Pasywny czujnik podczerwieni - Passive infrared sensor

Typowy mieszkaniowy/komercyjny czujnik ruchu PIR (PID).

Pasywny czujnik podczerwieni ( czujnik PIR ) jest elektroniczny czujnik , że środki w podczerwieni (IR) światła emitowanego z przedmiotów w polu widzenia. Najczęściej stosowane są w czujkach ruchu na bazie PIR . Czujniki PIR są powszechnie stosowane w alarmach bezpieczeństwa i automatycznych aplikacjach oświetleniowych.

Czujniki PIR wykrywają ogólny ruch, ale nie dają informacji o tym, kto lub co się poruszał. W tym celu wymagany jest czujnik obrazujący IR .

Czujniki PIR są powszechnie nazywane po prostu „PIR” lub czasami „PID”, co oznacza „pasywny detektor podczerwieni”. Termin pasywny odnosi się do faktu, że urządzenia PIR nie emitują energii do celów wykrywania. Działają całkowicie poprzez wykrywanie promieniowania podczerwonego (ciepła promieniowania) emitowanego przez obiekty lub odbitego od obiektów.

Zasady działania

Wszystkie obiekty o temperaturze powyżej zera bezwzględnego emitują energię cieplną w postaci promieniowania elektromagnetycznego. Zazwyczaj promieniowanie to nie jest widoczne dla ludzkiego oka, ponieważ promieniuje w zakresie fal podczerwonych, ale może być wykryte przez urządzenia elektroniczne zaprojektowane do tego celu.

Czujka ruchu na bazie PIR

Czujka ruchu PIR służąca do sterowania zewnętrznym, automatycznym oświetleniem.
Pułapka kamera z czujnikiem ruchu PIR.
Wewnętrzny włącznik światła wyposażony w czujnik obecności oparty na PIR

Czujnik ruchu oparty na PIR służy do wykrywania ruchu ludzi, zwierząt lub innych obiektów. Są powszechnie stosowane w alarmach antywłamaniowych i automatycznie uruchamianych systemach oświetleniowych .

Operacja

Czujnik PIR może wykrywać zmiany w ilości padającego na niego promieniowania podczerwonego, które zmienia się w zależności od temperatury i charakterystyki powierzchni obiektów znajdujących się przed czujnikiem. Gdy obiekt, na przykład osoba, przechodzi przed tłem, na przykład ścianą, temperatura w tym punkcie pola widzenia czujnika wzrośnie z temperatury pokojowej do temperatury ciała , a następnie z powrotem. Czujnik przekształca powstałą zmianę w przychodzącym promieniowaniu podczerwonym na zmianę napięcia wyjściowego, co wyzwala detekcję. Obiekty o podobnej temperaturze, ale różnej charakterystyce powierzchni mogą mieć również inny wzorzec emisji podczerwieni, a zatem przesuwanie ich względem tła może również wyzwolić detektor.

Czujniki PIR są dostępne w wielu konfiguracjach do szerokiej gamy zastosowań. Najpopularniejsze modele mają liczne soczewki Fresnela lub segmenty lustra, efektywny zasięg około 10 metrów (30 stóp) i pole widzenia mniejsze niż 180°. Dostępne są modele o szerszym polu widzenia, w tym 360°, zazwyczaj przeznaczone do montażu na suficie. Niektóre większe czujniki PIR są wykonane z luster jednosegmentowych i mogą wykrywać zmiany energii podczerwonej w odległości ponad 30 metrów (100 stóp) od czujnika PIR. Istnieją również czujniki PIR zaprojektowane z odwracalnymi lustrami orientującymi, które umożliwiają szerokie pokrycie (szerokość 110 °) lub bardzo wąskie pokrycie „zasłoną”, lub z indywidualnie wybieranymi segmentami do „kształtowania” pokrycia.

