком.

Рисунок 10 – Подключение PIR датчика к Arduino UNO

Код Arduino

Код очень прост и в основном отслеживает, является ли входной сигнал на выводе 2 высоким или низким.

В конце, при обнаружении движения мы печатаем сообщение в монитор последовательного порта.

Рисунок 11 – Вывод приложения PIR датчика в мониторе последовательного порта

Что нужно учесть перед проектированием приложений на базе PIR датчиков

Как и для большинства PIR датчиков, HC-SR501 требуется некоторое время для адаптации к инфракрасной энергии в помещении. Это занимает от 30 до 60 секунд при первом включении датчика.

Кроме того, датчик имеет период «сброса» около 5 или 6 секунд после считывания. В течение этого времени он не обнаружит никакого движения.

При проектировании системы на базе HC-SR501 вам необходимо будет учитывать эти длительности задержек.

Применение пироэлектриков

Значительный пироэффект в сегнетоэлектриках используется для создания тепловых датчиков и приемников лучистой энергии, предназначенных, в частности, для регистра­ции инфракрасного и СВЧ-излучения. Пироэлектрические материалы находят широкое применение в качестве сенсорных устройств различного назначения, детекторов и приемников излучений, датчиков теплометрических приборов. Используется главным образом их основное свойство — любой вид радиации, попадающий на пироэлектрический образец, вызывает изменение его температуры и соответствующее изменение поляризации. На рис. 5 изображен пироэлектрический детектор излучений основанный на этом принципе.

Рис. 2.8. Пироэлектрический датчик

Если поверхности S покрыты проводящими электродами и эти электроды соединены проводником, по нему будет протекать ток

где g — пироэлектрический коэффициент.

Для плоскопараллельного образца с поверхностью S инаправлением спонтанной поляризации, перпендикулярным этой поверхности (рис. 2.8), нагревание на малую величину dT приведет к изменению связанного заряда на поверхности на d.q

Принцип действия пироэлект­рических фотоприемников очень прост; лучистая энергия, попадая на зачерненную (поглощающую) по­верхность сегнетоэлектрического крис­талла, нагревает его. В резуль­тате нагревания изменяется спонтан­ная поляризованность кристалла и возникает импульс тока, который регистрируется элек­тронной схемой.

Специфическим свой­ством таких тепловых фотоприемни­ков является отсутствие избиратель­ности по спектру излучения. Сущест­венное преимущество их состоит в том, что они не требуют охлаждения при детектировании излучения даже в далекой ИК-области спектра. Наряду с этим они обладают достаточно высоким быстродействием (способны ра­ботать в частотном интервале до 10 МГц), однако по чувстви­тельности уступают полупроводниковым фотоприемникам.

Пиролитический детектор излучения с чувствительным элементом на основе тонкой пленки PZT на кремниевом субстрате позволяет контролировать все основные типы дифференциального позиционно-чувствительного фотоэлектрического детектора излучения. Посредством сочетания комбинаций чувствительных элементов можно реализовать различные однокоординатные варианты подобных детекторов.

Повышенной чувствительностью на высоких частотах характери­зуются кристаллы LiNbO₃ и LiТаО₃, отличающиеся стабильностью пироэлектрических свойств. Благодаря высокой температуре Кюри они не требуют специальных приемов закрепления монодоменизированного состояния и могут устойчиво работать до температур порядка 500°С. В пленках (1-x)NaNbO₃— xLiNbO₃ антисегнетоэлектрическая фаза стабильна при х 0,0225. В системе с KNbO₃ сегнетоэлектрическая фаза стабильна при х ≥ 0,0175, а антисегнетоэлектрический переход при х 2 .

Для изготовления фото­приемников можно использовать все виды пьезокерамики, однако наи­более подходящим материалом для этих целей является керамика ЦТСЛ. Введение добавки окиси лантана позволяет приблизить тем­пературу Кюри к комнатной и получить более высокие значения пиро­электрических коэффициентов.

Пленки PbTiO₃, LiNbO₃, LiTaO₃, KNbO₃, KТaO₃, Bi₄Ti₃O₁₂ используются в пироэлектрических детекторах. Титанат свинца является пироэлектриком, который используют в качестве светочувствительного элемента для ИК-датчиков изображения.

