Датчик движения – устройство, позволяющее идентифицировать любые перемещения в зоне ответственности. В качестве ответного сигнала обычно используется логический уровень цифровой электроники. В результате становится возможным определять наличие движения в рамках систем сигнализации, освещения, автоматического управления дверьми и пр.

Разновидности и принцип действия датчиков движения

Пассивные инфракрасные датчики движения

В отечественной литературе чаще речь заходит о пассивных инфракрасных датчиках движения (PIR). У указанной категории продукции отмечается ряд недостатков. Обычно пассивный инфракрасный датчик работает на основе пироэлектрического эффекта: на расстоянии чувствует тепло. Разработчики, как правило, подгадывают под температуру человеческого тела и ловят волны среднего инфракрасного диапазона в районе 10 мкм. Это намного ниже, нежели видимое излучение, вспоминается фильм с участием великого Арни и охоту на Хищника. У пришельца сенсорная система реагировала на волны теплового диапазона.

По указанной причине пассивный инфракрасный датчик возможно обмануть. Подобные в серьёзных системах сигнализации не используются. Пироэлектрический датчик движения содержит в составе кристалл, преобразующий указанную длину волны в электрический заряд. Для устранения помех на входе стоит фильтр в виде линзы из силикона. Он сильно ограничивает спектр входящих излучений, к примеру, от 7 до 15 мкм, снижая уровень внешних помех.

Как правило, система состоит из двух частей, чтобы регистрировать одновременно внешний фон. Окно чипа, пропускающее излучение, разбивается на две эквивалентные части, каждая смотрит в сторону относительно центра. В результате, если в поле зрения окна окажется движущееся теплое тело, разница немедленно станет очевидной. Разработчики уверяют, благодаря линзам Френеля для получения отклика хватит мощности порядка 1 мкВт. В свете изложенного большинство пассивных инфракрасных датчиков движения требует времени не обучение. В течение недолгого периода в поле зрения линз не должно попадать перемещающихся объектов.

Период длится до минуты, потом датчиком движения допустимо пользоваться. Принцип передачи сигнала разнится. Как правило, производитель в рамках серии микросхем выпускает сенсор и соответствующий многофункциональный контроллер, с задачами работы с сопутствующим типом аппаратуры. Это делает возможным создание сложных систем. Уровень соответствует, к примеру, логической единице КМОП, либо выдаёт серию импульсов указанной частоты. Известны пассивные инфракрасные сенсоры, с возможностью настройки указанного параметра, что делает микросхемы более гибкими.

Внутри стоит усилитель для формирования нужного отклика. Это требует подведения питания извне. Схема разъёма предельно проста:

1. Ножка питания.
2. Заземление (схемный нуль).
3. Выход информационного сигнала.

Недостатки пассивных инфракрасных датчиков движения

Любой человек, сведущий в электронике, осознает недостатки описанных выше сенсоров: излучение легко экранируется. Достаточно в поле зрения датчика поместить сплошной предмет, чтобы нарушить работоспособность системы. Тепловое излучение перестанет достигать чувствительного элемента. Одетый человек, к примеру, формирует гораздо меньший отклик.

Вдобавок ограничена дальность действия. Определяется чувствительностью элемента и силой теплового излучения объекта. В большинстве случаев — считанные метры, что накладывает ограничения на использование.

Большое значение носит температура среды, по мере её снижения температурная картина начнёт опускаться по шкале частот, искажая чувствительность датчика. Спорным считается вариант, когда первое окно сенсора смотрит на улицу, а второе – в помещение. Приходится ориентироваться на рекомендации производителя по условиям применения.

Лазерные прерыватели

Лазерные датчики известны в фильмах про денежные банки. Это методика фиксации движения на прямой. Друг напротив друга ставятся источник и приёмник излучения. При попадании между ними предмета вырабатывается сигнал тревоги. Лазер порой невидимый, использование специальных баллончиков с газом, светящимся под действием инфракрасных или ультрафиолетовых лучей, не выдумка кинематографистов. Явление люминесценции используется для определения местоположения невидимых трасс.

По мере роста длины волны направленные свойства излучения резко падают, радиодиапазоны в качестве лучей уже не применяются. Что касается высоких частот, способных проходить сквозь препятствия, как рентген, они для использования не годятся по понятным причинам.

Сенсоры на эффекте Допплера

В группу относят раздельно два семейства: ультразвуковые и микроволновые сенсоры движения. Принцип действия основан на едином эффекте. Допплер открыл явление в 1842 году, наблюдая системы двойных звёзд и прочие небесные тела. Тремя годами позже Бёйс-Баллот доказал, что смещение спектра наблюдается и для источников звука.

Каждый житель столицы и обитатели других крупных городов замечали, что гудок приближающейся электрички более высокий, нежели удаляющейся. Таким образом, человек, мало-мальски одарённый музыкально, способен определить, подходит поезд к платформе либо убегает. Это эффект Допплера: любая волна, излучаемая объектом, воспринимается неподвижным наблюдателем сообразно взаимной скорости перемещения. От скорости зависит величина смещения в спектре.

Удаляющаяся звезда кажется чуть холоднее, чем в действительности: спектр сдвинется вниз по шкале частот. Наоборот – цвет приближающейся выглядит теплее. Подобный эффект наблюдается в любом диапазоне: радио, звуковом и прочих. Читатели уже догадались, как работают датчики на эффекте Допплера. В эфир излучается колебание ультразвука или радиочастоты, ловится отклик. При наличии движущихся объектов картина меняется коренным образом: вместо однородной излучённой волны принимается целый сонм отличных по частоте от исходной.

