• เซ็นเซอร์ PIR ตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ไม่ใช่การเคลื่อนไหวโดยตรง
• เลนส์เฟรสเนลทำหน้าที่รวบรวมแสงอินฟราเรดที่มาจากพื้นที่ขนาดใหญ่
• เลนส์จะแบ่งภาพออกเป็นโซนตรวจจับหลายโซน
• เซ็นเซอร์สองตัวภายในจะหักล้างสัญญาณความร้อนคงที่
• วัตถุที่อุ่นและเคลื่อนไหวจะสร้างสัญญาณความแตกต่าง
• เลนส์ครอบคลุมพื้นที่กว้างและตรวจจับการเคลื่อนไหวเล็กๆ ได้
• JFET ทำหน้าที่เพิ่มกำลังสัญญาณจากเซ็นเซอร์ที่อ่อนให้มากขึ้นสำหรับวงจร
• เลนส์และเซ็นเซอร์ทำงานร่วมกัน ทำให้สามารถตรวจจับการเคลื่อนไหวได้อย่างแม่นยำ

"อินฟราเรดแบบพาสซีฟ" หมายถึงอะไร

เบาะแสที่สำคัญที่สุดเกี่ยวกับอุปกรณ์นี้ซ่อนอยู่ในคำว่า "พาสซีฟ" เซ็นเซอร์อินฟราเรดแบบพาสซีฟ (PIR) ไม่ปล่อยพลังงานใดๆ ออกมาเอง มันเพียงแต่ตรวจจับความร้อนจากวัตถุอื่นๆ วิศวกรเรียกการออกแบบเซ็นเซอร์อินฟราเรดแบบนี้ว่า เซ็นเซอร์อินฟราเรดแบบไพโรอิเล็กทริก ("พาสซีฟ") เพราะวัสดุตรวจจับจะสร้างประจุไฟฟ้าขนาดเล็กเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง

เซ็นเซอร์อินฟราเรดแบบแอคทีฟทำงานตรงกันข้าม พวกมันส่งลำแสงออกไปและคอยตรวจจับสิ่งที่มาตัดลำแสงนั้น ในขณะที่อุปกรณ์ PIR จะอยู่นิ่งๆ และรออยู่เฉยๆ ความแตกต่างนี้เองที่เป็นเหตุผลว่าทำไมระบบอินฟราเรดแบบพาสซีฟจึงใช้พลังงานน้อยมากและทำงานได้ดีในอุปกรณ์ที่ใช้แบตเตอรี่

ผิวหนังมนุษย์ปล่อยความร้อนสูงในช่วงแคบๆ ตารางด้านล่างแสดงให้เห็นว่าตัวกรอง PIR เข้ากับช่วงความร้อนนั้นได้ อย่างไร

สองส่วนข้างใน

ภายในเซ็นเซอร์ PIR แต่ละตัวจะมีช่องตรวจจับสองช่อง ผู้ผลิตจะตัดช่องเหล่านี้จากวัสดุที่ไวต่อรังสีอินฟราเรด ซึ่งโดยทั่วไปคือซิลิคอนเคลือบพิเศษช่องหนึ่งส่งสัญญาณบวก อีกช่องหนึ่งส่งสัญญาณลบ ลองนึกภาพว่าเป็นเซ็นเซอร์สองตัวที่สมดุลกันวางประกบกัน

เมื่อไม่มีอะไรเปลี่ยนแปลงช่องทั้งสองจะได้รับรังสีอินฟราเรดพื้นหลังในปริมาณเท่ากันสัญญาณของทั้งสองช่องจะหักล้างกันเอง ทำให้สัญญาณเอาต์พุตคงที่และเงียบ ความสมดุลนี้เป็นกุญแจสำคัญของการออกแบบ