Kерамические материалы на основе твердых растворов: РbTiO₃-PbZrO₃-PbNb_2/3Zn_1/3O₃-PbSb_2/3Mn_1/3O₃-PbW_1/2Mg_1/2O₃ (система I) и РbTiO₃-PbZrO₃-PbNb_2/3Zn_1/3O₃-PbSb_2/3Mn_1/3O₃-PbNb_2/3Mn_1/3O₃ (система II) характеризуются высоким показателем качества, что делает их перспективными для использования в качестве пироэлектрических детекторов. Пироэлек­трический коэффициент для составов, лежащих на морфотропной грани­це, для систем I и II соответственно составили 4·10 -4 Кл м -2 /К и 5·10 -4 Кл м -2 /К. Новая пироэлектрическая керамика была изготовлена горячим изостатическим прессованием из смеси двух порошков со структурой перов­скита на основе PbZrО₃, Pb(Mn_1/3Nb_2/3)_0.1Zr_0,9O₃ + 0,5 мас. % МnО₂ + 0,5 мас. % Cr₂O₃ и (Pb(Mn_1/3Nb_2/3)_0.1Zr_0,875Ti_0,025O₃ + 0,5 мас. % МnО₂ + 0,5 мас. % Cr₂O₃. Пироэлектрический коэффициент керамики, равный 9,4·10 -4 Кл м -2 о С -1 в интервале температур 15-70 °С мало за­висел от температуры. Установлено образование поверхностного слоя толщиной несколько сотен нм на зернах, имеющего композиционный гради­ент.

Сегнетоэлектрическая керамика Pb_1+z<[(Mg_1/3Nb_2/3)_y(Zr_1-xTi_x)_1-y]_1-zA_z>O₃, где 0 0,05, 0 0,4, 0 0,4. 0 0,5, A — замещающий в октаэдрической позиции многовалентный катион (в частности, марга­нец или уран), может быть исполь­зована в качестве пироэлектрика, пироэлектрического ИК-детектора. Пироэлектрическое ИК определяющее устройство, состоящее из множества детекторных элементов, включает активный материал, который является сегнетоэлектрической керамикой вышеука­занного состава.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Применение устройства с датчиком движения для автоматического освещения коридора

Человеческое тело является источником инфракрасного излучения. Это свойство используется для создания пассивных датчиков движения в системах автоматического включения освещения и охраны помещений. Такие датчики реагируют на малейшие изменения теплового излучения, вызываемые перемещением предметов в охраняемом помещении. Устройства называются пироэлектрическими датчиками и состоят из инфракрасного приемника теплового излучения и предварительного усилителя на полевом транзисторе. Для снижения уровня помех перед фотоприемником обычно устанавливается светофильтр, пропускающий излучение только в диапазоне длин волн 5-14 мкм, наиболее характерном для излучения человеческого тела.

Чтобы обеспечить защиту от ложных срабатываний, в более сложных датчиках инфракрасный приемник выполняется в виде двух одинаковых приемников, включенных навстречу друг другу. При таком включении напряжения, генерируемые в фотоприемниках от внешней засветки и изменения температуры корпуса датчика, вычитаются и практически полностью компенсируются. Таким образом, устройства реагируют только на изменения инфракрасного излучения и являются датчиками движущихся объектов. Не стоит думать, что такой датчик реагирует на перемещение только нагретых объектов. Так как в помещении всегда присутствует неравномерный тепловой фон, то перемещение даже не нагретого объекта приводит к изменению теплового фона и срабатыванию датчика движения. Примером такого датчика является пироэлектрический датчик IRA-E710 производства компании Murata. Его схематическое устройство показано на рис. 1.

Рис. 1. Устройство пироэлектрического датчика IRAE710

В качестве исполнительного элемента использован симистор. В состав устройства входит также датчик внешней освещенности, его можно настроить таким образом, что дополнительное освещение включается только при недостатке естественного. Время, на которое включается освещение, можно регулировать в широких пределах.