Плюс метода: излучение легко огибает препятствия или проходит сквозь. Но движение фиксируется в отношении любых объектов, включая неживые. Температура тела значения не имеет. От частоты излучения зависят особенности работы системы. К примеру, радиодиапазон по большей части запрещён для использования. Оставлены небольшие окна, редактируемые специальным государственным комитетом. Ультразвук ограничений не имеет, но вреден для человеческого слуха (пусть не ощущается непосредственно). К примеру, отпугиватели для собак и тараканов функционируют в указанном диапазоне.

Итак, ультразвуковые и радиочастотные датчики движения заэкранировать намного сложнее.

Томографические сенсоры движения

Слово напоминает медицинское оборудование, по словам разработчиков, означает наличие в системе сетки из активных передатчиков. Комплекс работает в разрешённом диапазоне 2,4 Гц, где функционируют модемы WiFi, микроволновые печи и ряд устройств. Что немедленно накладывает ограничения: в поле зрения системы полагается ограничить употребление перечисленных выше изделий.

Эффект основан на общеизвестном поглощении излучения частоты 2,4 Гц молекулами воды. В тело живого существа самая распространённая жидкость на планете входит с избытком, делая возможным построение картины внутри помещения. Волны 2,4 Гц сравнительно легко проходят через стены, удается покрыть относительно большие площади сложной конфигурации. На местности монтируется сеть приёмопередатчиков, наподобие точек доступа WiFi.

Сложная компьютерная система анализирует распределение поля. Подразумевается этап обучения, когда оцениваются условия распространения волн в конкретно взятом помещении. В дальнейшем по специальным алгоритмам система способна указать местоположение любых тел в пространстве. Удаётся засечь и неподвижные живые тела. Когда биологическая форма жизни попадает в область действия волн, сила их начинает затухать по определённым законам. Энергия переходит в тепло, как происходит в микроволновой печи. В результате становится возможным выработать сигнал тревоги.

Излучатели не опасны для человека, а рабочая мощность нормируется согласно законодательству. Местному администратору предлагается, начиная с некоторого размера, систему зарегистрировать в установленном порядке. Сенсоры дороже прочих из представленных в обзоре. Допплеровские тоже стоят немало.

Видеокамеры в качестве датчиков

Сегодня большая часть цифровых видеокамер обнаруживает опцию фиксации движения. Появляется возможность записи сигнала на регистратор, подача тревоги в установленном порядке. Датчика вполне хватит для нужд организации. Процесс регистрации, начало и окончание фиксации событий определяется возможностями отдельно взятого оборудования.

Большой плюс системы в возможности действовать в автоматическом режиме и в шансе записать противоправные действия в случае необходимости. Единственным препятствием считается закон о частной жизни граждан. Предлагается чётко отличать противоправные действия от прочих. И не распространять полученные сведения в обход закона.

Для работы в темноте используются регистраторы инфракрасного диапазона с непременной подсветкой окружающего пейзажа. В интернете найдутся руководства, где предлагается изготовить инфракрасный регистратор из видоискателя камеры для ночной съёмки. Подсветка собирается на базе обычных диодов инфракрасного диапазона. Дальность съёмки в этом случае сильно зависит от мощности инфракрасных лучей. С целью усиления рекомендуется применять рефлекторы.

Использование датчиков движения

Часто применение датчиков движения наталкивается на определённые ограничения. Пассивные инфракрасные сенсоры в этом плане простейшие, их применение ничем не нормируется. Где начинаются ультразвук и радиоволны — предлагается тщательно просчитать последствия. Лазеры небезопасны, предупреждающая табличка на лазерном принтере не шутка. Когерентное излучение прожигает сетчатку не хуже бумаги, становясь причиной серьёзной травмы.

Тесно связаны с датчиками движения системы определения наличия дыма в помещении. В этом случае используются явления изменения условий прохождения излучения, плюс эффект Допплера. Чисто химические методики достаточно редки.

Датчики движения применяются в системах:

• сигнализации и охраны;
• управления дверьми;
• развлекательных комплексов;
• иллюминации.

Спектр применения зависит только от фантазии авторов, поэтому зарубежные производители и выпускают интегральные системы с возможностью встраивания их в более сложные. Так, для покрытия некоторой площади, допустимо набирать набор датчиков подобно конструктору. Наибольшей гибкостью в этом плане обладают томографические системы, но и стоят дороже. Простейшие инфракрасные сенсоры больше годятся для управления единичными объектами, допустим, дверями.

Деятельность нашего интернет магазина видеонаблюдения охватывает весь спектр оборудования систем безопасности и охраны, который включает в себя:

Осуществляя поставки по всей России, наша компания доставляет товар даже в самые отдаленные регионы страны. Мы стараемся удовлетворить самого требовательного клиента.

Специалисты "Актив-СБ" понимают специфику работы систем безопасности и видеонаблюдения не только в Москве, но и в удаленных регионах со сложными климатическими условиями. Наши сотрудники предложат вам наиболее приемлемые как по функционалу, так и по стоимости варианты, расскажут об их возможностях и обоснуют необходимость использования тех или иных технических систем.
Торговый дом систем безопасности Актив-СБ проводит сервисное и гарантийное обслуживание проданного оборудования, прием и проверку товара ненадлежащего качества, осуществляет обмен неисправного оборудования.

Нашими клиентами являются коммерческие организации и конечные потребители, монтажные компании и государственные предприятия. Более 50 000 зарегистрированных пользователей корпоративного сайта имеют доступ к постоянно обновляемой базе технической документации, сертификатам по современным системам безопасности, а так же участвуют в партнёрской программе и специальных акциях проводимых компанией.

