• PIR-датчик улавливает изменения температуры, а не движение напрямую.
• Линза Френеля собирает инфракрасный свет, исходящий с большой площади.
• Объектив разделяет поле зрения на множество зон обнаружения.
• Два внутренних датчика компенсируют постоянные сигналы тепла.
• Движущееся теплое тело создает дифференциальный сигнал.
• Объектив охватывает широкую область и обнаруживает мельчайшие движения.
• Полевой транзистор с переходом (JFET) усиливает слабый сигнал датчика для схемы.
• Вместе линза и датчик обеспечивают надежное обнаружение движения.

Что означает "пассивное инфракрасное излучение"?

Самая важная подсказка об этом устройстве скрыта в слове «пассивный». Пассивный инфракрасный (PIR) датчик не излучает собственной энергии. Он улавливает только тепло, выделяемое другими объектами. Инженеры называют такую ​​конструкцию пироэлектрическим («пассивным») инфракрасным датчиком, потому что чувствительный материал генерирует небольшой заряд при изменении своей температуры .

Активные инфракрасные датчики работают наоборот. Они посылают луч и наблюдают за чем-то, что его прерывает. PIR-датчик просто молчит и ждет. Именно это различие объясняет, почему пассивные инфракрасные системы потребляют так мало энергии и хорошо работают в устройствах с батарейным питанием.

Кожа человека излучает сильное тепло в узком диапазоне. В таблице ниже показано, как PIR-фильтр соответствует этому диапазону .

Две половинки внутри

Внутри каждого PIR-датчика находятся два щелевых отверстия. Производители вырезают эти отверстия в материале, чувствительном к ИК-излучению, обычно в кремнии со специальным покрытием . Одно отверстие посылает положительный сигнал, другое — отрицательный. Представьте их как два сбалансированных датчика, расположенных друг за другом.

Когда ничего не меняется, оба слота получают одинаковое количество фонового инфракрасного излучения. Их сигналы взаимно компенсируются. Выходной сигнал остается ровным и тихим. Этот баланс является ключом к конструкции.

Изменения, а не движение

Пироэлектрический кристалл заряжается только при изменении температуры. Если поднести к нему постоянный источник тепла, после первого же момента ничего не произойдет. Датчик игнорирует абсолютную температуру . Его интересует разница температур.

Когда вы проходите мимо датчика, ваше тело сначала пересекает одну из щелей. В первой щели происходит резкий скачок ИК-излучения. Во второй щели уровень фонового излучения остается нормальным. Эта разница создает положительный импульс . Когда вы уходите, происходит обратное, и появляется отрицательный импульс. Датчик считывает эти импульсы как движение. Если вся комната медленно и равномерно нагревается, обе половины изменяются одинаково. Их сигналы компенсируют друг друга, поэтому триггер не срабатывает. Именно поэтому ИК-датчик реагирует на движущегося человека, но не на теплую стену.

Проблема крошечного окна

Пироэлектрический элемент внутри PIR-датчика очень мал. Его чувствительное окно крошечное. Это маленькое отверстие может улавливать инфракрасный свет только под очень узким углом прямо перед собой. Представьте, что вы смотрите на широкую комнату через соломинку. Вы увидите лишь тонкий срез всего, что вас окружает.

У элемента без оптики есть серьёзная проблема. Он не может собирать тепло с большой площади. Если кто-то отойдёт в сторону, датчик его никогда не увидит. Сам по себе элемент вообще не может собирать эти лучи. Эта проблема называется проблемой крошечного окна, и она определяет каждое последующее конструктивное решение.

Универсальный датчик без указания направления.

Сам пироэлектрический элемент не обладает естественным чувством направления. Он не знает, откуда исходит тепло. Он лишь сообщает о том, что на его поверхность попала инфракрасная энергия. Производители изготавливают эти элементы как стандартные компоненты. У них нет заданного диапазона действия, угла обзора и пространственного восприятия.

Оптика определяет радиус действия датчика. Без неё элемент реагирует на любое тепловое излучение, попавшее на его небольшую поверхность. Он не может отличить лево от правого или ближнее от дальнего. Инженеры решают эту проблему, добавляя линзу, которая придаёт элементу структуру и направление. Оптика превращает нечувствительный к внешним воздействиям тепловой датчик в устройство, которое знает, куда смотреть.