การเปลี่ยนแปลง ไม่ใช่การเคลื่อนไหว

ผลึกไพโรอิเล็กทริกจะสร้างประจุเฉพาะเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงเท่านั้น หากนำแหล่งความร้อนคงที่มาวางไว้ข้างหน้า จะไม่มีอะไรเกิดขึ้นหลังจากช่วงเวลาแรกเซ็นเซอร์นี้ไม่สนใจอุณหภูมิสัมบูรณ์แต่จะสนใจความแตกต่างของอุณหภูมิ

เมื่อคุณเดินผ่านเซ็นเซอร์ ร่างกายของคุณจะผ่านช่องแรกก่อน ช่องแรกจะตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของรังสีอินฟราเรดอย่างฉับพลัน ส่วนช่องที่สองยังคงตรวจจับระดับรังสีพื้นหลังปกติ ความแตกต่างนี้ทำให้เกิดสัญญาณพัลส์บวกเมื่อคุณเดินออกไป สิ่งตรงกันข้ามจะเกิดขึ้นและสัญญาณพัลส์ลบจะปรากฏขึ้น เซ็นเซอร์จะอ่านสัญญาณพัลส์เหล่านี้เป็นการเคลื่อนไหว หากทั้งห้องอุ่นขึ้นอย่างช้าๆ และสม่ำเสมอ สัญญาณทั้งสองส่วนจะเปลี่ยนแปลงเท่ากัน สัญญาณของทั้งสองส่วนจะหักล้างกัน ดังนั้นจึงไม่มีการทำงานใดๆ เกิดขึ้น นี่คือเหตุผลที่อุปกรณ์ PIR ตอบสนองต่อคนเคลื่อนไหว แต่ไม่ตอบสนองต่อผนังที่อุ่นขึ้น

ปัญหาหน้าต่างเล็ก ๆ

องค์ประกอบไพโรอิเล็กทริกภายในเซ็นเซอร์ PIR มีขนาดเล็กมาก ช่องรับแสงก็เล็กจิ๋ว ช่องเปิดเล็กๆ นั้นสามารถรับแสงอินฟราเรดได้จากมุมแคบๆ เพียงมุมเดียวตรงหน้าเท่านั้น ลองนึกภาพตัวเองมองเข้าไปในห้องกว้างๆ ผ่านหลอดดูดน้ำ คุณจะเห็นเพียงส่วนเล็กๆ ของทุกสิ่งรอบตัวเท่านั้น

เซ็นเซอร์ที่ไม่มีเลนส์หรือส่วนประกอบอื่นๆ นั้นมีปัญหาอย่างร้ายแรง คือไม่สามารถดูดความร้อนจากบริเวณกว้างได้ หากมีใครเดินไปด้านข้าง เซ็นเซอร์ก็จะไม่สามารถตรวจจับได้เลย เพราะตัวเซ็นเซอร์เองไม่สามารถรวบรวมรังสีเหล่านั้นได้ ปัญหานี้คือปัญหาของช่องรับแสงขนาดเล็ก และมันส่งผลต่อการออกแบบทุกอย่างที่ตามมา

เซ็นเซอร์ทั่วไปที่ไม่มีทิศทาง

ตัวตรวจจับความร้อนแบบไพโรอิเล็กทริกนั้นไม่มีความรู้สึกถึงทิศทางโดยธรรมชาติ มันไม่รู้ว่าความร้อนมาจากไหน มันเพียงแต่รายงานว่ามีพลังงานอินฟราเรดตกกระทบที่พื้นผิวของมัน ผู้ผลิตสร้างตัวตรวจจับเหล่านี้เป็นส่วนประกอบทั่วไป พวกมันไม่มีช่วงการทำงานที่แน่นอน ไม่มีมุมมอง และไม่มีความรู้สึกเชิงพื้นที่