Для удобства наших взаимоотношений с клиентами, мы сотрудничаем с монтажными организациями, которые готовы выполнить монтаж систем видеонаблюдения любой сложности и всегда придут к вам на помощь. Поэтому, при необходимости, вы можете не только приобрести у нас оборудование, но и, например, заказать установку систем видеонаблюдения или провести техническое обслуживание других систем безопасности.

Работа нашего гипермаркета систем безопасности основывается на принципах честности, открытости и порядочности. Мы с уверенностью смотрим в будущее, стремимся c каждым днем развиваться и совершенствоваться.

Среди большого многообразия охранных извещателей, инфракрасный датчик движения является самым распространенным устройством. Доступная цена и эффективность, вот качества, обеспечившие им популярность. А все благодаря тому, что в начале девятнадцатого века обнаружили инфракрасное излучение.

Оно находится за границей видимого красного света в диапазоне 0,74-2000 мкм. Оптические свойства веществ сильно различаются и зависят от типа облучения. Небольшой слой воды является непрозрачным для ИК излучения. Инфракрасное излучение солнца составляет 50 процентов всей излучаемой энергии.

Область применения

Инфракрасные датчики движения для охраны применяются давно. Они фиксировали перемещения теплых объектов в помещениях, и передавали сигнал тревоги на контрольную панель. Их стали совмещать с видеокамерами и фотоаппаратами. При нарушении происходила фиксация происшествия. Потом область применения расширилась. Зоологи стали применять в фотоловушках для контроля исследуемых животных.

Больше всего ИК датчики применяются в системе умный дом, где играют роль сенсора присутствия. При попадании теплокровного объекта в область действия устройства, оно включает освещение в помещении или на улице. Экономится электричество и облегчается жизнь людям.

В системах контроля доступа извещатели движения управляют открыванием и закрыванием дверей общественных сооружений. По расчетам экспертов рынок ИК сенсоров будет расти на 20% ежегодно ближайшие 3-5 лет.

Принцип работы ИК датчика движения

Работа ИК извещателя заключается в контроле инфракрасного излучения определенной области, сравнении его с фоновым уровнем, и по результатам анализа выдачи сообщения.

ИК датчики движения для охраны используют активные и пассивные виды сенсоров. Первые для контроля используют собственный передатчик, облучающие все в зоне действия устройства. Приемник получает отраженную часть ИК излучения и по его характеристикам определяет, было нарушение зоны охраны или нет. Активные датчики бывают комбинированного типа, когда принимающие и передающие блоки разделены, это извещатели контролирующие периметр объекта. Имеют большую дальность действия по сравнению с пассивными устройствами.

Пассивный инфракрасный датчик движения не имеет излучателя, он реагирует на изменение окружающего ИК излучения. В общем случае, извещатель имеет два чувствительных элемента, способных фиксировать инфракрасное излучение. Перед сенсорами устанавливается линза Френеля, разбивающая пространство на несколько десятков зон.

Маленькая линза собирает излучение с конкретного участка пространства и посылает на свой чувствительный элемент. Соседняя линза, контролирующая смежный участок посылает поток излучения на второй сенсор. Излучения соседних участков примерно одинаковы. При нарушении баланса, превышении какого-то порогового значения, прибор извещает контрольную панель о нарушении зоны охраны.

Схема ИК датчика

Каждый производитель имеет уникальную принципиальную схему ИК извещателя, но функционально они примерно одинаковы.

ИК датчик имеет оптическую систему, пирочувствительный элемент, блок обработки сигналов.

Оптическая система

Рабочая область современных датчиков движения весьма разнообразна благодаря различным формам оптической системы. От устройства расходятся лучи в радиальном направлении в различных плоскостях.

Так как извещатель имеет сдвоенный сенсор, то все лучи раздваиваются.

Оптическая система ориентируется таким образом, что будет контролировать только одну плоскость или несколько плоскостей на разных уровнях. Может контролировать пространство вкруговую или по лучу.

При построении оптики ИК-датчиков часто используются линзы Френеля, представляющих множество призматических фасеток на выпуклой пластиковой чашке. Каждая линза собирает ИК поток со своего участка пространства и отправляет на ПИР элемент.

Конструкция оптической системы такова, что избирательность по всем линзам одинакова. Чтобы защититься от собственного тепла элементов, насекомых в устройстве устанавливается герметичная камера. Редко используется зеркальная оптика. Это значительно повышает дальность действия устройства и цену прибора.

Пирочувствительный элемент

Роль сенсора в ИК датчике играет пироэлектрический преобразователь на чувствительных полупроводниковых элементах. Он состоит из двух сенсоров. На каждый из них от двух соседних лучей поступает поток излучения. При одинаковом равномерном фоне сенсор молчит. При возникновении дисбаланса, в одной зоне появляется дополнительный источник тепла, а в другой нет, сенсор срабатывает.

Для повышения надежности и уменьшения ложных срабатываний в последнее время стали применять счетверенные ПИР элементы. Это увеличило чувствительность и помехозащищенность прибора. Но уменьшило расстояние уверенного распознавания нарушителя. Для решения этого приходится использовать прецизионную оптику.

Блок обработки сигналов

Главной задачей блока является надежное распознавание человека на фоне помех.

Они бывают самые разнообразные:

1. солнечное излучение;
2. искусственные ИК источники;
3. кондиционеры и холодильники;
4. животные;
5. конвекция воздуха;
6. электромагнитные помехи;
7. вибрация.