Технические характеристики устройства:

• Напряжение питания 220 В ±10%;
• Максимальная мощность лампы 500 Вт;
• Время включенного состояния от 5 с до 5 мин;
• Дальность срабатывания: 3…5м;
• Размер печатной платы: 82х40 мм;
• Габариты корпуса: 85х50х35 мм.

Время включенного состояния измеряется от последнего зарегистрированного движения в зоне обнаружения датчика.

Принципиальная электрическая схема устройства показана на рис. 2, а перечень элементов показан на принципиальной схеме.

Рис. 2. Схема электрическая принципиальная

Схема работает следующим образом. Инфракрасное излучение принимается пироэлектрическим приемником PIR1. Так как такой приемник реагирует только на изменение уровня ИК-излучения между площадками приемника, то перед ним устанавливается модуляционная решетка, состоящая из узких горизонтальных прозрачных и непрозрачных полосок. Тепловой объект, перемещаясь поперек них, оказывается поочередно закрыт/открыт для фотоприемника. Это вызывает появление на выходе фотоприемника переменного напряжения, которое является признаком движущегося объекта. Подбирая ширину модулирующих полосок, можно добиться максимальной чувствительности прибора для объектов заданного размера, а изменяя размер окна модуляционной решетки, можно оптимально сформировать зону обслуживания прибора.

Питание на встроенный усилитель пироэлектрического приемника подается через сглаживающий фильтр R1, C1. Выходной сигнал снимается с вывода 2. Резистор R19 является внешней нагрузкой встроенного полевого транзистора. Далее сигнал поступает на усилитель с коэффициентом усиления примерно 150, собранный на DA1 (выводы 1, 2, 3). При отсутствии движения в зоне действия датчика напряжение на выходе ОУ будет неизменным. При появлении движущихся объектов на выходе ОУ появляется переменная составляющая, которая через конденсатор С2 поступает на второй каскад усиления на DA1 (выводы 12, 13, 14). Этот каскад имеет усиление около 100. Далее сигнал подается на компаратор, собранный на DA1 (выводы 8, 9, 10) и имеющий порог срабатывания, задаваемый резистивным делителем R8, R11, R20. В исходном состоянии напряжение на выходе компаратора близко к 0, и конденсатор С7 разряжен. Если переменная составляющая сигнала от датчика движения превышает порог срабатывания компаратора, то на его выходе появляется сигнал высокого уровня, который быстро заряжает времязадающий конденсатор С7. Диод VD5 не дает разрядиться конденсатору С7 через низкое выходное сопротивление компаратора. Разряд конденсатора происходит через последовательно соединенные резисторы R14, R22. При помощи переменного резистора R22 время разряда можно изменять от 5 с до 5 мин. Конденсатор С7 подключен к неинвертирующему входу второго компаратора, собранного на DA1 (выводы 5, 6, 7). Порог срабатывания этого компаратора задается резистивным делителем R9, R13. Сигнал с выхода этого компаратора поступает на усилитель на транзисторе VT1 и далее на управляющий вывод полупроводникового симистора, который подает напряжение на нагрузку. Время включенного состояния нагрузки определяется суммой продолжительности действия сигнала с датчика движения и постоянной времени разряда цепи С7, R14, R22.

Помимо инфракрасного датчика движения, в устройстве установлен фотоприемник видимого света — фотодиод типа ФД263. На фотодиод, включенный в обратном направлении, через резисторы R15, R23 подается напряжение питания. Напряжение с образовавшегося делителя поступает через резистор R23 на базу транзистора VT2. Пока внешняя освещенность мала, напряжение на базе транзистора высокое, и он не оказывает никакого влияния на работу схемы. При достижении порогового уровня освещенности напряжение на базе транзистора падает, снижается напряжение на его эмиттере, и через диод VD9 он блокирует прохождение сигнала с датчика движения. Внешняя освещенность, при которой происходит блокировка включения лампы по датчику движения, регулируется переменным резистором R23.