ระบบเลนส์เป็นส่วนที่กำหนดขอบเขตการตรวจจับของเซ็นเซอร์ หากไม่มีระบบเลนส์ ตัวเซ็นเซอร์จะตอบสนองต่อความร้อนใดๆ ก็ตามที่ตกกระทบลงบนพื้นผิวเล็กๆ ของมัน มันไม่สามารถแยกแยะซ้ายขวาหรือใกล้ไกลได้ วิศวกรแก้ปัญหานี้โดยการเพิ่มเลนส์ที่ให้โครงสร้างและทิศทางแก่ตัวเซ็นเซอร์ ระบบเลนส์เปลี่ยนเครื่องตรวจจับความร้อนที่มองไม่เห็นให้กลายเป็นอุปกรณ์ที่รู้ว่าจะต้องมองไปที่ใด

เหตุใดเลนส์เซ็นเซอร์ PIR จึงมีความสำคัญ

เลนส์เซ็นเซอร์ PIRไม่ใช่ส่วนเสริม แต่เป็นส่วนสำคัญที่ขาดไม่ได้ในการออกแบบที่ใช้งานได้จริงทุกรูปแบบ หากไม่มีเลนส์นี้ เซ็นเซอร์จะตรวจจับได้เพียงพื้นที่เล็กๆ ในห้องเท่านั้น คนอาจเดินผ่านขอบเขตของพื้นที่นั้นไปโดยที่เซ็นเซอร์ไม่ทำงาน อุปกรณ์ก็จะล้มเหลวในการทำหน้าที่หลักของมัน

เลนส์ช่วยแก้ไขปัญหานี้โดยการดึงแสงอินฟราเรดจากมุมมองที่กว้างเข้ามา แล้วส่งรังสีเหล่านั้นไปยังชิ้นส่วนไพโรอิเล็กทริกขนาดเล็ก นี่คือวิธีที่เซ็นเซอร์ PIR ให้การตรวจจับที่ครอบคลุมพื้นที่กว้างตามที่ผู้คนต้องการจากไฟตรวจจับความเคลื่อนไหวและสัญญาณเตือนภัย เลนส์ยังแบ่งมุมมองออกเป็นโซน ซึ่งช่วยให้ชิ้นส่วนตรวจจับการเคลื่อนไหวได้ดีกว่าการตรวจจับความร้อนคงที่ อุปกรณ์ PIR ที่เชื่อถือได้ทุกชิ้นอาศัยการทำงานร่วมกันระหว่างเลนส์และชิ้นส่วนตรวจจับ หากไม่มีเลนส์ คุณจะสูญเสียการตรวจจับที่กว้างและเชื่อถือได้ซึ่งทำให้เซ็นเซอร์เหล่านี้ทำงานได้ดี

อะไรทำให้เลนส์เฟรสเนลแตกต่างออกไป

เลนส์มาตรฐานใช้เส้นโค้งเรียบต่อเนื่องเพียงเส้นเดียวในการหักเหแสง แต่เลนส์เฟรสเนลใช้วิธีการที่แตกต่างออกไป โดยเปลี่ยนจากเส้นโค้งหนาๆ นั้นเป็นพื้นผิวเรียบที่ปกคลุมด้วยวงแหวนเป็นขั้นๆ การเปลี่ยนแปลงการออกแบบนี้มีความสำคัญต่อเลนส์เซ็นเซอร์ PIR ของคุณ เพราะทำให้เลนส์มีขนาดบางและเบา

การเลือกวัสดุก็มีความสำคัญมากเช่นกัน ผู้ผลิตมักทำเลนส์เหล่านี้จากพลาสติกที่ยอมให้แสงอินฟราเรดผ่านได้ พลาสติกชนิดนั้นจะยอมให้แสงอินฟราเรดผ่านได้แทนที่จะปิดกั้น ตัวเลือกที่นิยมใช้กันอย่างหนึ่งคือPoly FIR200ซึ่งเป็นพอลิเมอร์ที่ทำจากโพลีเอทิลีนจากกลุ่มผลิตภัณฑ์ Poly FIR ของ Fresnel Factoryโดยมีเป้าหมายที่ย่านความถี่อินฟราเรดความร้อน 8–14 µm ที่ใช้ในเซ็นเซอร์ตรวจจับความเคลื่อนไหวแบบ PIR บางแหล่งข้อมูลระบุย่านความถี่เดียวกันเป็น 8–13 µm แทน ผู้ผลิตไม่ได้ระบุเปอร์เซ็นต์การส่งผ่านแสงอินฟราเรดเป็นตัวเลข ดังนั้นผู้ผลิตจึงต้องเลือกพลาสติกตามความยาวคลื่นที่ใช้งานและการส่งผ่านที่ต้องการ