Блок обработки для анализа использует амплитуду, форму и длительность выходного сигнала пироэлектрического преобразователя. Воздействие нарушителя вызывает симметричный двухполярный сигнал. Помехи выдают несимметричные значения на обрабатывающий модуль. В простейшем варианте сравнивается амплитуда сигнала с пороговым значением.

При превышении порога извещатель сообщает об этом, подавая определенный сигнал на контрольную панель. В более сложных датчиках измеряется длительность превышения порога, количество этих превышений. Для повышения помехозащищенности прибора используется автоматическая термокомпенсация. Она обеспечивает постоянную чувствительность во всем диапазоне температур.

Обработка сигнала осуществляется аналоговыми и цифровыми устройствами. В новейших устройствах начали применять цифровые алгоритмы обработки сигнала, что позволило улучшить избирательность прибора.

Эффективность использования ИК извещателя в охранной сигнализации

От правильности выбора вида сенсора, расположения на объекте охраны во многом зависит его эффективность. Пассивные ИК датчики движения уличные и внутреннего применения реагируют на перемещения теплых по сравнению с фоном объектов при определенных скоростях перемещения. При маленькой скорости движения, изменения потоков инфракрасного излучения в соседних секторах настолько незначительны, что он воспринимается, как фоновый дрейф, и не реагирует на нарушение зоны охраны.

Если нарушитель облачится в защитный костюм с отличной теплоизоляцией, то ИК датчик движения не отреагирует, не будет нарушения баланса излучения в соседних зонах. Человек сольется с фоновым излучением.

Нарушитель двигается вдоль лучей извещателя движения с малой скоростью, в этом случае он нередко молчит.

Изменения потоков оказываются недостаточными для срабатывания устройства. Особенно свойственно извещателям с функцией защиты от животных. В них уменьшают чувствительность, чтобы избежать реакции на появления домашних питомцев.

Важно правильно установить инфракрасный датчик. Требуется по конфигурации здания применять устройство типа «шторка», следует так и делать. Производитель рекомендует монтаж прибора на определенной высоте, надо соблюсти и это.

Для повышения эффективности работы инфракрасных датчиков их применяют совместно с сенсорами, работающими на других принципах.

Обычно, дополнительно придается радиоволновой извещатель с высокой чувствительностью, что снижает процент ложных срабатываний и повышает надежность охранной сигнализации. При защите окон от проникновения дополнительно устанавливается ультразвуковой извещатель, реагирующий на разбитие стекла.

Заключение

Постепенно ИК датчики усложняются, повышается их чувствительность, улучшается избирательность. Сенсоры находят широкое распространение в системах «умный дом», видеонаблюдения, контроль доступа. Совместное использование с различными устройствами повысило потребительские свойства датчиков. Им уготована долгая жизнь.

Видео: Датчик движения, принцип работы

Для целей охраны имущества используется большая номенклатура разнообразных технических средств, среди которых особое место занимают охранные извещатели.

Охранные извещатели - это своего рода «чувствительные рецепторы» системы охранной сигнализации, которые призваны обнаружить преступника в охраняемом помещении, сформировать сигнал тревоги и передать его в охранную систему для принятия мер реагирования.

От того, какие извещатели используются в системе охраны офиса или квартиры, напрямую зависит безопасность имущества клиента, а в отдельных случаях - безопасность его жизни и здоровья.

Действие извещателей основано на использовании различных физических принципов. Можно выделить 2 основных типа извещателей:

1. Пассивные извещатели, которые сами не являются источниками волн различной физической природы (электромагнитных, акустических, пр.).

2. Активные извещатели, являющиеся источниками таких волн.

Очевидные преимущества пассивных извещателей - это их экологическая чистота и низкое энергопотребление. Однако в ряде случаев, в частности для повышения достоверности формируемого извещателем сигнала тревоги и минимизации числа ложных срабатываний, используют извещатели второго типа. При этом в современных извещателях, как правило, активный и пассивный способ работы совмещаются в одном приборе.

По физическому принципу действия извещатели можно подразделить на следующие группы.

Инфракрасные - извещатели, которые обнаруживают тепловое (инфракрасное) излучение человеческого тела и формируют сигнал тревоги в случае, когда источник теплового излучения движется.

Ультразвуковые - извещатели, излучающие ультразвуковые колебания и принимающие сигнал, отраженный от окружающих предметов. Формирование тревожного сигнала происходит в случае возникновения движения в контролируемой зоне.

Радиоволновые - извещатели, излучающие в диапазоне ультракоротких радиоволн. Их принцип работы аналогичен принципу ультразвуковых извещателей.

Барометрические - извещатели, формирующие сигнал тревоги при скачкообразном падении атмосферного давления в охраняемом помещении, которое может произойти в случае открытия двери или окна.

Акустические - извещатели, формирующие сигнал тревоги при регистрации в охраняемой зоне характеристического звука. Чаще всего это звук разбития оконного стекла.

Сейсмические - извещатели, устанавливаемые на стену или другую конструкцию и формирующие сигнал тревоги в случае регистрации в этой конструкции характеристических колебаний, возникающих при попытке разрушения преграды известными способами и инструментами (отбойный молоток, абразивный инструмент, газовый резак, «кислородное копье», взрывчатка, т.п.).

Инерционные - извещатели, в которых сигнал тревоги формируется с использованием инерционных свойств предметов и как правило при механическом воздействии на охраняемый объект, например автомобиль (покачивание, толчки). К группе инерционных относятся вибрационные и ударноконтактные извещатели.