Если произошло включение лампы по датчику движения, то работа схемы контроля внешнего освещения блокируется при помощи диода VD8. При выключении лампы конденсатор С10 обеспечивает задержку включения схемы контроля внешнего освещения на 2-3 с, что помогает предотвратить ложные переключения во время переходных процессов при выключении нагрузки.

Устройство получает питание от бестрансформаторного блока питания, состоящего из выпрямителя на R21, R18, C9, VD4, VD6, C8 и двухступенчатого стабилизатора на VD3, R2, C3, VD1.

Устройство собрано на печатной плате размером 82х40 мм, которая устанавливается в пластиковый корпус с поворотным кронштейном, который позволяет сориентировать требуемым образом положение приемного окна прибора после его установки.

Внешний вид устройства показан на рис. 3. Пироэлектрический датчик показан на рис. 4.

Рис. 3. Внешний вид устройства

Рис. 4. Внешний вид пироэлектрического датчика

Прямоугольное окно ИК-приемника располагается вертикально. В процессе эксплуатации необходимо будет установить желаемое время работы освещения (резистором R22) (см. рис. 5) и порог внешней освещенности (рис. 6), при котором свет не включается (резистором R23). Нужно иметь в виду, что время работы освещения отсчитывается от момента последнего обнаруженного движения в зоне работы датчика. Также нужно учитывать, что устройство полностью выходит на режим только через 0,5-1 мин после подачи на него питания. Поэтому все установки можно делать только по истечении этого времени.

Рис. 5. Регулировка желаемого времени освещения

Рис. 6. Регулировка порога внешней освещенности

Порог срабатывания датчика движения определяется номиналом резистора R11. Поэтому при повышенном уровне ложных срабатываний устройства значение номинала этого резистора рекомендуется увеличить, а при необходимости повышения чувствительности устройства его можно несколько уменьшить.

Вариант установки прибора над коридорной дверью рядом с осветительной лампой показан на рис. 7.

Рис. 7. Типовой вариант установки прибора (Дверь квартиры закрыта, лампа не горит)

Рис. 8. Дверь квартиры открывается, срабатывает датчик движения и лампа загорается

Прибор реагирует на пересечение движущимся объектом линий модуляционной решетки, поэтому он должен устанавливаться таким образом, чтобы движущийся объект пересекал ее. Поэтому прибор лучше ставить сверху на стене или потолке, так, чтобы он решетчатым окошком «смотрел» на зону обнаружения, а движущиеся объекты перемещались преимущественно поперек решетки. Если необходимо, чтобы прибор срабатывал при пересечении человеком определенной границы, то его можно установить вертикально, чтобы приемное окно смотрело поперек этой границы.

В качестве «движущегося объекта» автор применил открывающуюся входную дверь в квартиру.

Аналогично срабатывает датчик и на движение человека в коридоре квартиры. Ходить по коридору становится комфортнее.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Чтобы сэкономить время и избавить вас от рутинной работы по поиску необходимых компонентов и изготовлению печатных плат, МАСТЕР КИТ предлагает набор NM6013. Набор состоит из заводской печатной платы, всех необходимых компонентов и инструкции по сборке и эксплуатации.

Более подробно ознакомиться с ассортиментом нашей продукции можно с помощью CD-каталога «МАСТЕР КИТ-2007» и на сайте http://www.masterkit.ru, где представлено много полезной информации по электронным наборам и модулям МАСТЕР КИТ, приведены адреса магазинов, где их можно купить.

Наборы МАСТЕР КИТ можно купить в магазинах радиодеталей Вашего города.

Подробный обзор PIR датчика движения: характеристики сенсора, отзывы и инструкция по подключению

Каждый человек излучает тепловые волны. На этом явлении построен принцип работы pir датчиков движения. Это пассивные инфракрасные датчики, которые улавливают малейшее движение. Они предназначены для обнаружения посторонних в помещении.

Что из себя представляет pir датчик движения?

PIR — сокращенное название passive infrared — пассивный инфракрасный датчик. Он не излучает волн, а только принимает их, поэтому называется пассивным. Датчик содержит чувствительный элемент, который реагирует на тепловое излучение.

Как выглядит и где используется?

Пироэлектрический элемент, который находится в центре датчика, герметично закрыт металлическим или пластиковым корпусом.