เลนส์แบบดั้งเดิมสำหรับงานนี้จำเป็นต้องใช้กระจกหนา ซึ่งมีน้ำหนักมากและเทอะทะ แต่เลนส์เฟรสเนลนั้นบางมาก โดยส่วนใหญ่มักหนาเพียง 1-5 มิลลิเมตร เท่านั้น ส่วนเลนส์ทั่วไปที่มีรูรับแสงขนาดใหญ่ อาจหนาถึง 10-100 มิลลิเมตร ความแตกต่างนี้ส่งผลกระทบอย่างมากต่ออุปกรณ์ตรวจจับความเคลื่อนไหวขนาดเล็ก

ร่องวงกลมซ้อนกันเป็นแหล่งกำเนิดการหักเหของแสง

เคล็ดลับของเลนส์เฟรสเนลอยู่ที่ลวดลายบนพื้นผิว เลนส์นี้มีร่องวงกลมซ้อนกัน หลายชั้น แต่ละร่องทำหน้าที่เหมือนพื้นผิวหักเหแสงขนาดเล็ก เมื่อรวมกันแล้ว ร่องเหล่านี้จะหักเหรังสีอินฟราเรดที่ขนานกันให้ไปรวมกันที่จุดโฟกัสจุดเดียว

วิธีนี้อาศัยหลักการที่เรียกว่าการแบ่งพื้นผิวที่เทียบเท่ากันโดยไม่ได้หักเหแสงผ่านพื้นผิวโค้งต่อเนื่องเพียงพื้นผิวเดียว แต่เลนส์จะแบ่งพื้นผิวนั้นออกเป็นแถบการหักเหอิสระหลายแถบ แต่ละแถบจะคงมุมการหักเหเฉพาะที่จากจุดที่สอดคล้องกันบนเลนส์เดิม จากนั้นแสงจากบริเวณต่างๆ จะถูกหักเหไปยังจุดโฟกัสเดียวกัน แม้ว่าพื้นผิวจะเป็นแบบขั้นบันได แต่การรวมแสงโดยรวมก็ใกล้เคียงกับเลนส์โค้งเต็มรูปแบบ

มุมลาดเอียงของแต่ละร่องบนพื้นผิวทำหน้าที่หักเหแสง มุมนั้นจะส่งแสงจากบริเวณต่างๆ ไปยังจุดโฟกัสเดียวกัน คุณสามารถนึกภาพได้เหมือนกับกลุ่มของปริซึมขนาดเล็ก แต่ละปริซึมจัดการกับวงแหวนของรังสีอินฟราเรดที่เข้ามา ไม่มีร่องใดร่องหนึ่งทำงานทั้งหมด ร่องต่างๆ ทำงานร่วมกัน

นั่นคือเหตุผลที่ลวดลายต้องมีความแม่นยำ หากมุมของร่องใดร่องหนึ่งเปลี่ยนไป วงแหวนแสงก็จะพลาดจุดโฟกัส เซ็นเซอร์ก็จะสูญเสียความไวในบริเวณนั้น การผลิตที่ดีจะช่วยให้ร่องทุกร่องอยู่ในแนวเดียวกัน