Пьезоэлектрические - различные извещатели, использующие в своей работе пьезоэлектрические материалы, которые обладают свойством наведения разности потенциалов на противоположных сторонах пьезоэлектрического кристалла при его деформации. К пьезоэлектрическим относятся контактные извещатели контроля разбития стекла, извещатели контроля неподвижности установленных (скульптура) или подвешенных (картины) предметов и т.д.

Магнитоконтактные - извещатели, формирующие сигнал тревоги при размыкании геркона вследствие удаления от него магнитного элемента.

Устанавливаются как правило на окна и входные двери.

Электроконтактные - извещатели, которые формируют сигнал тревоги при размыкании электрического контакта. В настоящее время используются как правило в системах тревожной сигнализации и работают в ручном режиме.

Комбинированные - извещатели, которые сочетают в себе два или более физических принципа действия (инфракрасный и ультразвуковой, инфракрасный и радиоволновой, акустический и магнитоконтактный и пр.). Использование двух физических принципов действия зачастую позволяет повысить помехозащищенность извещателя, исключить ложные срабатывания.

Ультразвуковые и радиоволновые извещатели относятся к активному, а все остальные - к пассивному типу извещателей.

Кроме указанных существуют извещатели, использующие иные физические принципы действия: емкостные, индуктивные, электромагнитные и пр.

К изложенному необходимо добавить, что инфракрасные и радиоволновые извещатели могут быть однопозиционными (для контроля движения в определенном объеме) и двухпозиционными (для контроля движения через ограждение). Двухпозиционные извещатели состоят из конструктивно обособленных передатчика и приемника электромагнитных волн и используются для охраны периметров; формирование тревожного сигнала в них происходит при пересечении человеком инфракрасного или радиолуча. В данном случае мы имеем дело с активным инфракрасным извещателем.

В настоящей статье будут рассмотрены принцип работы и конструктивные особенности пассивных инфракрасных извещателей, которые по праву пользуются большой популярностью у потребителей и являются наиболее распространенными.

Пассивные инфракрасные извещатели предназначены для обнаружения человека, находящегося в пределах зоны чувствительности. Основная задача извещателя - обнаружить инфракрасное излучение человеческого тела. Как видно из рисунка 1, тепловое излучение человеческого тела находится в пределах спектрального диапазона электромагнитного излучения с длинами волн 8-12 микрон. Это так называемое равновесное свечение человеческого тела, максимум длины излучения которого полностью определяется температурой и для 37°С соответствует приблизительно 10 микронам. Существует целый ряд физических принципов и соответствующих устройств, которые применяются для регистрации излучения в указанном спектральном диапазоне. Для пассивных инфракрасных извещателей следует использовать чувствительный элемент с оптимальным соотношением чувствительность/стоимость. Таким чувствительным элементом является пироэлектрический фотоэлемент.

Рис. 1. Спектральная зависимость интенсивности свечения: солнца, флюоресцентной лампы, лампы накаливания, человеческого тела и спектра пропускания ряда блокирующих видимый свет фильтров: кремниевый фильтр, просветленный кремниевый фильтр, фильтр с длиной волны среза 5 мкм и фильтр с длиной волны среза 7 мкм.

Явление пироэлектричества состоит в возникновении наведенной разности потенциалов на противоположных сторонах пироэлектрического кристалла при его неравновесном кратковременном нагревании. Со временем электрические заряды из внешних электрических цепей и перераспределение зарядов внутри кристалла приводят к релаксации наведенного потенциала. Из вышесказанного следует:

частота прерывания (Гц).

Рис. 2. Зависимость величины сигнала отклика пироэлемента от частоты прерывания регистрируемого теплового ИК-сигнала.

1. Для эффективной пироэлектрической регистрации теплового излучения необходимо применять прерыватель с оптимальной частотой прерывания излучения около 0,1 Гц (рис. 2). С другой стороны это означает, что если используется безлинзовая конструкция пироэлектрического элемента, он сможет зарегистрировать человека лишь при его входе в пределы диаграммы направленности (рис. 3, 4) и при выходе из нее со скоростью 1 - 10 сантиметров в секунду.

Рис. 3, 4. Форма диаграммы направленности спаренного корпусированного пироэлектрического элемента в горизонтальной (Рис. 3.) и вертикальной (Рис. 4.) плоскостях.

2. Для повышения чувствительности пироэлектрического элемента к величине перепада температур (разница между фоновой температурой и температурой тела человека) необходимо сконструировать его, выдержав минимально возможные размеры, с целью уменьшения количества тепла, необходимого для заданного повышения температуры чувствительного элемента. Размеры чувствительного элемента нельзя чрезмерно уменьшать, так как это приведет к ускорению релаксационных характеристик, что эквивалентно уменьшению чувствительности. Существует оптимальный размер. Минимальная чувствительность обычно находится на уровне 0,1°С для пироэлемента размером 1 х 2 мм и толщиной несколько микрон.

3. Для повышения термостабильности работы извещателя и отсечки влияния медленно меняющейся температуры окружающей среды чувствительный элемент изготавливается в виде парной конструкции электрически встречно включенных элементов, расположенных на общей подложке. Внешний вид чувствительного пироэлемента приведен на рис. 5. Как видно из рисунка, чувствительный элемент изготавливается в типовом корпусе обычного полупроводникового электронного элемента. В корпусе формируется окно из материала, не пропускающего извне излучения с длиной волны менее 1 - 7 микрон в зависимости от типа используемого фильтрующего материала (см. рис. 1). Мировым лидером по производству пироэлектрических элементов является фирма HAMAMATSU (Япония). В Украине пироэлементы производит СКТБ Института физики НАН Украины.

