Введение
Электронный датчик, измеряющий инфракрасный свет.
Пассивный инфракрасный датчик (PIR-датчик) — это электронный датчик, измеряющий инфракрасный (ИК) свет, излучаемый объектами в поле его зрения. Чаще всего они используются в детекторах движения на основе PIR. Датчики PIR обычно применяются в системах безопасности и автоматическом освещении. Датчики PIR обнаруживают общее движение, но не предоставляют информации о том, кто или что именно переместилось. Для этого требуется ИК-датчик формирования изображения. Датчики PIR обычно называют просто "PIR", а иногда "PID" (пассивный инфракрасный детектор). Термин "пассивный" указывает на то, что устройства PIR не излучают энергию для целей обнаружения, а работают исключительно за счет обнаружения инфракрасного излучения (теплового излучения), испускаемого или отражаемого объектами.
Принципы работы
Все объекты с температурой выше абсолютного нуля излучают тепловую энергию в форме электромагнитного излучения. Обычно это излучение невидимо для человеческого глаза, поскольку оно испускается в инфракрасном диапазоне, но его можно обнаружить с помощью электронных приборов, разработанных для этой цели.
Датчик движения на основе PIR
Датчик движения на основе PIR используется для обнаружения движения людей, животных или других объектов. Они широко применяются в охранных сигнализациях и системах автоматического включения освещения.
Операция
Датчик PIR может обнаруживать изменения в количестве инфракрасного излучения, падающего на него, которое меняется в зависимости от температуры и характеристик поверхности объектов перед датчиком. Когда объект, например человек, проходит перед фоном, например стеной, температура в этой точке в поле зрения датчика повышается от комнатной до температуры тела, а затем возвращается к исходному значению. Датчик преобразует полученное изменение входящего инфракрасного излучения в изменение выходного напряжения, что и запускает обнаружение. Объекты с близкой температурой, но различными характеристиками поверхности, также могут иметь отличный паттерн инфракрасного излучения, и, следовательно, их перемещение относительно фона также может активировать детектор. PIR-датчики выпускаются в различных конфигурациях для широкого спектра применений. Наиболее распространенные модели оснащены множеством линз Френеля или зеркальных сегментов, имеют эффективную дальность около 10 метров (30 футов) и поле зрения менее 180°. Доступны модели с более широким полем зрения, включая 360°, которые обычно предназначены для потолочного монтажа. Некоторые большие PIR-датчики изготавливаются с односегментными зеркалами и способны регистрировать изменения инфракрасной энергии на расстоянии более 30 метров (100 футов) от датчика. Также существуют PIR-датчики, оснащенные зеркалами с возможностью изменения ориентации, которые обеспечивают либо широкое покрытие (110°), либо узкое "шторное" покрытие, либо отдельные сегменты для настройки зоны обнаружения.
Дифференциальное обнаружение
Пара сенсорных элементов может быть подключена к дифференциальному усилителю как противоположные входы. В такой конфигурации показания PIR взаимно компенсируются, что позволяет исключить среднюю температуру поля зрения из электрического сигнала; увеличение ИК-излучения по всей площади сенсора самокомпенсируется и не приведет к срабатыванию устройства. Это обеспечивает устойчивость устройства к ложным срабатываниям при кратковременных вспышках света или общем освещении поля зрения. (Длительное воздействие высокой энергии все же может насытить материалы сенсора и сделать его неспособным регистрировать дальнейшие изменения.) Одновременно, такая дифференциальная схема минимизирует синфазные помехи, повышая устойчивость устройства к срабатыванию из-за близлежащих электрических полей. Однако в данной конфигурации дифференциальная пара сенсоров не может измерять температуру и, следовательно, полезна только для обнаружения движения.
Практическое применение
Когда датчик PIR настроен на дифференциальный режим, он становится особенно эффективным в качестве детектора движения. В этом режиме, при обнаружении движения в "линии видимости" датчика, на выходном контакте датчика обрабатывается пара комплементарных импульсов. Для использования этого выходного сигнала для практического включения нагрузки, такой как реле, регистратор данных или сигнализация, дифференциальный сигнал выпрямляется мостовым выпрямителем и подается на транзисторную схему управления реле. Контакты этого реле замыкаются и размыкаются в ответ на сигналы от PIR, активируя подключенную нагрузку через эти контакты и подтверждая обнаружение человека в заданной ограниченной области.
Конструкция продукта
Датчик PIR обычно монтируется на печатной плате, содержащей необходимую электронику для обработки сигналов от самого датчика. Вся конструкция обычно помещается в корпус, который устанавливается в месте, обеспечивающем датчику обзор контролируемой области. Корпус обычно имеет пластиковое "окно", через которое проникает инфракрасное излучение. Хотя видимый свет может проходить через это окно лишь частично, инфракрасная энергия способна достигать датчика, поскольку используемый пластик прозрачен для инфракрасного излучения. Пластиковое окно снижает вероятность попадания посторонних предметов (пыли, насекомых, дождя и т.п.), которые могут заслонить поле зрения датчика, повредить механизм и/или вызвать ложные срабатывания. Окно может также служить фильтром, ограничивающим диапазон длин волн до 8-14 микрометров, что соответствует спектру инфракрасного излучения, испускаемого человеком. Кроме того, оно может выполнять функцию фокусировки; см. ниже.