Почему объектив с PIR-датчиком необходим

Линза PIR-датчика — это не дополнительная деталь. Это необходимая часть любой практичной конструкции. Без неё датчик видит лишь небольшую часть помещения. Человек может пройти за край этой части, и датчик не сработает. Устройство не выполнит свою единственную задачу.

Линза решает эту проблему, улавливая инфракрасный свет из широкого поля зрения. Она направляет эти лучи к небольшому пироэлектрическому элементу. Именно так PIR-датчики обеспечивают широкое покрытие, необходимое людям для датчиков движения и сигнализации. Линза также разделяет поле зрения на зоны, что помогает элементу обнаруживать движение, а не постоянное тепло. Каждое надежное PIR-устройство основано на таком взаимодействии между оптикой и чувствительным элементом. Без линзы теряется широкое и надежное обнаружение, которое обеспечивает эффективную работу этих датчиков.

Чем отличается линза Френеля?

Стандартная линза использует одну плавную, непрерывную кривую для преломления света. Линза Френеля идет другим путем. Она заменяет эту толстую кривую плоской поверхностью, покрытой ступенчатыми кольцами. Это изменение конструкции важно для линзы вашего PIR-датчика, поскольку оно позволяет сохранить оптику тонкой и легкой.

Выбор материала также очень важен. Производители изготавливают эти линзы из инфракрасно-пропускающего пластика. Этот пластик пропускает инфракрасный свет, а не блокирует его. Одним из распространенных вариантов является Poly FIR200 , полимер на основе полиэтилена из линейки Poly FIR от Fresnel Factory . Он предназначен для теплового инфракрасного диапазона 8–14 мкм, используемого датчиками движения PIR. В некоторых источниках указан тот же диапазон 8–13 мкм. Производитель не указывает числовой процент пропускания инфракрасного излучения. Поэтому производителям приходится выбирать пластик, исходя из рабочей длины волны и требуемого пропускания.

Для этой задачи обычная линза потребовала бы толстого стекла. Это стекло тяжелое и громоздкое. Линза Френеля остается тонкой, часто всего 1–5 мм толщиной . Обычная линза с большой диафрагмой может иметь толщину 10–100 мм. Эта разница имеет большое значение для небольшого датчика движения.

Концентрические канавки как источники преломления

Секрет линзы Френеля кроется в структуре её поверхности. Линза имеет набор концентрических канавок . Каждая канавка действует как своя крошечная преломляющая поверхность. Вместе они преломляют параллельные инфракрасные лучи в одну и ту же фокусную точку.

Этот метод основан на принципе, называемом эквивалентным расщеплением поверхности . Он не преломляет свет через одну непрерывную изогнутую поверхность. Вместо этого линза разделяет эту поверхность на множество независимых преломляющих полос. Каждая полоса сохраняет локальный угол преломления от соответствующей точки на исходной линзе. Свет из разных областей затем перенаправляется в одну и ту же фокусную точку. Даже при ступенчатой ​​поверхности общее схождение света очень близко к схождению света в полностью изогнутой линзе.

Преломление света происходит за счет угла наклона каждой грани канавки. Этот угол направляет свет из разных областей в одну и ту же фокусную точку. Можно представить это как группу крошечных призм. Каждая призма обрабатывает одно кольцо входящего инфракрасного излучения. Ни одна канавка не выполняет всю работу самостоятельно. Канавки взаимодействуют друг с другом.

Именно поэтому рисунок должен быть точным. Если угол одной канавки сместится, это кольцо света не попадет в фокус. В этой зоне датчик теряет чувствительность. Качественное производство обеспечивает выравнивание каждой канавки.

Большая эффективная апертура

Диафрагма — это показатель того, сколько света может собрать линза. Большая диафрагма позволяет большему количеству инфракрасного излучения достигать сенсора. Большее количество инфракрасного излучения обеспечивает лучшую дальность обнаружения и чувствительность.

Линза Френеля создает большую эффективную апертуру , оставаясь при этом легкой и тонкой. Обычная рефракционная система с той же апертурой была бы намного тяжелее и сложнее. Конструкция Френеля решает эту проблему. Она улучшает дальность обнаружения без увеличения габаритов.

