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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Sensori IR piroelettrici. Dati di riferimento
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / materiali di riferimento Oggi sono poche le persone che si sorprendono quando la porta di un'istituzione o di un negozio si apre automaticamente davanti a un visitatore. Nella maggior parte di questi casi, l'avvicinamento di una persona viene “sentito” da un dispositivo appeso sopra la porta, dotato di un sensore piroelettrico (ricevitore) di radiazione IR. Tali sensori sono altamente sensibili, durevoli e facili da usare. Sono ampiamente utilizzati, anche nei sistemi di sicurezza e di allarme antincendio e nei misuratori di temperatura remoti. L'effetto piroelettrico (pyros in greco - fuoco) - la generazione di cariche elettriche nei cristalli sotto l'influenza del calore - è noto da molto tempo, il famoso fisico tedesco Wilhelm Roentgen lo studiò nel XIX secolo. L'effetto è simile al piezoelettrico; inoltre, i piroelettrici, di regola, hanno anche proprietà piezoelettriche. Nei cristalli di origine naturale (quarzo, tormalina), l'effetto piroelettrico è espresso piuttosto debolmente, ma la possibilità dell'esistenza di sostanze con un coefficiente piroelettrico arbitrariamente grande - il rapporto tra l'aumento della carica elettrica e l'aumento della temperatura che lo ha causato - è stato teoricamente dimostrato. Relativamente recentemente, tali sostanze appartenenti alla classe dei ferroelettrici sono state sintetizzate e sulla base sono stati creati sensori sensibili. Un tipico circuito del sensore è mostrato in Fig. 1. L'elemento sensibile B1 è una sorta di condensatore: una piastra piroelettrica con piastre metalliche. Su una delle piastre viene applicato uno strato di una sostanza in grado di assorbire la radiazione elettromagnetica (termica). Come risultato dell'assorbimento di energia, la temperatura della piastra del condensatore aumenta e tra le piastre appare una tensione con polarità strettamente definita. Applicato alla sezione gate-source del transistor ad effetto di campo VT1 incorporato, provoca una variazione della resistenza del suo canale. Il segnale di uscita viene prelevato da un resistore di carico esterno collegato al circuito di drain del transistor.
Dopo un po' di tempo, indipendentemente dal fatto che la radiazione termica continui ad agire sul sensore o meno, il condensatore si scaricherà attraverso la resistenza di dispersione R1: il segnale di uscita scende a zero. Spesso i sensori sono dotati di più elementi sensibili collegati in serie con polarità alternata. Ciò garantisce che il dispositivo sia insensibile all'irradiazione di fondo uniforme e ottenga una tensione di uscita alternata quando si sposta l'immagine focalizzata di un oggetto lungo la superficie sensibile del sensore. La sensibilità di un sensore piroelettrico viene solitamente misurata utilizzando una configurazione mostrata schematicamente in Fig. 2. Come sorgente di radiazione termica viene utilizzato un simulatore di corpo nero. Il flusso viene periodicamente, con frequenza di 1 Hz, bloccato da una serranda comandata da un motore elettrico. Gli impulsi IR arrivano all'elemento sensibile del sensore e provocano la comparsa di impulsi di tensione sul resistore di carico esterno R1. È facile vedere che il transistor ad effetto di campo del sensore è collegato qui come inseguitore di sorgente.
Come mostrano le misurazioni, la sensibilità del sensore diminuisce quasi in proporzione all'aumento della frequenza degli impulsi di radiazione da esso ricevuti. La ragione di ciò è la notevole inerzia termica dell'elemento sensibile. I sensori progettati per funzionare con grandi variazioni della temperatura ambiente sono dotati di due elementi sensibili collegati in serie di contatori: uno di lavoro e un elemento di compensazione. L'elemento di compensazione può essere chiuso dal flusso di radiazione esterna, ma si trova nelle stesse condizioni di temperatura di quello di esercizio. Le caratteristiche della sensibilità spettrale del sensore sono determinate dalla capacità di assorbimento del materiale di rivestimento della piastra piroelettrica in un particolare intervallo di frequenza della radiazione elettromagnetica. Viene infine formato utilizzando filtri ottici installati davanti all'elemento sensibile. Le caratteristiche tipiche della sensibilità spettrale di varie versioni di sensori piroelettrici sono mostrate in Fig. 3.
I sensori con caratteristica 1 sono progettati per rilevare le fiamme, 2 e 3 sono più adatti per la registrazione del movimento umano. La caratteristica 4 è ottimale per l'uso in misuratori di temperatura remoti. I sensori piroelettrici per vari scopi sono prodotti da diverse aziende. Di seguito parleremo in dettaglio dei prodotti di uno di loro: Murata Manufacturing Co (Giappone). I sensori sono alloggiati in una custodia metallica cilindrica con tre (o quattro) conduttori rigidi di filo stagnato (Fig. 4). All'estremità piatta della custodia opposta ai terminali è presente una finestra quadrata, rettangolare o rotonda ricoperta da un filtro trasparente ai raggi IR. La stessa figura mostra il pinout dei dispositivi.