Рис. 5. Внешний вид чувствительного элемента пироэлектрического пассивного ИК-извещателя.

Можно четко сформулировать условия обнаружения человека с помощью инфракрасного извещателя. Инфракрасный извещатель предназначен для обнаружения движущихся объектов с температурой, отличной от фонового значения. Диапазон регистрируемых скоростей перемещения: 0,1 - 1,5 м/сек. Таким образом инфракрасный извещатель не регистрирует неподвижные объекты, даже если их температура превышает уровень фона (неподвижный человек) или если объект с температурой, отличной от фона, перемещается таким образом, что не пересекает чувствительных зон извещателя (например перемещается вдоль чувствительной зоны).

Естественно, что высокая чувствительность инфракрасного извещателя достигается путем применения линзовой системы концентрации входящего излучения (рис. 6). В инфракрасном извещателе линзовая система выполняет две функции.

Рис. 6. Варианты формирования диаграммы направленности ИК-извещателей в зависимости от типа линзовой системы.

Во-первых, линзовая система служит для фокусировки излучения на пироэлектрическом элементе.

Во-вторых, она предназначена для пространственного структурирования чувствительности извещателя. При этом формируются пространственные зоны чувствительности, которые как правило имеют форму «лепестков», а их количество достигает нескольких десятков. Объект обнаруживается при каждом входе и выходе из чувствительных зон.

Обычно различают следующие виды диаграммы чувствительности, которую называют также диаграммой направленности.

1). Стандартная - веерная по азимуту и многоярусная по углу места (рис. 6а).

2). Узконаправленная - одно- или двухлучевая дальнодействующая по азимуту и многоярусная по углу места (рис. 6б).

3). Штороподобная - узконаправленная по азимуту и веероподобная по углу места (рис. 6в).

Существует также круговая диаграмма направленности (в частности, для извещателей, устанавливаемых на потолке помещения), а также ряд других.

Рассмотрим варианты конструктивного исполнения системы формирования диаграммы направленности (рис. 7). Эта оптическая система может быть либо линзовой, либо зеркальной. Изготовление обычной линзовой системы с учетом требования формирования пространственно структурированной диаграммы направленности является дорогостоящей задачей, поэтому обычные линзы в пассивных инфракрасных датчиках не применяются. Применяются так называемые линзы Френеля. В обычной линзе для направленного отклонения света (фокусировки) используется специальная сферическая форма поверхности, материал линзы имеет коэффициент оптического преломления, отличный от коэффициента преломления окружающей среды. В линзе Френеля используется явление дифракции, которое проявляется в частности в отклонении светового луча при прохождении через узкую щель. Линза Френеля изготавливается методом штамповки и поэтому стоит дешево. Недостатком применения линзы Френеля является неизбежная потеря половины энергии излучения в результате его дифракционного отклонения линзой в направлении, отличном от направления на пироэлектрический элемент.

Рис. 7. Конструктивные варианты исполнения охранных пассивных ИК-извещателей: с линзой Френеля и с зеркальной фокусирующей системой.

Зеркальная линза более эффективна по сравнению с линзой Френеля. Она изготавливается из пластической массы методом штамповки с последующим покрытием структурированной поверхности светоотражающим покрытием, не изменяющим своих свойств со временем (до 10 лет). Наилучшим покрытием является золото. Отсюда и более высокая, приблизительно в два раза, стоимость пассивных инфракрасных извещателей с зеркальной системой по сравнению с линзовой. Кроме того извещатели с зеркальной системой имеют большие габариты по сравнению с извещателями, оснащенными линзами Френеля.

Зачем применяют более дорогие извещатели с зеркальной системой концентрации входящего излучения? Важнейшей характеристикой извещателя является его чувствительность. Чувствительность практически одинакова в перерасчете на единицу площади входного окна извещателя. Это, в частности, означает, что если проектируют пассивный инфракрасный извещатель с повышенной чувствительностью, то вынуждены увеличивать размер зоны концентрации излучения - площадь входного окна, а, значит, и сам извещатель (максимальная чувствительность современных пассивных ИК-извещателей позволяет производить обнаружение человека на расстоянии до 100 метров). Если положить наличие потерь полезного сигнала за счет несовершенства линзы, то необходимо повысить коэффициент усиления электронной схемы обработки электрического сигнала, формируемого чувствительным элементом. При условии одинаковой чувствительности коэффициент усиления электрической схемы в зеркальном извещателе в два раза меньше, чем в извещателе с линзой Френеля. Это обозначает, что в извещателях с линзой Френеля выше вероятность ложного срабатывания, вызванная помехами в электронной схеме.

Еще раз вернемся к оптической схеме извещателя. Кроме линзовой системы и оптического «отрезающего» фильтра, установленного непосредственно в корпусе чувствительного элемента, для уменьшения ложных срабатываний, вызванных всевозможными источниками излучения, применяют различные оптические фильтрующие элементы («белый» фильтр, «черное» зеркало и т.п.), задача которых минимизировать попадание постороннего оптического излучения на поверхность пиро-электрического элемента.

Входное окно большинства ИК-извещателей выполнено в виде «белого» фильтра. Этот фильтр изготовлен из материала, рассеивающего видимый свет, но в то же время не влияющего на распространение инфракрасного излучения.