Wykrywanie różnicowe

Pary elementów czujnikowych mogą być podłączone jako przeciwległe wejścia do wzmacniacza różnicowego . W takiej konfiguracji pomiary PIR znoszą się wzajemnie tak, że średnia temperatura pola widzenia jest usuwana z sygnału elektrycznego; wzrost energii IR w całym czujniku powoduje samoczynne anulowanie i nie uruchamia urządzenia. Pozwala to urządzeniu oprzeć się fałszywym wskazaniom zmian w przypadku narażenia na krótkie błyski światła lub oświetlenie w całym polu. (Ciągła ekspozycja na wysoką energię może nadal być w stanie nasycić materiały czujnika i uniemożliwić czujnikowi rejestrowanie dalszych informacji.) Jednocześnie ten różnicowy układ minimalizuje zakłócenia w trybie wspólnym , dzięki czemu urządzenie opiera się wyzwalaniu z powodu pobliskich pól elektrycznych . Jednak para czujników różnicowych nie może mierzyć temperatury w tej konfiguracji i dlatego jest przydatna tylko do wykrywania ruchu.

Praktyczna realizacja

Kiedy czujnik PIR jest skonfigurowany w trybie różnicowym, staje się szczególnie przydatny jako urządzenie wykrywające ruch. W tym trybie, gdy ruch zostanie wykryty w „linii wzroku” czujnika, na styku wyjściowym czujnika przetwarzana jest para uzupełniających się impulsów. W celu zaimplementowania tego sygnału wyjściowego do praktycznego wyzwalania obciążenia, takiego jak przekaźnik lub rejestrator danych , lub alarmu urządzenia alarmowego , sygnał różnicowy jest prostowany za pomocą prostownika mostkowego i podawany do tranzystorowego obwodu sterującego przekaźnikiem. Styki tego przekaźnika zamykają się i otwierają w odpowiedzi na sygnały z czujnika PIR, aktywując dołączone obciążenie na jego stykach, potwierdzając wykrycie osoby w określonym obszarze o ograniczonym dostępie.

Projekt produktu

Czujnik PIR jest zwykle montowany na płytce drukowanej zawierającej niezbędną elektronikę wymaganą do interpretacji sygnałów z samego czujnika. Cały zespół jest zwykle umieszczony w obudowie zamontowanej w miejscu, w którym czujnik może pokryć monitorowany obszar.

Konstrukcja czujnika ruchu PIR

Obudowa będzie zwykle miała plastikowe „okno”, przez które może wejść energia podczerwona. Mimo że często jest przepuszczalny tylko dla światła widzialnego, energia podczerwona jest w stanie dotrzeć do czujnika przez okienko, ponieważ zastosowany plastik jest przezroczysty dla promieniowania podczerwonego. Plastikowe okienko zmniejsza ryzyko zasłaniania pola widzenia czujnika, uszkodzenia mechanizmu i/lub wywoływania fałszywych alarmów przez ciała obce (kurz, owady, deszcz itp.) . Okno może służyć jako filtr, ograniczający długości fal do 8-14 mikrometrów, czyli najbardziej zbliżony do promieniowania podczerwonego emitowanego przez człowieka. Może również służyć jako mechanizm ogniskowania; patrz poniżej.

Skupienie

Do skupienia odległej energii podczerwieni na powierzchni czujnika można zastosować różne mechanizmy.

Soczewki

Plastikowa osłona okienka może mieć wiele uformowanych ścianek, aby skupiać energię podczerwieni na czujniku. Każda pojedyncza fasetka jest soczewką Fresnela .

  • Soczewka Multi-Fresnela typu PIR

  • Obudowa czujki ruchu PIR z cylindrycznym, fasetowanym okienkiem. Animacja podkreśla poszczególne aspekty, z których każdy jest soczewką Fresnela, skupiającą światło na elemencie czujnika znajdującym się pod spodem.

  • Tylko przednia pokrywa PIR (z usuniętą elektroniką), z punktowym źródłem światła z tyłu, aby pokazać poszczególne soczewki.