Цифры это подтверждают. Оптимизированные линзы Френеля способны улавливать до 85% поступающей ИК-энергии . Они увеличивают дальность обнаружения до 30 метров, что составляет около 100 футов. Благодаря ИК-прозрачным материалам, таким как ПММА, производительность остается стабильной при изменении условий окружающей среды.

Вспомним аналогию с увеличительным стеклом. Увеличительное стекло собирает солнечный свет по всей своей поверхности и преломляет эти параллельные лучи в одну яркую точку. Линза Френеля делает то же самое с теплом. Параллельные инфракрасные лучи попадают на плоскую поверхность. Концентрические канавки преломляют каждый луч внутрь. Все эти лучи сходятся на небольшом пироэлектрическом элементе внутри ИК-датчика.

Тонкий профиль также помогает и в другом отношении. Толстая стеклянная линза блокировала бы часть инфракрасного излучения еще до того, как оно достигло бы датчика. Тонкая пластиковая конструкция Френеля позволяет сократить отходы. Кроме того, ее производство обходится дешевле. Именно это преимущество в стоимости объясняет, почему линзы Френеля используются практически во всех доступных по цене датчиках движения на рынке.

Линза Френеля — это лёгкий оптический элемент, состоящий из ряда концентрических кольцеобразных секций, называемых зонами или ступенями Френеля. Каждая зона действует как собственная преломляющая призма. Вместе они преломляют и фокусируют свет, как традиционная толстая линза, но при этом имеют гораздо меньшую толщину и вес. Это делает конструкцию идеальной для применений, где размер, вес и эффективность действительно имеют значение.

Принцип работы вашего датчика прост. Тонкий пластиковый диск собирает тепло с большой площади и передает его крошечному детектору. Именно такое взаимодействие между оптическим элементом и датчиком обеспечивает надежное обнаружение движения.

Разрезание объектива на маленькие линзы

Одна гладкая линза сфокусировала бы всё поступающее тепло в одной точке. Такая конструкция обеспечила бы узкий угол обзора и плохое обнаружение движения. Настоящие PIR-датчики решают эту проблему, разрезая линзу на множество маленьких граней . Каждая грань работает как своя крошечная линза. Каждая из них направлена ​​на разную часть комнаты.

Можно представить линзу как мозаику из маленьких окон. Каждое окно смотрит в отдельном направлении. Некоторые грани направлены влево, другие — вправо. Некоторые смотрят вглубь помещения, другие — дальше. Вместе они образуют широкую зону обзора из множества узких точек зрения.

Именно эта огранка отличает обычную оптику от настоящей линзы с PIR-датчиком. Пластиковый лист по-прежнему имеет концентрические канавки. Теперь эти канавки расположены внутри каждой грани. Каждая грань преломляет инфракрасные лучи в сторону пироэлектрического элемента внутри. В результате получается линза, которая видит все помещение одновременно, а не только одну тонкую линию.

Чередующиеся зоны и дифференциальный сигнал

Гранеобразная структура не только расширяет поле зрения, но и создает чередующиеся зоны обнаружения . Каждая вторая грань указывает на другую половину чувствительного элемента PIR-датчика. Этот чередующийся рисунок лежит в основе того, как датчик обнаруживает движение.

Вспомним состояние покоя. Обе половины элемента получают одинаковое количество окружающего ИК-излучения. Их сигналы компенсируют друг друга. Выходной сигнал равен нулю. Теперь представьте себе теплое тело, идущее по комнате. Тело сначала пересекает зону, направленную на одну половину элемента. Эта половина внезапно получает больше инфракрасного излучения, чем другая. Между двумя половинами возникает положительное дифференциальное изменение.

Тело продолжает двигаться. Оно входит в следующую зону, которая направлена ​​на противоположную половину. Теперь вторая половина перехватывает тепло. Первая половина возвращается к фоновому уровню. Напряжение колеблется в другую сторону. Появляется отрицательное дифференциальное изменение.