В извещателях с зеркальной системой концентрации входящего излучения дополнительный поглощающий фильтр размещается непосредственно на зеркале. Такое зеркало отлично отражает ИК-излучение и эффективно поглощает видимую часть спектра. Внешне оно имеет черный цвет, поскольку не отражает видимый свет, и поэтому называется «черным» зеркалом. Использование дополнительного, по отношению к непосредственно размещаемому на корпусе светочувствительного элемента, поглощающего фильтра позволяет уменьшить тепловую нагрузку на чувствительный элемент от поглощенной энергии падающего на него излучения, поскольку дополнительный поглощающий фильтр и чувствительный пироэлемент пространственно разнесены.

Совершенствуются и линзы Френеля. Прежде всего путем придания линзе сферической формы, минимизирующей аберрации по сравнению со стандартной цилиндрической формой. Кроме этого применяется дополнительное структурирование диаграммы направленности в вертикальной плоскости за счет мультифокусной геометрии линзы: в вертикальном направлении линза разделена на три сектора, каждый из которых независимо собирает излучение на один и тот же чувствительный элемент.

Весьма актуальной является проблема противодействия физическому экранированию извещателя, которое сводится к установке перед ним экрана, перекрывающего его «поле зрения» (так называемое «маскирование»). Технические средства противодействия маскированию составляют систему антимаскирования извещателя. Некоторые извещатели оснащаются встроенными ИК- светодиодами. В случае, если в зоне обнаружения извещателя, а следовательно в зоне действия светодиодов, возникает преграда, то отражение излучения светодиодов от преграды воспринимается извещателем как сигнал тревоги. Более того, периодически (в существующих моделях - один раз в 5 часов) происходит самотестирование извещателя на предмет наличия отраженного излучения ИК-светодиодов. В том случае, если при самотестировании на выходе электрической схемы не появится необходимый сигнал, то срабатывает схема генерации сигнала тревоги. Извещатели с функциями антимаскирования и самотестирования устанавливаются на наиболее ответственных объектах, в частности там, где возможно противодействие работе системы охраны.

Еще один путь повышения помехоустойчивости извещателя - это применение квадратичного чувствительного пироэлемента совместно с использованием микропроцессорной обработки сигнала. Разные фирмы решают проблему создания квадратичного элемента различным образом. Например фирма «OPTEX» применяет два обычных сдвоенных пироэлемента, расположенных рядом. Основная задача системы - выделить и «отсеять» события, вызванные одновременной засветкой обоих пироэлементов (например свет фар) или электрической помехой.

Фирма «ADEMCO» применяет специальную конструкцию счетверенного пироприемника, где четыре чувствительных элемента расположены в одном корпусе. При этом встречно включены пироэлементы, расположенные как в горизонтальной плоскости, так и в вертикальной. Такой извещатель не будет реагировать на мелких животных (мыши, крысы), которые зачастую бывают в складских помещениях и являются одной из причин ложных срабатываний (рис. 8). Использование разнополярного подключения чувствительных элементов в таком извещателе делает невозможным «шумовое» ложное срабатывавние.

Рис. 8. Работа многоканальной системы селекции шумовых импульсов на примере работы квадратичного охранного пассивного ИК-извещателя.

Фирма «ADEMCO» настолько уверена в совершенстве разработанного ею квадратичного извещателя, что объявила о выплате премии, если обладатель извещателя зафиксирует его ложное срабатывание.

Еще одной мерой предосторожности является применение проводящих пленочных покрытий, наносимых на внутреннюю поверхность входного окна для противодействия радиочастотным помехам.

Эффективным методом повышения помехоустойчивости извещателей является применение так называемой «двойной технологии», которая заключается в использовании комбинированного извещателя, реализующего пассивный инфракрасный и активный радиоволновой (иногда - ультразвуковой) принципы действия.

Радиоволновой (ультразвуковой) блок фиксирует наличие допплеровского сдвига в частотном спектре отраженного радиосигнала (ультразвука), обусловленного движением объекта. Применение таких извещателей наиболее эффективно при последующей микропроцессорной обработке поступающих сигналов. Эти извещатели не рекомендуется применять в помещениях, где находятся люди, так как излучение оказывает вредное влияние на здоровье.

Извещатели «двойной технологии» используются при охране помещений, в которых имеются небольшие домашние животные: кошки, собаки, - а также при наличии в охраняемом помещении периодически включаемых неподвижных теплоизлучающих устройств: факсимильный аппарат, калорифер, вентилятор и т.п.

Мы рассмотрели основы работы и конструкцию пассивных инфракрасных охранных извещателей. В целом все конструктивные ухищрения, применяемые теми или иными фирмами, имеют одну цель - уменьшить вероятность ложного срабатывания извещателя, поскольку ложное срабатывание ведет к неоправданным затратам на реагирование по тревоге, а также влечет моральный ущерб для владельца охраняемого имущества.

Извещатели постоянно совершенствуются. На современном этапе основными направлениями совершенствования извещателей является повышение их чувствительности, уменьшение числа ложных срабатываний, дифференциация подвижных объектов по признаку санкционированного или несанкци-онированного пребывания в зоне обнаружения.

Как источник электрического сигнала, каждый чувствительный пироэлемент является также источником случайных шумовых сигналов. Поэтому актуальной является задача минимизации флуктуационных помех, решаемая схемотехническим путем. Используются разные методы борьбы с шумами.

Во-первых, в извещателе устанавливаются электронные дискриминаторы входного сигнала по верхнему и нижнему уровню, что минимизирует частоту появления помехи (рис. 9).

Рис. 9. Пороговая система двухстороннего ограничения уровня шумового сигнала охранного пассивного ИК-извещателя.