  • PIR ze zdjętą przednią osłoną, pokazujący lokalizację czujnika piroelektrycznego (zielona strzałka).

Lustra

Niektóre czujniki PIR są produkowane z wewnętrznymi segmentowymi lustrami parabolicznymi, które skupiają energię podczerwieni. Tam, gdzie używane są lustra, plastikowa osłona okienna na ogół nie ma uformowanych soczewek Fresnela.

  • Segmentowe lustro typu PIR

  • Typowy PID mieszkaniowy/komercyjny wykorzystujący wewnętrzne zwierciadło segmentowe do ustawiania ostrości.

  • Osłona zdjęta. Segmentowe lustro na dole, nad nim płytka PC (obwód drukowany).

  • Płytka drukowana usunięta, aby pokazać segmentowe lustro.

  • Segmentowe lustro paraboliczne usunięte z obudowy.

  • Tył płytki drukowanej, który jest skierowany w stronę lustra, gdy jest na miejscu. Czujnik piroelektryczny oznaczony zieloną strzałką.

Wzór wiązki

W wyniku ogniskowania widok detektora jest w rzeczywistości wzorem wiązki. Pod pewnymi kątami (strefami) czujnik PIR prawie nie otrzymuje energii promieniowania, a pod innymi kątami czujnik PIR odbiera skoncentrowane ilości energii podczerwonej. Ta separacja pomaga detektorowi ruchu w rozróżnianiu między oświetleniem całego pola a poruszającymi się obiektami.

Gdy osoba przechodzi z jednego kąta (wiązki) do drugiego, detektor będzie tylko sporadycznie widział poruszającą się osobę. Powoduje to szybko zmieniający się sygnał czujnika, który jest wykorzystywany przez elektronikę do wyzwalania alarmu lub włączania oświetlenia. Wolno zmieniający się sygnał zostanie zignorowany przez elektronikę.

Liczbę, kształt, rozkład i czułość tych stref określa soczewka i/lub lustro. Producenci dokładają wszelkich starań, aby stworzyć optymalny wzorzec czułości wiązki dla każdego zastosowania.

  • Pasywny czujnik ruchu na podczerwień z czułością wiązki.

    Detektor ruchu z nałożonym wzorem wiązki. Długość wiązek jest miarą czułości detektorów w tym kierunku.

Automatyczne aplikacje oświetleniowe

Gdy jest używany jako część systemu oświetleniowego, elektronika w PIR zwykle steruje zintegrowanym przekaźnikiem zdolnym do przełączania napięcia sieciowego. Oznacza to, że czujnik PIR można skonfigurować tak, aby włączał światła podłączone do czujnika PIR po wykryciu ruchu. Jest to najczęściej używane w sytuacjach zewnętrznych, aby odstraszyć przestępców (oświetlenie bezpieczeństwa) lub do praktycznych zastosowań, takich jak włączanie się światła drzwi wejściowych, aby można było znaleźć klucze w ciemności.

Dodatkowe zastosowania mogą mieć miejsce w publicznych toaletach, spiżarniach, korytarzach lub wszędzie tam, gdzie przydatne jest automatyczne sterowanie oświetleniem. Może to zapewnić oszczędność energii, ponieważ światła są włączane tylko wtedy, gdy są potrzebne, a użytkownicy nie muszą pamiętać o wyłączaniu świateł, gdy opuszczają obszar.

Aplikacje zabezpieczające

Gdy jest używany jako część systemu bezpieczeństwa, elektronika w PIR zwykle steruje małym przekaźnikiem . Przekaźnik ten uzupełnia obwód przez parę styków elektrycznych podłączonych do strefy wejściowej detekcji centrali alarmowej . System jest zwykle zaprojektowany w taki sposób, że jeśli nie zostanie wykryty ruch, styk przekaźnika jest zamknięty – przekaźnik „normalnie zamknięty” (NC). W przypadku wykrycia ruchu przekaźnik otworzy obwód, wywołując alarm; lub, jeśli przewód jest odłączony, alarm również zadziała.