รูรับแสงที่มีประสิทธิภาพที่ใหญ่ขึ้น

รูรับแสงหมายถึงปริมาณแสงที่เลนส์สามารถรับได้ รูรับแสงที่ใหญ่ขึ้นจะทำให้รังสีอินฟราเรดเข้าถึงเซ็นเซอร์ได้มากขึ้น รังสีอินฟราเรดที่มากขึ้นจะให้ระยะการตรวจจับและความไวที่ดีขึ้น

เลนส์เฟรสเนลช่วยให้ได้รูรับแสงที่มีประสิทธิภาพใหญ่ขึ้นแต่ยังคงมีน้ำหนักเบาและบาง ระบบหักเหแสงแบบปกติที่มีรูรับแสงเท่ากันจะมีน้ำหนักมากกว่าและซับซ้อนกว่ามาก การออกแบบเลนส์เฟรสเนลช่วยแก้ปัญหานี้ได้ ช่วยเพิ่มระยะการตรวจจับโดยไม่เพิ่มขนาด

ตัวเลขต่างๆ สนับสนุนข้อนี้ เลนส์เฟรสเนลที่ได้รับการปรับแต่งอย่างเหมาะสมสามารถดักจับพลังงานอินฟราเรดที่เข้ามาได้ถึง 85%ช่วยขยายระยะการตรวจจับได้ไกลถึง 30 เมตร หรือประมาณ 100 ฟุต ประสิทธิภาพยังคงที่แม้สภาพแวดล้อมจะเปลี่ยนแปลงไป เนื่องจากใช้วัสดุที่โปร่งแสงต่ออินฟราเรด เช่น PMMA

ลองนึกถึงภาพเปรียบเทียบแว่นขยายดู แว่นขยายจะรวบรวมแสงแดดทั่วทั้งพื้นผิวและหักเหรังสีขนานเหล่านั้นไปยังจุดสว่างจุดเดียว เลนส์เฟรสเนลก็ทำเช่นเดียวกันกับความร้อน รังสีอินฟราเรดขนานจะกระทบกับพื้นผิวเรียบ ร่องวงกลมที่อยู่ด้านในจะหักเหรังสีแต่ละเส้นเข้าด้านใน รังสีทั้งหมดเหล่านั้นจะมาบรรจบกันที่องค์ประกอบไพโรอิเล็กทริกขนาดเล็กภายในเซ็นเซอร์อินฟราเรด

เลนส์แบบบางยังช่วยในอีกด้านหนึ่งด้วย เลนส์แก้วหนาจะปิดกั้นรังสีอินฟราเรดบางส่วนก่อนที่จะไปถึงเซ็นเซอร์ การออกแบบเลนส์เฟรสเนลพลาสติกแบบบางช่วยลดการสูญเสีย และยังมีต้นทุนการผลิตจำนวนมากที่ต่ำกว่า ข้อได้เปรียบด้านต้นทุนนี้เองที่ทำให้เลนส์เฟรสเนลปรากฏอยู่ในเครื่องตรวจจับความเคลื่อนไหวราคาประหยัดเกือบทุกรุ่นในท้องตลาด

เลนส์เฟรสเนลเป็นชิ้นส่วนทางแสงน้ำหนักเบาที่สร้างขึ้นจากส่วนวงแหวนซ้อนกันหลายชั้น เรียกว่าโซนเฟรสเนลหรือขั้นบันได แต่ละโซนทำหน้าที่เป็นปริซึมหักเหแสงของตัวเอง เมื่อรวมกันแล้ว พวกมันจะหักเหและรวมแสงเหมือนเลนส์หนาแบบดั้งเดิม แต่มีความหนาและน้ำหนักน้อยกว่ามาก ทำให้การออกแบบนี้เหมาะสำหรับงานที่ขนาด น้ำหนัก และประสิทธิภาพมีความสำคัญอย่างแท้จริง

