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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Pyroelektrische IR-Sensoren. Vergleichsdaten
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Referenzmaterialien Heutzutage wundern sich nur wenige Menschen darüber, dass die Tür einer Institution oder eines Ladens vor einem Besucher automatisch aufschwingt. In den meisten Fällen wird die Annäherung einer Person durch ein über der Tür hängendes Gerät „gespürt“, das mit einem pyroelektrischen Sensor (Empfänger) für IR-Strahlung ausgestattet ist. Solche Sensoren sind hochempfindlich, langlebig und einfach zu bedienen. Sie werden häufig eingesetzt, unter anderem in Sicherheits- und Brandmeldesystemen sowie in Ferntemperaturmessgeräten. Der pyroelektrische Effekt (griechisch pyros – Feuer) – die Erzeugung elektrischer Ladungen in Kristallen unter dem Einfluss von Wärme – ist seit langem bekannt, der berühmte deutsche Physiker Wilhelm Röntgen untersuchte ihn bereits im XNUMX. Jahrhundert. Der Effekt ähnelt dem von Piezoelektrika, darüber hinaus haben Pyroelektrika in der Regel auch piezoelektrische Eigenschaften. In Kristallen natürlichen Ursprungs (Quarz, Turmalin) ist der pyroelektrische Effekt eher schwach ausgeprägt, es besteht jedoch die Möglichkeit der Existenz von Substanzen mit einem beliebig großen pyroelektrischen Koeffizienten – dem Verhältnis des Anstiegs der elektrischen Ladung zum Temperaturanstieg, der ihn verursacht hat - wurde theoretisch gezeigt. Vor relativ kurzer Zeit wurden solche Stoffe der Klasse der Ferroelektrika synthetisiert und auf ihrer Basis empfindliche Sensoren geschaffen. Eine typische Sensorschaltung ist in Abb. dargestellt. 1. Das empfindliche Element B1 ist eine Art Kondensator – eine pyroelektrische Platte mit Metallplatten. Auf einer der Platten ist eine Schicht aus einem Stoff aufgebracht, der elektromagnetische (Wärme-)Strahlung absorbieren kann. Durch die Energieaufnahme steigt die Temperatur der Kondensatorplatte und zwischen den Platten entsteht eine Spannung genau definierter Polarität. Wenn es an den Gate-Source-Abschnitt des eingebauten Feldeffekttransistors VT1 angelegt wird, ändert es den Widerstand seines Kanals. Das Ausgangssignal wird von einem externen Lastwiderstand abgenommen, der an die Drain-Schaltung des Transistors angeschlossen ist.
Nach einiger Zeit, unabhängig davon, ob weiterhin Wärmestrahlung auf den Sensor einwirkt oder nicht, entlädt sich der Kondensator über den Ableitwiderstand R1 – das Ausgangssignal sinkt auf Null. Sensoren sind häufig mit mehreren in Reihe geschalteten Sensorelementen mit wechselnder Polarität ausgestattet. Dadurch wird sichergestellt, dass das Gerät unempfindlich gegenüber gleichmäßiger Hintergrundeinstrahlung ist und eine wechselnde Ausgangsspannung erhält, wenn das fokussierte Bild eines Objekts entlang der empfindlichen Oberfläche des Sensors bewegt wird. Die Empfindlichkeit eines pyroelektrischen Sensors wird normalerweise mit einem in Abb. schematisch dargestellten Aufbau gemessen. 2. Als Wärmestrahlungsquelle wird ein Schwarzkörpersimulator verwendet. Der Durchfluss wird periodisch mit einer Frequenz von 1 Hz durch einen von einem Elektromotor angetriebenen Drosselklappenschalter blockiert. IR-Impulse erreichen das empfindliche Element des Sensors und verursachen Spannungsimpulse am externen Lastwiderstand R1. Gut zu erkennen ist, dass hier der Feldeffekttransistor des Sensors als Sourcefolger geschaltet ist.
Wie Messungen zeigen, nimmt die Empfindlichkeit des Sensors fast proportional mit der Zunahme der Frequenz der von ihm empfangenen Strahlungsimpulse ab. Der Grund dafür ist die erhebliche thermische Trägheit des empfindlichen Elements. Sensoren, die für den Betrieb bei großen Änderungen der Umgebungstemperatur ausgelegt sind, sind mit zwei hintereinander geschalteten empfindlichen Elementen ausgestattet – einem Arbeitselement und einem Kompensationselement. Das Kompensationselement kann vom äußeren Strahlungsfluss abgeschottet sein, befindet sich jedoch in den gleichen Temperaturbedingungen wie das in Betrieb befindliche Element. Die Eigenschaften der spektralen Empfindlichkeit des Sensors werden durch das Absorptionsvermögen des Beschichtungsmaterials der pyroelektrischen Platte in einem bestimmten Frequenzbereich elektromagnetischer Strahlung bestimmt. Die endgültige Bildung erfolgt durch optische Filter, die vor dem empfindlichen Element installiert sind. Typische Eigenschaften der spektralen Empfindlichkeit verschiedener Versionen pyroelektrischer Sensoren sind in Abb. dargestellt. 3.
Sensoren mit der Charakteristik 1 dienen der Flammenerkennung, 2 und 3 eignen sich am besten zur Erfassung menschlicher Bewegungen. Charakteristik 4 ist optimal für den Einsatz in Ferntemperaturmessgeräten. Pyroelektrische Sensoren für verschiedene Zwecke werden von mehreren Unternehmen hergestellt. Im Folgenden werden wir ausführlich über die Produkte von einem von ihnen sprechen – Murata Manufacturing Co (Japan). Die Sensoren sind in einem zylindrischen Metallgehäuse mit drei (oder vier) starren verzinnten Drahtleitungen untergebracht (Abb. 4). Am flachen Ende des Gehäuses gegenüber den Anschlüssen befindet sich ein quadratisches, rechteckiges oder rundes Fenster, das mit einem für IR-Strahlen transparenten Filter abgedeckt ist. Die gleiche Abbildung zeigt die Pinbelegung der Geräte.