Le principali caratteristiche tecniche dei sensori piroelettrici della serie IRA di Murata sono presentate nella tabella.
I sensori IRA-E710ST0, IRA-E910ST1, IRA-E420S1 e IRA-E420QW1 sono dotati di condensatori di bypass integrati tra i pin di gate e source, nonché tra i pin di gate e drain dei transistor ad effetto di campo. Il corpo del dispositivo IRA-E940ST1 contiene due sensori con due elementi sensibili ciascuno. Il dispositivo ha un terminale comune e un terminale di drain combinato, i terminali di source dei transistor sono separati. Uno schema tipico dell'utilizzo di un sensore piroelettrico in un dispositivo di allarme di sicurezza è mostrato in Fig. 5. I condensatori C1 e C2 servono a sopprimere le interferenze ad alta frequenza sui terminali del sensore B1 e devono essere installati nelle immediate vicinanze di esso. Questi condensatori non sono necessari se il sensore applicato ne è già integrato.
Il transistor ad effetto di campo interno del sensore B1 è collegato secondo il circuito inseguitore della sorgente. Il suo carico è il resistore R1. Le fluttuazioni di tensione che si verificano su di esso quando un oggetto riscaldato si muove in un'area sensibile sono amplificate da due amplificatori operazionali: DA1.1 e DA1.2. Il loro guadagno complessivo raggiunge il picco a 7500 a 2 Hz, cadendo di 3 dB ai punti di frequenza di 0,5 e 5,5 Hz. Tuttavia, l'inerzia del sensore stesso sposta la larghezza di banda complessiva del sistema sensore-amplificatore significativamente più in basso, a 0,06...1,2 Hz. Non appena l'ampiezza del segnale all'uscita dell'amplificatore operazionale DA1.2 supera 0,8 V, il comparatore DA2.1 viene attivato se il picco di tensione è positivo, o DA2.2 se è negativo, rispetto a un determinato valore vicino alla metà della tensione di alimentazione (è determinata dai valori dei resistori R10 e R12). Le uscite dei comparatori (collettore aperto) sono collegate in parallelo, quindi quando uno di essi viene attivato, il livello logico all'ingresso del microcontrollore cambia. Come risultato dell'elaborazione della sequenza di impulsi ricevuta (misurandone la durata, contando il numero per un certo periodo di tempo), il microcontrollore genera un segnale di controllo che attiva l'attuatore o l'unità di allarme. Per aumentare la zona di sensibilità spaziale del sensore, davanti alla sua finestra ottica viene solitamente installata una lente che focalizza i raggi IR su una piastra piroelettrica. Per ottenere una forma a ventaglio del settore sensibile di visione, simile a quella rappresentata semplificata in Fig. 6a, viene utilizzata una lente di Fresnel a zone. È costituito da numerose sezioni di focalizzazione separate, ciascuna delle quali forma un proprio raggio sensibile proveniente da una direzione specifica. Di conseguenza, quando un oggetto in movimento si sposta da un raggio all'altro, il sensore genera una tensione alternata.
Un simile ventaglio di raggi si forma anche nel piano verticale (Fig. 6,b). Utilizzando lenti di Fresnel di struttura speciale è possibile variare la forma dei petali per ottenere le migliori condizioni per il rilevamento di un oggetto in un dato campo visivo. Oltre ai sensori della serie IRA, Murata produce moduli piroelettrici IMD-B101-01 e IMD-B102-01. Insieme al sensore stesso, tale modulo contiene un amplificatore e un formatore di impulsi adatto ad alimentare gli ingressi di elementi logici standard (nodo A3). Lo schema a blocchi del modulo è mostrato in Fig. 7, e il disegno dell'alloggiamento è in Fig. 8.
La piedinatura dei moduli differisce poco. Entrambi hanno il pin 1: un pin di alimentazione negativo comune; pin 3 - pin di alimentazione positivo; pin 4 - uscita digitale. Ma per il modulo IMD-B101-01, il pin 2 è l'uscita analogica dell'amplificatore del segnale del sensore, mentre per l'IMD-B102-01 è l'ingresso del segnale di comando dell'interruttore. Le principali caratteristiche dei moduli:
Nei sistemi che accendono automaticamente l'illuminazione quando viene rilevato un movimento nella stanza, l'ingresso stroboscopico del modulo IMD-B102-01 viene solitamente fornito con un segnale proveniente da una fotoresistenza che risponde all'illuminazione generale. Ciò impedisce al sistema di funzionare durante il giorno. Autore: A. Sergeev, Mosca sulla base di materiali dal sito murata.com.
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