Umieszczenie

Producenci zalecają ostrożne umieszczanie swoich produktów, aby zapobiec fałszywym alarmom (tj. wszelkim wykryciom, które nie zostały spowodowane przez intruza).

Sugerują montaż PIR-ów w taki sposób, aby PIR nie „widział” przez okno. Chociaż długość fali promieniowania podczerwonego, na które wrażliwe są chipy, nie przenika zbyt dobrze przez szkło, silne źródło podczerwieni (takie jak reflektor pojazdu lub światło słoneczne) może przeciążyć czujnik i spowodować fałszywy alarm. Osoba poruszająca się po drugiej stronie szyby nie byłaby „widziana” przez PID. Może to być dobre dla okna wychodzącego na publiczny chodnik lub złe dla okna w wewnętrznej przegrodzie.

Zaleca się również, aby czujnik PIR nie był umieszczany w takiej pozycji, aby otwór wentylacyjny HVAC wydmuchiwał gorące lub zimne powietrze na powierzchnię plastiku zakrywającego okno obudowy. Chociaż powietrze ma bardzo niską emisyjność (emituje bardzo małe ilości energii podczerwonej), powietrze nadmuchujące plastikową osłonę okienka może zmienić temperaturę plastiku na tyle, aby wywołać fałszywy alarm.

Czujniki są również często zaprojektowane do „ignorowania” zwierząt domowych, takich jak psy lub koty, poprzez ustawienie wyższego progu czułości lub zapewnienie, że podłoga w pokoju pozostaje nieostra.

Ponieważ czujniki PIR mają zasięg do 10 metrów (30 stóp), jeden czujnik umieszczony w pobliżu wejścia zazwyczaj wystarcza w przypadku pomieszczeń z tylko jednym wejściem. Systemy bezpieczeństwa oparte na PIR sprawdzają się również w zewnętrznych zabezpieczeniach i oświetleniu wrażliwym na ruch; jedną z zalet jest ich niski pobór mocy, dzięki czemu mogą być zasilane energią słoneczną.

Termometr zdalny PIR

Wdrożono projekty, w których obwód PIR mierzy temperaturę odległego obiektu. W takim obwodzie wykorzystywane jest nieróżnicowe wyjście PIR. Sygnał wyjściowy jest oceniany zgodnie z kalibracją widma IR konkretnego rodzaju materii, która ma być obserwowana. W ten sposób można zdalnie uzyskać stosunkowo dokładne i precyzyjne pomiary temperatury. Bez kalibracji do rodzaju obserwowanego materiału, termometr PIR jest w stanie mierzyć zmiany emisji IR, które odpowiadają bezpośrednio zmianom temperatury, ale nie można obliczyć rzeczywistych wartości temperatury.

Zobacz też

Uwagi

  1. ^ Specyfikacja produktu dla PR150-1L/PR180-1L . Lewiton . Pobrano 6 września 2014 .
  2. ^ „Jak działają elementy detektora ruchu na podczerwień” . Niekomercyjna strona badawcza . Korporacja Glolab.
  3. ^ "Technologia czujnika PIR" . ecosirius.pl . Źródło 1 lutego 2014 .
  4. ^ "Generowanie impulsów wyjściowych czujnika PIR" .
  5. ^ D., Hallee. „Pasywne czujniki podczerwieni: krótki przegląd” . InHomeSafetyGuide.org . W przewodniku bezpieczeństwa w domu . Źródło 6 maja 2016 .
  6. ^ CF Tsai i MS Young (grudzień 2003). „Termometr piroelektryczny na podczerwień do monitorowania obiektów wewnętrznych”. Przegląd instrumentów naukowych . 74 (12): 5267–5273. doi : 10.1063/1.1626005 .

Zewnętrzne linki