หลักการทำงานสำหรับเซ็นเซอร์ของคุณนั้นง่ายมาก แผ่นพลาสติกบางๆ จะรวบรวมความร้อนจากพื้นที่กว้างและส่งไปยังตัวตรวจจับขนาดเล็ก การทำงานร่วมกันระหว่างระบบแสงและเซ็นเซอร์นี่เองที่ทำให้การตรวจจับการเคลื่อนไหวมีความน่าเชื่อถือ

การตัดเลนส์ออกเป็นเลนส์ขนาดเล็ก

เลนส์เรียบเพียงชิ้นเดียวจะรวมความร้อนที่เข้ามาทั้งหมดไว้ที่จุดเดียว การออกแบบเช่นนั้นจะทำให้มุมมองแคบและตรวจจับการเคลื่อนไหวได้ไม่ดี เซ็นเซอร์ PIR ที่แท้จริงแก้ไขปัญหานี้โดยการตัดเลนส์ออกเป็นเหลี่ยมเล็กๆ หลายเหลี่ยม แต่ละเหลี่ยมทำงานเหมือนเลนส์ขนาดเล็กแต่ละตัว โดยแต่ละเหลี่ยมจะเล็งไปยังส่วนต่างๆ ของห้อง

คุณสามารถนึกภาพเลนส์เป็นเหมือนภาพโมเสกที่ประกอบด้วยหน้าต่างเล็กๆ หลายบาน หน้าต่างแต่ละบานมองไปในทิศทางที่แตกต่างกัน บางบานหันไปทางซ้าย บางบานหันไปทางขวา บางบานมองใกล้พื้น บางบานมองไกลออกไป เมื่อรวมกันแล้ว หน้าต่างเหล่านี้จะสร้างพื้นที่รับรู้ที่กว้างจากมุมมองแคบๆ หลายมุม

การเจียระไนเหลี่ยมมุมเหล่านี้เองที่ทำให้เลนส์ออปติกพื้นฐานแตกต่างจากเลนส์เซ็นเซอร์ PIR ที่แท้จริง แผ่นพลาสติกยังคงมีร่องวงกลมอยู่ ร่องเหล่านั้นอยู่ภายในเหลี่ยมมุมแต่ละด้าน และเหลี่ยมมุมแต่ละด้านจะหักเหรังสีอินฟราเรดไปยังองค์ประกอบไพโรอิเล็กทริกภายใน ผลลัพธ์ที่ได้คือเลนส์ที่สามารถมองเห็นได้ทั้งห้องพร้อมกัน ไม่ใช่แค่เส้นบางๆ เส้นเดียว

โซนสลับซ้อนและสัญญาณส่วนต่าง

การจัดเรียงแบบเหลี่ยมมุมนั้นไม่ได้แค่ขยายมุมมองเท่านั้น แต่ยังสร้างโซนตรวจจับที่สลับกันไปมาอีกด้วย แต่ละเหลี่ยมมุมจะชี้ไปยังครึ่งหนึ่งขององค์ประกอบเซ็นเซอร์ PIR ที่แตกต่างกัน รูปแบบการสลับกันนี้เป็นหัวใจสำคัญของวิธีการที่เซ็นเซอร์ตรวจจับการเคลื่อนไหว

ลองนึกถึงสภาวะหยุดนิ่ง ทั้งสองส่วนของตัวตรวจจับได้รับรังสีอินฟราเรดจากสิ่งแวดล้อมในปริมาณเท่ากัน สัญญาณของทั้งสองส่วนจะหักล้างกัน และค่าเอาต์พุตจะเป็นศูนย์ ทีนี้ลองนึกภาพร่างกายที่อบอุ่นกำลังเดินข้ามห้อง ร่างกายนั้นจะผ่านบริเวณที่เล็งไปที่ครึ่งหนึ่งของตัวตรวจจับก่อน ทันใดนั้นครึ่งนั้นก็จะได้รับรังสีอินฟราเรดมากกว่าอีกครึ่งหนึ่ง จึงเกิดการเปลี่ยนแปลงค่าความแตกต่างที่เป็นบวกขึ้นระหว่างสองส่วนนั้น