Применяются pir датчики в системах охранной сигнализации, в домах, квартирах, офисах. Также могут использоваться и в освещении.

Прибор может обнаружить движение и сработать, но он не способен определить, на каком расстоянии находится объект и сколько людей находится в зоне его действия.

Как работает: устройство и принцип действия

Датчик воспринимает тепловое излучение с длиной волны от 7 до 14 мкм. Электрический сигнал не возникает, если излучение остается постоянным. Чтобы датчик реагировал на движение, применяется линза Френеля с несколькими фокусирующими участками. Общий тепловой фон разбивается на зоны (активные и пассивные). Они располагаются в шахматном порядке. Человек занимает несколько таких зон, находясь в поле зрения датчика.

Поэтому даже при малейшем движении, когда происходит перемещение из одной зоны в другую, прибор срабатывает.

Также устройства могут быть проводными (питание от сети) и беспроводными (аккумуляторная батарея). Для охранных систем лучше всего подойдут модели, которые не требуют проводки. В пассивном состоянии такой прибор может работать до 20 дней без подзарядки.

PIR датчики небольшие по объему, недорогие, экономичные, практически не подвержены износу, легко устанавливаются, поэтому они популярны и используются в различных системах.

Датчик состоит из прямоугольного пироэлектрического элемента, внутри которого находится кристалл, улавливающий инфракрасное излучение.

Модуль, на котором стоит датчик, содержит различные элементы: предохранители, резисторы и конденсаторы.

Отзывы о пироэлектрических инфракрасных датчиках движения: плюсы и минусы

Такой прибор, как pir датчик движения имеет следующие достоинства:

• простота устройства;
• доступная стоимость;
• износоустойчивость;
• экономичность;
• малые габариты.

• ограничение дальности действия;
• помещенный в поле зрения датчика сплошной предмет нарушает его действие;
• при снижении температуры чувствительность устройства может искажаться.

Технические характеристики классического PIR Sensor HC-SR501

В данном приборе объединены сам датчик и схема управления. Технические характеристики PIR Sensor HC-SR501 таковы:

• примерные размеры — 3,2 см*2,4 см*1,8 см;
• напряжение питания — DC 4,5В — 20 В;
• сила тока — о ;
• длительность импульса при обнаружении — 5-200 с (настраивается);
• рабочая температура — от -20 до +80 о С;
• выходное напряжение — высокий/низкий уровень сигнала:3,3 В; выход TTL;
• время блокировки до следующего замера — 2,5 с;
• режим работы — L — одиночный захват, H — повторяемые измерения.

Стоимость PIR Sensor HC-SR501 — около 130 рублей.

Инструкция по подключению и эксплуатации

1. Устройство необходимо подключить к основному реле контроллера и системе энергоснабжения.
2. Большинство моделей pir датчиков имеют три коннектора на задней части.
3. Соединение происходит по схеме с учетом особенностей данной модели.
4. В некоторых моделях подключение pir датчика производится напрямую к сети, без проводки. Обычно это относится к системам освещения.

Цвет проводов может отличаться, поэтому прежде чем подключать напряжение, нужно все проверить, иначе датчик может перегореть или просто не будет работать.

Обычно присутствует три кабеля: красный — питание, черный — земля, желтый — сигнал.

В соответствии с рисунком соберите схему. После этого можно подключать датчик. Он должен стабилизироваться в течение 30-60 секунд. В это время светодиод может мигать. После того как мигание закончится, прибор готов к работе.

Схема подключения

Настройка работы устройства

Перед тем, как подключать датчик к работе, необходимо его настроить, задать необходимые параметры.

Регулироваться может чувствительность. Прибор должен игнорировать и подавлять незначительные тепловые помехи и в то же время определять даже небольшие движения.

Если человек находится в помещении, но не производит движений, датчик не сможет зафиксировать его присутствие. Поэтому настраивается такая функция, как задержка выключения.