Die wichtigsten technischen Eigenschaften der pyroelektrischen Sensoren der IRA-Serie von Murata sind in der Tabelle dargestellt.
Die Sensoren IRA-E710ST0, IRA-E910ST1, IRA-E420S1 und IRA-E420QW1 verfügen über integrierte Bypass-Kondensatoren zwischen den Gate- und Source-Pins sowie den Gate- und Drain-Pins der Feldeffekttransistoren. Das Gehäuse des IRA-E940ST1-Geräts enthält zwei Sensoren mit jeweils zwei empfindlichen Elementen. Das Gerät verfügt über einen gemeinsamen Anschluss und einen kombinierten Drain-Anschluss, die Source-Anschlüsse der Transistoren sind getrennt. Ein typisches Diagramm der Verwendung eines pyroelektrischen Sensors in einem Sicherheitsalarmgerät ist in Abb. dargestellt. 5. Die Kondensatoren C1 und C2 dienen zur Unterdrückung hochfrequenter Störungen an den Anschlüssen des Sensors B1 und müssen in unmittelbarer Nähe zu diesem installiert werden. Diese Kondensatoren werden nicht benötigt, wenn der verwendete Sensor bereits über solche verfügt.
Der interne Feldeffekttransistor des Sensors B1 ist nach der Sourcefolgerschaltung beschaltet. Seine Last ist der Widerstand R1. Die darauf auftretenden Spannungsschwankungen, wenn sich ein erhitztes Objekt in einem empfindlichen Bereich bewegt, werden durch zwei Operationsverstärker – DA1.1 und DA1.2 – verstärkt. Ihre Gesamtverstärkung erreicht ihren Höhepunkt bei 7500 bei 2 Hz und fällt an den Frequenzpunkten 3 und 0,5 Hz um 5,5 dB ab. Die Trägheit des Sensors selbst verschiebt jedoch die Gesamtbandbreite des Sensor-Verstärker-Systems deutlich nach unten – auf 0,06...1,2 Hz. Sobald die Signalamplitude am Ausgang des Operationsverstärkers DA1.2 0,8 V überschreitet, wird der Komparator DA2.1 ausgelöst, wenn der Spannungsstoß positiv ist, oder DA2.2, wenn er negativ ist, bezogen auf einen bestimmten Wert nahe auf die halbe Versorgungsspannung (wird durch die Widerstandswerte R10 und R12 bestimmt). Die Ausgänge der Komparatoren (offener Kollektor) sind parallel geschaltet. Wenn einer von ihnen ausgelöst wird, ändert sich der Logikpegel am Eingang des Mikrocontrollers. Durch die Verarbeitung der empfangenen Impulsfolge (Messung ihrer Dauer, Zählung der Anzahl für einen bestimmten Zeitraum) erzeugt der Mikrocontroller ein Steuersignal, das den Aktuator oder die Alarmeinheit aktiviert. Um den räumlichen Empfindlichkeitsbereich des Sensors zu vergrößern, wird vor seinem optischen Fenster üblicherweise eine Linse installiert, die IR-Strahlen auf eine pyroelektrische Platte fokussiert. Um eine fächerförmige Form des empfindlichen Betrachtungssektors zu erhalten, ähnlich der vereinfachten Darstellung in Abb. In 6a wird eine zonierte Fresnel-Linse verwendet. Es besteht aus vielen separaten Fokussierungsabschnitten, von denen jeder seinen eigenen empfindlichen Strahl aus einer bestimmten Richtung erzeugt. Wenn sich ein bewegliches Objekt von einem Strahl zum anderen bewegt, erzeugt der Sensor eine Wechselspannung.
Ein ähnlicher Strahlenfächer entsteht auch in der vertikalen Ebene (Abb. 6,b). Durch die Verwendung von Fresnel-Linsen mit spezieller Struktur ist es möglich, die Form der Blütenblätter zu variieren, um die besten Bedingungen für die Erkennung eines Objekts in einem bestimmten Sichtfeld zu erhalten. Zusätzlich zu den Sensoren der IRA-Serie produziert Murata die pyroelektrischen Module IMD-B101-01 und IMD-B102-01. Ein solches Modul enthält neben dem Sensor selbst einen Verstärker und einen Impulsformer, der zur Versorgung der Eingänge von Standard-Logikelementen (Knoten A3) geeignet ist. Das Blockschaltbild des Moduls ist in Abb. dargestellt. 7, und die Gehäusezeichnung ist in Abb. 8.
Die Pinbelegung der Module unterscheidet sich kaum. Beide haben Pin 1 – einen gemeinsamen, negativen Stromversorgungspin; Pin 3 – positiver Power-Pin; Pin 4 - Digitalausgang. Beim IMD-B101-01-Modul ist Pin 2 jedoch der Analogausgang des Sensorsignalverstärkers und beim IMD-B102-01 der Eingang des Switch-Gating-Signals. Die Hauptmerkmale der Module:
In Systemen, die die Beleuchtung automatisch einschalten, wenn eine Bewegung im Raum erkannt wird, wird der Strobe-Eingang des IMD-B102-01-Moduls normalerweise mit einem Signal von einem Fotowiderstand versorgt, der auf die allgemeine Beleuchtung reagiert. Dadurch wird verhindert, dass das System tagsüber funktioniert. Autor: A. Sergeev, Moskau basierend auf Materialien von der Website murata.com.
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