Сосредоточение
Различные механизмы могут быть использованы для фокусировки энергии дальнего инфракрасного диапазона на поверхность датчика.
Линзы
Пластиковое покрытие окна может иметь множество граней, отформованных для фокусировки инфракрасного излучения на датчик. Каждая отдельная грань является линзой Френеля.
Зеркала
Некоторые PIR-датчики изготавливаются с внутренними сегментированными параболическими зеркалами для фокусировки инфракрасного излучения. Если используются зеркала, пластиковое окно обычно не имеет формованных линз Френеля.
Схема луча
В результате фокусировки, поле зрения детектора фактически представляет собой диаграмму направленности. Под определенными углами (зонами) PIR-сенсор получает почти нулевую энергию излучения, а под другими углами – концентрированное количество инфракрасной энергии. Это разделение помогает датчику движения различать общее освещение фона и движущиеся объекты. Когда человек перемещается из одной зоны (луча) в другую, детектор видит движущегося человека лишь периодически. Это приводит к быстро изменяющемуся сигналу датчика, который электроника использует для запуска тревоги или включения освещения. Медленно изменяющийся сигнал электроника игнорирует. Количество, форма, распределение и чувствительность этих зон определяются линзой и/или зеркалом. Производители стремятся создать оптимальную диаграмму направленности с максимальной чувствительностью для каждого применения.
Приложения автоматического освещения
При использовании в составе системы освещения, электроника в PIR обычно управляет встроенным реле, способным коммутировать сетевое напряжение. Это означает, что PIR можно настроить для включения светильников, подключенных к PIR, при обнаружении движения. Чаще всего это используется в наружных условиях либо для предотвращения преступлений (охранное освещение), либо для практических целей, например, для автоматического включения света у входной двери, чтобы можно было найти ключи в темноте. Дополнительные области применения включают общественные туалеты, кладовые, коридоры или любые другие места, где полезно автоматическое управление освещением. Это позволяет экономить энергию, поскольку свет включается только при необходимости и не зависит от того, вспомнят ли пользователи выключить его при выходе.
Приложения безопасности
При использовании в составе системы безопасности, электроника в PIR обычно управляет небольшим реле. Это реле замыкает цепь между парой электрических контактов, подключенных к зоне обнаружения вторжения на панели управления охранной сигнализации. Система обычно сконструирована таким образом, что при отсутствии движения контакт реле замкнут – это "нормально замкнутое" (NC) реле. При обнаружении движения реле размыкает цепь, вызывая срабатывание сигнализации; или, если провод отсоединен, сигнализация также сработает.
Размещение
Производители рекомендуют тщательно размещать свои устройства, чтобы предотвратить ложные срабатывания (то есть любое обнаружение, не вызванное нарушителем). Они предлагают монтировать ПИР-датчики таким образом, чтобы они не могли "видеть" сквозь окно. Хотя длина волны инфракрасного излучения, к которой чувствительны чипы, плохо проникает через стекло, сильный источник инфракрасного излучения (например, фары автомобиля или солнечный свет) может перегрузить датчик и вызвать ложную тревогу. Человек, движущийся по другую сторону стекла, не будет "замечен" ПИР-датчиком. Это может быть хорошо для окна, выходящего на оживленную улицу, и плохо для окна во внутренней перегородке. Также рекомендуется не размещать ПИР-датчик в таком положении, чтобы вентиляционное отверстие системы отопления, вентиляции и кондиционирования (ОВКВ) направляло поток горячего или холодного воздуха на поверхность пластика, закрывающего смотровое окно корпуса. Хотя воздух имеет очень низкую излучательную способность (излучает очень мало инфракрасной энергии), поток воздуха, направленный на пластиковую крышку смотрового окна, может изменить температуру пластика настолько, чтобы спровоцировать ложную тревогу. Датчики также часто проектируются таким образом, чтобы "игнорировать" домашних животных, таких как собаки или кошки, путем установки более высокого порога чувствительности или обеспечения того, чтобы пол в помещении оставался вне фокуса. Поскольку дальность действия ПИР-датчиков достигает 10 метров (30 футов), для помещений с единственным входом обычно достаточно одного детектора, установленного рядом с входом. Системы безопасности на основе ПИР-датчиков также применимы для наружной охраны и освещения, реагирующего на движение; одним из преимуществ является их низкое энергопотребление, позволяющее использовать их с питанием от солнечной энергии.
Термометр на удаленной основе PIR
Были реализованы конструкции, в которых схема PIR измеряет температуру удалённого объекта. В такой схеме используется недифференциальный выходной сигнал PIR. Выходной сигнал оценивается на основе калибровки по ИК-спектру конкретного типа вещества, подлежащего наблюдению. Это позволяет получать относительно точные и надёжные измерения температуры на расстоянии. Без калибровки под тип наблюдаемого материала, устройство PIR-термометр способно измерять изменения инфракрасного излучения, которые напрямую соответствуют изменениям температуры, однако вычислить абсолютные значения температуры невозможно.