PIR датчик движения HC-SR501устанавливается в различных местах. Например, в тех местах, где ходят часто (коридор, санузел), свет должен включаться и выключаться быстро, и задержка устанавливается минимальной. Напротив, например, в офисах, конторах, где движения бывают редкими, задержку увеличивают, чтобы свет не выключался постоянно.

Особенности установки

Есть некоторые особенности, на которые необходимо обратить внимание при установке.

1. Перед датчиком не должны находиться предметы, затрудняющие обзор (двери, перегородки, стены, большие предметы мебели и т.д.). Это мешает тепловой волне, и излучение не может проникнуть через преграду.
2. Наилучшая форма монтажа — потолочная, с учетом того, чтобы была видна дверь. Это открывает большой обзор, используется максимальный угол обнаружения.
3. Не располагайте прибор вблизи отопления, конденсаторов, на открытом солнце. Это будет вызывать нагревание и ошибочное срабатывание сенсора.
4. При размещении датчика следует учесть и то, что люди могут находиться вне активных зон, и прибор не будет на них реагировать. Сидящих людей прибор распознает, только если он находится очень близко.

Аналоги стандартного HC-SR501

PIR Motion Sensor Module GH-718

Компактный пассивный инфракрасный мини-датчик движения. Часто используется в вентиляционных системах, освещении, охранных сигнализациях и других электронных системах с автоматическим управлением.

• Размер — 3,2*2,7/1,25*1,06;
• Напряжение — 5В — 24 В;
• Выход тока — 5 мА;
• Дальность обнаружения — 4-5 м;
• Рабочая температура — от -20 до +50 о С;
• Угол обзора — 110 о ;
• Выходной сигнал при обнаружении движения — 0,3В (высокий уровень).
• Стоимость — 150 рублей.

PIR MP.Alert A9

GSM сигнализация со встроенным датчиком движения и микрофоном. Используется в охранных системах, как противоугонное устройство, а также для охраны квартиры, дома, гаража и т.п. Очень компактный и удобный прибор. Работает с СИМ — картой. При обнаружении движения устройство звонит на номер, зарегистрированный на СИМ-карту, что очень удобно. Также можно позвонить по телефону, датчик ответит, и владелец услышит звуки окружающей обстановки.

Имеет следующие технические характеристики:

• Дальность обнаружения — до 8 м;
• Режим ожидания — 2-3 дня;
• Время работы в режиме передачи данных — 2-4 часа;
• Размеры — 45*30*14 мм;
• Рабочие частоты — 850 МГц, 900 МГц, 1800 МГц, 1900 МГц.
• Стоимость — 1590 рублей.

Стоимость

Стоимость пироэлектрического инфракрасного датчика движения будет зависеть от его технических характеристик, возможности настроек параметров, дополнительных функций, а также качества материалов и производителя данной модели.

Наиболее дешевые модели доступны всем, они просты в установке и часто используются. Ценовой диапазон — от 100 до 200 рублей.

• PIR Sensor HC-SR501 — 130 рублей.
• PIR Motion Sensor Module GH-718 — 150 рублей.

Более дорогие модели характеризуются большими возможностями использования, имеют улучшенные характеристики. Их стоимость — от 1000 рублей — PIR MP.Alert A9 — 1590 рублей.

Где купить инфракрасный PIR датчик движения?

В Москве

• Компания «Амперкот», ул. 1-ая Ямская, д.8, 7(495)055-41-23
• Интернет-магазин SHOPLEDS, ул. Большая Почтовая, д.71, офис 111, 7(495)225-76-80
• Интернет-магазин CHIRSTER.RU, ул. Клары Цеткин, д.18, к.3, 8(499)653-80-92

В Санкт-Петербурге

• Интернет-магазин I SEE YOU, ул. Есенина, д.11, к.1, 7(812)615-88-90
• Компания «Телекамера», ул. Бумажная, д.16 офис 223, 7(812)426-30-50
• Интернет-магазин Furnitura-pro.ru, Спасский переулок, 14/35, 7(812)952-86-85

PIR датчики движения используются в различных автоматизированных системах управления. С их помощью можно наблюдать за появлением людей, охранять различные объекты. Применение pir датчиков в системах освещения и сигнализации является надежным методом обнаружения присутствия человека.