PIR детекторы (пассивные инфракрасные детекторы)

1. Пироэлектрический элемент в пассивных инфракрасных детекторах
2. Оптические системы пассивных инфракрасных детекторов
3. Пассивные инфракрасные детекторы типа QUAD
4. Установка пассивных инфракрасных детекторов (PIR)

ИК-детекторы движения, известные как пассивные инфракрасные детекторы, представляют собой основной элемент внутренней защиты систем охранной и штурмовой сигнализации ( SSWiN ). Пассивные инфракрасные детекторы работают по принципу обнаружения изменений теплового излучения в инфракрасном диапазоне с использованием пироэлектрического датчика, электрический сигнал которого анализируется специальной электронной системой детектора. В связи с тем, что такие детекторы не могут работать без необходимости генерировать собственную энергию, мы называем их пассивными. Устройство такого типа не излучает свою собственную энергию, оно только обнаруживает любые изменения инфракрасного излучения в их поле зрения.

Каждый объект с собственной температурой, превышающей абсолютную, является источником теплового излучения. Соотношение между температурой тела и длиной волны испускаемого излучения определяется по закону Вены:

где:

λmax - длина волны с максимальной мощностью излучения, измеряемая в метрах.

Т - температура черного тела, измеренная в Кельвинах [К],

b = 2,8977685 х 10-3 ± 5,1 х 10-9 м • К - фиксированная Вена.

Инфракрасное излучение испускается любым телом с температурой ниже 500 градусов по Цельсию. Инфракрасное излучение невидимо для глаз, видимое излучение возникает при температуре выше 500 градусов по Цельсию. Анализируя объекты для обнаружения их излучения пассивными инфракрасными детекторами, наиболее важным является средний и дальний инфракрасный диапазон. Кроме того, учитывая тот факт, что в большинстве случаев объекты остаются в движении или находятся в воздухе, диапазон излучения сужается до так называемого «атмосферного окна». В этом диапазоне инфракрасное излучение с длинами волн от 3 до 5 мм и от 8 до 12 мм менее подавлено, что позволяет эффективно обнаруживать волны длиной 10 мм, излучаемые любым телом с температурой 35 градусов Цельсия (люди, животные) ,

В случае с ИК-датчиками нас больше всего интересуют люди и, следовательно, объекты, испускающие инфракрасное излучение с длиной волны 10 мм. Мощность излучения, излучаемого человеческим телом, относительно мала по сравнению с мощностью фонового излучения. Небольшая разница делает обнаружение изменения уровня радиации, вызванного движением человека во всей области, охватываемой диапазоном детектора, относительно трудным. Решением этой проблемы являются современные оптические системы, которые позволяют вам формировать поле зрения ИК-детекторы , В настоящее время в ИК-детекторах для формирования лучей в нескольких плоскостях наиболее часто используются линзы Френеля. Другим способом формирования балок является их формирование с использованием зеркальной оптики для формирования горизонтальных или вертикальных штор. Каждый вход или выход объекта из луча или занавеса обнаруживается датчиком, который регистрирует изменение спектра инфракрасного излучения. Затем изменение спектра инфракрасного излучения анализируется детектором. Если изменение достаточно велико, это критерий тревоги. Также стоит упомянуть, что внезапное изменение температуры может вызвать ложную тревогу (слишком медленное, постепенное изменение температуры не вызывает срабатывания детектора). Для решения этих проблем в ИК-извещателях используются дифференциальные пироэлектрические датчики, которые повышают устойчивость устройства к изменениям температуры окружающей среды и тепловым движениям воздуха.

Пироэлектрический элемент в пассивных инфракрасных детекторах

Основным элементом в конструкции каждого пассивного инфракрасного детектора является так называемый пироэлектрический датчик. В зависимости от качества ИК-детектора, он может иметь несколько датчиков. стандарт детекторы тревоги ПИР содержит два светочувствительных элемента. Более продвинутые модели оснащены до четырех светочувствительных элементов, которые сделаны из специального кристалла, показывающего пироэлектрический эффект.

Пироэлектрический эффект - это явление электрических зарядов на поверхности диэлектрических кристаллов под влиянием их изменения температуры. Пироэлектрический эффект возникает только в кристаллах, не имеющих центра симметрии и не более одной простой оси симметрии.

Пироэлектрический датчик реагирует только на изменения температуры. Спектральные характеристики пироэлектрического датчика практически не зависят от длины волны (диапазон от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного). В случае систем охранной и панической сигнализации пространственная визуализация распределения температуры не важна. Важным фактором является только обнаружение изменений, происходящих в этом распределении. Появление злоумышленника в поле зрения детектора изменяет исходную температуру. Это изменение может быть вызвано, например, тепловым обнаружением фрагмента тела злоумышленника на стене, который характеризуется гораздо более низкой температурой. К сожалению, подобные нарушения в распределении температуры могут быть вызваны другими факторами, такими как сквозняки и инсоляция объекта.