ร่างกายยังคงเคลื่อนที่ต่อไป มันเข้าสู่โซนถัดไปซึ่งชี้ไปยังครึ่งด้านตรงข้าม ตอนนี้ครึ่งหลังรับความร้อนเข้าไป ครึ่งแรกกลับไปสู่ระดับพื้นหลัง แรงดันไฟฟ้าแกว่งไปในทิศทางตรงกันข้าม เกิดการเปลี่ยนแปลงความแตกต่างในเชิงลบขึ้น

สัญญาณพัลส์บวกและลบที่สลับกันเหล่านี้คือสิ่งที่เซ็นเซอร์อ่านค่าเป็นการเคลื่อนไหว เลนส์เฟรสเนลทำให้สิ่งนี้เป็นไปได้ เลนส์ย่อยของมันสร้างรูปแบบที่สลับกันไปมา เลนส์ย่อยแต่ละตัวทำหน้าที่เหมือนเลนส์เฟรสเนลขนาดเล็กในตัวเอง การเจียระไนเหลี่ยมมุมที่แตกต่างกันและการจัดเรียงของเลนส์ย่อยเหล่านี้ทำให้เกิดพื้นที่ตรวจจับที่หลากหลายซึ่งทับซ้อนและสลับกันไป วัตถุที่เคลื่อนที่และมีอุณหภูมิสูงจะเผยให้เห็นทั้งสองส่วนสลับกัน เซ็นเซอร์จะเห็นสัญญาณที่ชัดเจนและซ้ำกันแทนที่จะเป็นเส้นตรงราบเรียบ

การออกแบบนี้ยังช่วยป้องกันสัญญาณเตือนที่ผิดพลาดด้วย แหล่งความร้อนคงที่ เช่น ผนังอุ่น จะส่งผลต่อทั้งสองส่วนอย่างเท่าเทียมกัน สัญญาณจะหักล้างกันเอง ไม่มีตัวกระตุ้นใดทำงาน มีเพียงวัตถุที่เคลื่อนที่เท่านั้นที่จะสร้างรูปแบบการสลับที่วงจรต้องการ

ครอบคลุมพื้นที่กว้าง ไวต่อการเคลื่อนไหวเล็กน้อย

การออกแบบเหลี่ยมมุมให้ประโยชน์สองประการพร้อมกัน คุณจะได้รับการครอบคลุมพื้นที่กว้าง และยังมีความไวในการตรวจจับการเคลื่อนไหวเล็กๆ ภายในบริเวณนั้นได้อีกด้วย

เลนส์เฟรสเนลแบบเหลี่ยมมุมทั่วไปให้การครอบคลุมแนวนอนในมุมกว้างสำหรับห้องหรือทางเดิน การครอบคลุมแนวตั้งจะครอบคลุมระดับพื้นทางเดินที่ผู้คนสัญจรไปมา

ความกว้าง ขอบเขต และรูปแบบการรับรู้ดังกล่าว เกิดจากการทำงานร่วมกันของหลายองค์ประกอบ แต่ละองค์ประกอบครอบคลุมพื้นที่เล็กๆ เมื่อรวมกันทั้งหมดจะครอบคลุมพื้นที่ขนาดใหญ่ บุคคลสามารถเดินไปที่ใดก็ได้ภายในพื้นที่นั้นและยังคงสามารถข้ามไปยังหลายโซนได้

การเคลื่อนไหวเล็กๆ ก็สำคัญเช่นกัน การโบกมือหรือการก้าวเดินเพียงครั้งเดียวก็สามารถข้ามขอบเขตพื้นที่ได้ เลนส์จะโฟกัสการเปลี่ยนแปลงเพียงชั่วครู่ไปยังองค์ประกอบนั้น สัญญาณตรวจจับจะทำงาน นี่คือเหตุผลที่ไฟตรวจจับความเคลื่อนไหวจะเปิดขึ้นเมื่อคุณก้าวเข้าไปในห้องเพียงแค่ก้าวเดียว