Во-вторых, применяется режим синхронного учета импульсов, поступающих по обоим оптическим каналам. Причем схема составляется таким образом, что полезный оптический сигнал на входе приводит к появлению положительного электрического импульса по одному каналу и отрицательного по другому. На выходе применяется схема вычитания. Если источником сигнала является шумовой электрический сигнал - он будет идентичен для двух каналов и на выходе результирующий сигнал будет отсутствовать. Если источником сигнала является оптический сигнал, то выходной сигнал будет суммироваться.

В третьих, применяется метод счета импульсов. Сущность этого метода состоит в том, что одиночный сигнал регистрации объекта не приводит к формированию сигнала тревоги, а устанавливает извещатель в так называемое «предтревожное состояние». Если в течении определенного времени (на практике это - 20 секунд) повторно не поступит сигнал регистрации объекта, происходит сброс предтревожного состояния извещателя (рис. 10).

Рис. 10. Работа системы счетчика импульсов.

Как правило все извещатели требуют подключения электрического питания 12 В постоянного тока. Ток потребления типового извещателя находится в пределах 15 - 40 мА. Сигнал тревоги формируется и передается на охранную централь посредством выходного реле с нормально замкнутыми контактами.

Промышленностью выпускаются извещатели для установки в помещении, а также на открытых площадках; последние имеют соответствующее климатическое исполнение. Типовой срок службы пассивных инфракрасных извещателей - 5 - 6 лет.

Разница между активными и пассивными инфракрасными датчиками

Инфракрасные датчики с каждым днем находят все большее распространение. Осознаете ли вы это или нет, но вы, вероятно, использовали инфракрасный (ИК) датчик в своей жизни не раз. Большинство из нас переключают телевизионные каналы с помощью пульта дистанционного управления, который излучает ИК свет, и многие из нас проходят через датчики безопасности, которые обнаруживают движение через инфракрасное излучение.

Производители широко используют ИК-датчики, и вы, вероятно, видели их на работе в автоматизированных гаражных воротах. На сегодняшний день выделяют два типа инфракрасных датчиков – активные и пассивные. В данном материале мы расскажем о различиях между активными и пассивными ИК-датчиками и их областями применения.

Принцип работы ИК-датчика прост. В стандартном ИК-датчике излучатель отправляет невидимый свет на приемник, находящийся на некотором расстоянии. Если приемник не получает сигнал, датчик указывает, что объект находится между ними. Но чем же именно отличаются пассивные и активные датчики?

Вы можете предположить, что пассивные ИК-датчики менее сложны, чем их активные коллеги, но вы ошибаетесь. Функциональность пассивного ИК-датчика может быть сложнее понять. Во-первых, все (люди, животные, даже неодушевленные объекты) излучают определенное количество ИК-излучения. ИК-излучение, которое они испускают, связано с теплом и материальным составом тела или объекта. Люди не могут видеть ИК, но люди разработали электронные устройства обнаружения, чтобы регистрировать эти невидимые сигналы.

Пассивные ИК-датчики (PIR-датчики) используют пару пироэлектрических сенсоров для определения тепловой энергии в окружающей среде. Эти два сенсора установлены рядом друг с другом, и когда разность сигналов между ними изменяется (например, если человек входит в комнату), датчик включается. ИК-излучение фокусируется на каждом из двух пироэлектрических сенсоров, используя серию объективов, сконструированных как корпус датчика. Эти линзы расширяют зону восприятия устройства.

В то время как установка объектива и электроника датчика являются сложной технологией, эти устройства просты в использовании в практическом применении. Вам нужен только источник питания и линия заземления, чтобы датчик выдавал дискретный выход, который достаточно силен для использования микроконтроллером. Типичные настройки включают в себя добавление потенциометров для регулирования чувствительности и настройки времени, в течение которого PIR остается включенным после его срабатывания.

Вы обычно будете встречать PIR-датчики в охранных сигнализациях и системах автоматического освещения. Эти приложения не требуют, чтобы датчик обнаруживал конкретное местоположение объекта, он просто обнаруживает движущиеся объекты или людей в определенной области.

Хотя PIR-датчики превосходны для своих задач, если вы хотите обнаружить движение в целом, но они не дадут вам больше информации об объекте. Чтобы узнать больше, вам понадобится активный ИК-датчик. Для настройки активного ИК-датчика требуется как излучатель, так и приемник, но этот метод измерения проще, чем его пассивный аналог. Вот как активный ИК работает на базовом уровне. ИК-излучатель выдает луч света, обращенный к встроенному приемнику. Если ничего не мешает, приемник видит сигнал. Если приемник не видит ИК-луч, он обнаруживает, что объект находится между излучателем и приемником и, следовательно, тот присутствует в контролируемой области.

Один вариант стандартного активного ИК-датчика использует излучатель и приемник, обращенные в одном направлении. Оба установлены очень близко друг к другу, чтобы приемник мог обнаружить отражение излучения от объекта, когда он входит в область. Фиксированный рефлектор отправляет сигнал обратно. Этот метод реплицирует установку отдельных блоков излучателя и приемника, но без необходимости установки удаленного электрического компонента. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки на основе материала, который датчик будет обнаруживать, и других конкретных обстоятельств.

Активные ИК-датчики очень распространены в промышленных условиях. В этих приложениях пара излучателей и приемников может точно отметить, находится ли объект, например, в определенном положении на конвейере. Вы также можете найти активные инфракрасные датчики в системах безопасности гаражных ворот, которые предотвращают травмы или механический сбой из-за препятствий на пути двери. Независимо от вашего приложения, имеется множество инфракрасных датчиков, доступных в пассивных и активных конфигурациях в соответствии с вашими потребностями.