Чтобы гарантировать высокую эффективность обнаружения, все изменения в распределении температуры, вызванные природными факторами, должны быть эффективно устранены. Обычно устранение этих факторов заключается в разделении поля обзора детектора на несколько или несколько десятков фрагментов, что означает, что детектор будет реагировать на изменения распределения температуры только в очень маленьких участках наблюдаемой сферы. Разделение сфер поля зрения детектора чаще всего достигается путем размещения специальной апертуры на оптической оси с зазорами, обеспечивающими меньшее поле зрения пироэлектрического элемента. Благодаря этому решению движущийся нарушитель будет последовательно появляться в зонах, видимых датчиком, который будет обнаруживать больше инфракрасного излучения и возвращать детектор в исходное состояние, когда нарушитель находится за радужной оболочкой. Детектор будет работать аналогично источнику напряжения с переменным сигналом, в котором соответствующая электронная система будет последовательно считать максимумы сигнала. Детектор сгенерирует сигнал тревоги для указанного порога счета.

Самой большой проблемой в работе пассивных инфракрасных детекторов является обнаружение ложных срабатываний. Чтобы ограничить это явление, используются специальные фильтры, которые отсекают ненужное видимое излучение. Фильтры, которые отсекают ненужное излучение, обычно представляют собой германиевые пластины, которые установлены в корпусе пироэлектрического элемента. Благодаря использованию фильтров белого света устраняются помехи, такие как включение и выключение света. К сожалению, это решение не лишено недостатков. Использование такого фильтра связано с ослаблением до 20% энергии излучения, достигающей пластины пироэлектрического датчика. Кроме того, следует также помнить, что помимо пироэлектрического эффекта существует пьезоэлектрический эффект, который делает пассивные инфракрасные детекторы чувствительными к ударам и вибрациям.

ИК-датчики движения работают наиболее эффективно, когда движение человека пересекается под прямым углом к ​​зоне обнаружения. Другими словами, пассивный инфракрасный детектор обеспечивает эффективное обнаружение, когда объект движется перпендикулярно оптической оси детектора. Это максимальная чувствительность детекторы в случае перпендикулярного перемещения к его оптической оси это вызвано тем, что при пересечении границы пучка электрический сигнал от элемента обнаружения меняет знак. Чувствительность пассивного инфракрасного детектора в случае осевого движения незначительна. Тем не менее, благодаря новейшему объективу Френеля, некоторые ИК-детекторы имеют до нескольких десятков лучей наблюдения, что означает, что любое движение внутри детектора должно вызывать пересечение луча, что вызывает тревогу.

Оптические системы пассивных инфракрасных детекторов

Пассивные инфракрасные детекторы оснащены специальными оптическими системами, задачей которых является концентрация инфракрасного излучения на пироэлектрическом элементе. Мы различаем две основные оптические системы: на основе зеркальной технологии или линз Френеля.

Рис. 1. (A) Линза Френеля, (B) традиционная линза с тем же фокусным расстоянием

Анализируя обе системы с точки зрения способности обнаруживать злоумышленника, можно утверждать, что они эквивалентны и каждая из них имеет определенные преимущества и недостатки. Производители стремятся получить оптические системы, конструкция которых позволила бы получить изображение в виде точки на плитке. Конечно, на практике создание оптической системы с этим свойством невозможно. На сегодняшний день достаточным решением является уменьшение луча излучения до размеров пластины детектора около 1 мм2.

Рис. 2. Широкоугольный объектив

Чаще всего встречаются пассивные инфракрасные детекторы, построенные на основе широкоугольных объективов, которые позволяют получить угол обзора в диапазоне от 90 до 130 градусов. Дальность действия таких ИК-детекторов колеблется от 12 до 15 метров.

При использовании пассивных инфракрасных детекторов следует помнить, что для инфракрасного излучения такие элементы, как стены, мебель, занавески и стекло, не прозрачны, что позволяет создавать мертвые зоны в помещениях неправильной формы и нетрадиционного оборудования. В этих комнатах чрезвычайно полезны детекторы движения с другими объективами:

Рис. 3. Линза для штор (вертикальная)

• Коридоры (дальнего радиуса действия) - имеют узкий угол обзора (2-3 луча), имеют большую дальность действия обычно в диапазоне от 20 до 50 метров.

  
  



Рис. 4. Прихожая (дальнобойная) линза


• Потолочные ( всенаправленные ) - у них очень широкий угол обзора 360 градусов, конструкция линз этого типа основана на 9 - 18 шторках, расположенных повсюду.

Пассивные инфракрасные детекторы типа QUAD

Также стоит упомянуть пассивные инфракрасные детекторы типа QUAD. Задача каждого ИК-детектора движения, включенного в систему охранной сигнализации, состоит в том, чтобы обнаруживать только движение нарушителя, не реагируя на побочные эффекты, не связанные с движением нарушителя. На практике оказывается, что это совсем не так просто, потому что человек, животное, сквозняк в комнате или заходящее солнце вызывают очень похожие пироэлектрические явления. Использование только одного пироэлектрического элемента не имеет смысла, поскольку оно не позволяет отличить тревожные события от ложных тревог, вызванных одним из вышеупомянутых факторов.