Эти чередующиеся положительные и отрицательные импульсы датчик считывает как движение. Это становится возможным благодаря линзе Френеля. Ее сублинзы создают чередующийся рисунок. Каждая сублинза действует как небольшая линза Френеля. Различная огранка и расположение этих сублинз создают диапазон областей обнаружения, которые перекрываются и чередуются. Движущееся теплое тело попеременно освещает две половины. Датчик видит чистый, повторяющийся сигнал, а не прямую линию.

Эта конструкция также предотвращает ложные срабатывания. Постоянный источник тепла, например, теплая стена, равномерно воздействует на обе половины. Сигналы взаимно компенсируются. Триггер не срабатывает. Только движущийся объект создает необходимый для схемы чередующийся режим работы.

Широкий охват, чувствительность к мелким движениям.

Граненая конструкция обеспечивает сразу два преимущества. Вы получаете широкий угол обзора, а также высокую чувствительность, позволяющую улавливать мелкие движения в этой области.

Типичная гранёная линза Френеля обеспечивает широкоугольное горизонтальное покрытие помещения или коридора. Её вертикальное покрытие охватывает уровень передвижения людей.

Такая ширина, диапазон и характер восприятия обусловлены совместной работой множества элементов. Каждый элемент охватывает небольшой участок. Вся система охватывает большое поле. Человек может пройти в любую точку внутри этого поля и при этом пересечь несколько зон.

Небольшие движения тоже имеют значение. Взмах рукой или один шаг могут пересечь границу зоны. Линза фокусирует это кратковременное изменение на элементе. Срабатывает дифференциальный сигнал. Именно поэтому датчик движения включается, когда вы делаете всего один шаг в комнату.

Точность каждой грани сохраняется не случайно. Неправильно расположенная канавка направляет световое кольцо не в цель. Эта зона теряет чувствительность. Качественное производство обеспечивает выравнивание каждой грани и каждой канавки. В результате получается датчик, который охватывает широкую область и при этом улавливает малейшие движения.

От источника тепла к электрическому сигналу

Теперь вы знаете, что линза собирает и разделяет инфракрасный свет . Датчик преобразует изменения температуры в крошечные импульсы напряжения. Настоящее волшебство происходит, когда эти две части работают как команда. Проследите цепочку сигналов от начала до конца.

Тепловое тело попадает в зону действия датчика. Линза PIR-датчика преломляет это тепло в фокусную точку. Сфокусированное инфракрасное излучение попадает на пироэлектрический чувствительный элемент. Кристалл преобразует изменение температуры в небольшой электрический заряд. Схема обработки считывает этот заряд и решает, следует ли активировать выходной сигнал. Этот выходной сигнал включает свет, подает звуковой сигнал тревоги или запускает событие автоматизации.

Линза также помогает снизить количество ложных срабатываний. Она направляет инфракрасное излучение в сфокусированную точку на массиве датчиков. Постоянный источник тепла равномерно воздействует на обе половины элемента. Сигналы взаимно компенсируются. Только движущаяся цель создает необходимый для схемы чередующийся сигнал. Эта дифференциальная реакция позволяет электронике отличать реальную движущуюся цель от медленных изменений температуры окружающей среды.

Без линзы обычный пироэлектрический элемент может улавливать тепло только с близкого расстояния. Разделение линзы на концентрические кольца микропризм — каждая из которых наклонена таким образом, чтобы перенаправлять узкую часть поля зрения на датчик — позволяет одному PIR-элементу охватывать широкую область на расстоянии до 30 метров, поэтому именно линза, а не чип датчика, определяет большую часть реальных характеристик детектора движения.

Роль полевого транзистора (JFET)

Пироэлектрический сигнал очень слабый. Ему нужна помощь, прежде чем любая схема сможет его использовать. Эта помощь обеспечивается небольшим усилителем, встроенным непосредственно в корпус датчика. Он принимает слабый сигнал от кристалла и усиливает его.

Этот усилитель выполняет несколько функций. Он обрабатывает слабое пироэлектрическое напряжение, подготавливает его для следующего этапа и обеспечивает предварительное усиление. Усиленный сигнал легче передается на следующий этап. Затем схема обработки может изучить его, не теряя исходной информации.