Одним из способов снижения чувствительности детекторов к ложным срабатываниям оказалось создание датчика, в котором используются два пироэлектрических элемента, расположенных горизонтально рядом друг с другом. Датчик, сконструированный таким образом, имеет в два раза больше зон обнаружения, чем датчик с одним пироэлектрическим элементом. Устранение ложных срабатываний заключается в логическом суммировании сигнала от обоих элементов. Элементы связаны таким образом, что изменение их поляризации в результате обнаружения излучения всегда является противоположным в одном элементе по отношению к другому. Конечно, это решение не идеально. Благодаря развитию технологий все чаще используется другое решение. Если в одном датчике можно использовать два пироэлектрических элемента, почему бы не применить больше. В результате этой идеи была разработана инновационная технология QUAD, которая позволила использовать до четырех пироэлектрических элементов.

Рис. 5. Пассивный инфракрасный детектор с технологией QUAD

Пассивные инфракрасные детекторы, использующие технологию QUAD, имеют четыре пироэлектрических элемента. Эти элементы расположены по-разному. Стандартно они укладываются бок о бок, что позволяет получить четыре зоны детектирования с одной линзой Френеля или одним зеркалом. Другим, в настоящее время чаще применяемым расположением пироэлектрических элементов, является их расположение в два ряда по два элемента (этот тип расположения показан на рис. 5). Благодаря такому расположению пироэлементов зоны обнаружения сгруппированы в группы из четырех лучей. Глядя на приведенную выше диаграмму, можно сделать вывод, что детекторы QUAD имеют два детектора с двумя пироэлектрическими элементами. В пассивных ИК-детекторах с технологией QUAD электрический сигнал от каждой пары пироэлектриков обрабатывается отдельно в аналого-цифровой (A / C) системе.

Установка пассивных инфракрасных детекторов (PIR)

Чтобы обеспечить правильную работу пассивных инфракрасных детекторов, необходимо соблюдать несколько основных (но чрезвычайно важных) правил:

• Из-за конвекции пассивный ИК-детектор не должен устанавливаться непосредственно над источником тепла
  >

• ИК-датчик не должен находиться в месте, где он подвергается прямому солнечному излучению (солнечный свет содержит много инфракрасных лучей, которые в случае внезапного покрытия облаком могут вызвать ложную тревогу)




• Не используйте детекторы штор для защиты протекающих окон (движение воздуха вокруг протекающего окна может вызвать ложную тревогу)




• Все подвижные объекты должны быть расположены на расстоянии не менее 3 метров от датчика (движение таких элементов вызывает изменение плоскости отражения инфракрасного излучения, что является причиной ложных срабатываний)




• Ни один из секторов обнаружения пассивного инфракрасного детектора не должен включать области, в которых имеются значительные изменения в распределении температуры




• Детектор должен быть устойчиво установлен, так как вибрации и удары влияют на его работу и вызывают ложные срабатывания




Если во время установки ИК-детектора одно из вышеупомянутых требований не выполняется, следует использовать пассивные инфракрасные детекторы высшего класса или пассивные инфракрасные датчики. двойные детекторы PIR + MW или PIR + US.




Важнейшим принципом установки ИК-извещателя является правильный выбор места установки. При установке пассивного инфракрасного детектора, прежде всего, следует избегать мест, где работа пироэлектрического датчика может быть нарушена одним из следующих факторов:







• Обнаружение солнечной радиации (прямо или отраженной)




• Быстрые или сильные изменения температуры




• Сильное движение воздуха




• Слишком высокие или низкие звуки




• Сильное электромагнитное излучение




• Радиопомехи




• Электрические разряды (молнии)




• Удары и вибрации




• Большие животные




• Прямое воздействие водяного пара и масляных паров.






Также стоит вспомнить еще малоизвестный эффект клаустрофобного ИК-детектора. Установка инфракрасного детектора в комнате, размеры которой намного меньше номинального диапазона датчика, это может вызвать значительные нарушения в его нормальном функционировании. Одним из негативных последствий этой ситуации является частое появление ложных срабатываний. Учитывая этот факт, следует помнить, что не следует использовать ИК-датчики в помещениях, меньших 30-50% от стандартного диапазона детектора.




Наибольшая эффективность детектора достигается на расстоянии, максимально приближенном к его рабочему диапазону. В этом случае поле зрения пассивного инфракрасного детектора имеет правильный размер и примерно соответствует размеру человека. В помещениях с грызунами детекторы следует устанавливать на высоте более 2 метров. Кроме того, в местах, где мы имеем дело с домашними животными, стоит задуматься об установке специального ИК-детектора типа ПЭТ, который характеризуется устойчивостью к животным (до определенного веса).

Похожие