Датчик обычно находится внутри герметичного корпуса. Усилитель также расположен в этом же корпусе. Такое близкое расположение имеет значение. Слабый сигнал, распространяющийся на большие расстояния до момента усиления, улавливает шум. Размещение усилителя рядом с кварцевым резонатором обеспечивает высокое качество сигнала.

Почему партнерство определяет эффективность

Ни одна из частей не работает эффективно по отдельности. Датчик без сенсора видит лишь узкую область помещения. Линза без сенсора не на чем сфокусироваться. PIR-датчик движения зависит от совместной работы обеих частей.

Линза задает схему обнаружения. Она создает чередующиеся чувствительные и нечувствительные зоны по всей контролируемой области. Датчик считывает дифференциальный сигнал, создаваемый этими зонами. Усилитель усиливает этот сигнал для схемы. Каждый последующий каскад строится на основе предыдущего.

Это сочетание объясняет, почему обычные датчики движения и сигнализации работают так надежно. Линза обеспечивает широкий охват. Двухэлементная конструкция отводит постоянный тепло. Усилитель усиливает слабый сигнал. Вместе они обеспечивают надежное обнаружение движения на большой площади. Именно эта командная работа, а не какой-либо отдельный компонент, определяет реальную производительность.

Линза Френеля разделяет входящий инфракрасный свет на несколько зон и преломляет каждую зону в сторону чувствительного элемента. Это сфокусированное тепло создает дифференциальный сигнал, необходимый вашему PIR-датчику для обнаружения движения.

Без этой линзы сенсор видит лишь узкий срез помещения. Он не может собирать тепло с большой площади или определять, куда движется теплое тело. Линза необходима для реального охвата.

Вот почему обычные датчики движения работают так хорошо. Благодаря оптимизированной линзе Френеля, некоторые модели достигают дальности действия до 30 метров (около 100 футов), а конструкция линзы формирует поле зрения. Линза обеспечивает такое широкое и стабильное покрытие.

Зачем PIR-датчику нужна линза Френеля?

Без линзы крошечный чувствительный элемент видит лишь узкую полосу помещения. Линза Френеля собирает тепло с большой площади и направляет его на этот элемент. Таким образом, вы получаете широкое покрытие и надежное обнаружение без увеличения габаритов устройства.

Почему в датчике используются два чувствительных элемента?

Два элемента расположены рядом друг с другом. В состоянии покоя оба получают одинаковое фоновое инфракрасное излучение, поэтому их сигналы компенсируют друг друга. Когда теплое тело проходит мимо одного из элементов первым, появляется дифференциальный сигнал. Это изменение сообщает схеме о том, что произошло движение.

Датчик движения PIR обнаруживает движение напрямую?

Не совсем. Датчик улавливает изменения в инфракрасном излучении. Движущееся теплое тело создает изменяющийся рисунок на двух элементах. Этот рисунок считается движением. Если вы остаетесь неподвижным, датчик не видит изменений и вскоре перестает реагировать.

Может ли ИК-датчик обнаруживать тепло сквозь стены или стекло?

Нет. Большинство строительных материалов и обычное стекло блокируют инфракрасные волны, на которых основаны эти датчики. Необходима прямая видимость между нагреваемым телом и линзой Френеля. Линза фокусирует входящее инфракрасное излучение только тогда, когда ничто не препятствует этому пути.

На каком расстоянии может работать ИК-датчик движения?

Датчики движения PIR без оптимизированной линзы обеспечивают меньшую дальность действия. С более качественной линзой Френеля некоторые из них достигают 30 метров (около 100 футов). Реальная дальность действия определяется конструкцией линзы, рисунком граней и чувствительностью элемента.

Что вызывает ложные срабатывания датчика движения PIR?

Резкие перепады температуры, прямые солнечные лучи и движущиеся теплые объекты могут вызывать ложные срабатывания. Двухэлементная конструкция и зональная структура линз блокируют постоянное тепло. Датчик реагирует только на незначительные изменения, вызванные движущимся объектом.

Какова функция полевого транзистора (JFET) внутри датчика?

Пироэлектрический элемент генерирует очень слабый сигнал. Рядом с ним расположен крошечный усилитель, который усиливает этот сигнал. Это усиление поддерживает сигнал достаточно сильным для того, чтобы схема обработки могла его четко интерпретировать.