ร่องบนแต่ละด้านของเซ็นเซอร์นั้นมีความแม่นยำด้วยเหตุผลบางประการ ร่องที่ไม่ตรงแนวจะทำให้วงแหวนแสงเบี่ยงเบนไปจากเป้าหมาย ทำให้บริเวณนั้นมีความไวลดลง การผลิตที่ดีจะทำให้ทุกด้านและทุกร่องอยู่ในแนวเดียวกัน ผลลัพธ์ที่ได้คือเซ็นเซอร์ที่ครอบคลุมพื้นที่กว้างและยังสามารถตรวจจับการเคลื่อนไหวที่เล็กที่สุดได้

จากแหล่งความร้อนสู่สัญญาณไฟฟ้า

ตอนนี้คุณรู้แล้วว่าเลนส์ทำหน้าที่รวบรวมและแยกแสงอินฟราเรดเซ็นเซอร์จะแปลงการเปลี่ยนแปลงความร้อนให้เป็นพัลส์แรงดันไฟฟ้าขนาดเล็ก ความมหัศจรรย์ที่แท้จริงเกิดขึ้นเมื่อทั้งสองส่วนนี้ทำงานร่วมกัน ติดตามห่วงโซ่สัญญาณตั้งแต่ต้นจนจบ

เมื่อวัตถุอุ่นเข้ามาในบริเวณตรวจจับ เลนส์ของเซ็นเซอร์ PIR จะหักเหความร้อนนั้นไปยังจุดโฟกัส รังสีอินฟราเรดที่โฟกัสแล้วจะตกกระทบกับองค์ประกอบตรวจจับแบบไพโรอิเล็กทริก ผลึกจะเปลี่ยนการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิให้เป็นประจุไฟฟ้าขนาดเล็ก วงจรประมวลผลจะอ่านค่าประจุนั้นและตัดสินใจว่าจะกระตุ้นการทำงานหรือไม่ การทำงานนั้นจะเปิดไฟ ส่งเสียงเตือน หรือเริ่มเหตุการณ์อัตโนมัติ

เลนส์ยังช่วยลดสัญญาณเตือนที่ผิดพลาดได้อีกด้วย โดยจะส่งรังสีอินฟราเรดไปยังจุดโฟกัสบนแผงเซ็นเซอร์ แหล่งความร้อนคงที่กระทบทั้งสองส่วนขององค์ประกอบอย่างเท่าเทียมกัน สัญญาณจะหักล้างกัน มีเพียงเป้าหมายที่เคลื่อนที่เท่านั้นที่จะทำให้เกิดรูปแบบการสลับที่วงจรต้องการการตอบสนองที่แตกต่างกัน นี้ ช่วยให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สามารถแยกแยะเป้าหมายที่เคลื่อนที่จริงออกจากความเปลี่ยนแปลงอย่างช้าๆ ของอุณหภูมิแวดล้อมได้

หากไม่มีเลนส์ เซ็นเซอร์แบบไพโรอิเล็กทริกจะตรวจจับความร้อนได้ในระยะใกล้เท่านั้น การแบ่งเลนส์ออกเป็นวงแหวนไมโครปริซึมหลายวงซ้อนกัน โดยแต่ละวงทำมุมเพื่อเปลี่ยนทิศทางของภาพในส่วนแคบๆ ไปยังเซ็นเซอร์ ทำให้เซ็นเซอร์ PIR เพียงตัวเดียวสามารถครอบคลุมพื้นที่กว้างได้ในระยะสูงสุด 30 เมตร ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมเลนส์ ไม่ใช่ชิปเซ็นเซอร์ จึงเป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพการทำงานจริงของเครื่องตรวจจับความเคลื่อนไหวส่วนใหญ่

บทบาทของ JFET

สัญญาณไพโรอิเล็กทริกอ่อนมาก จำเป็นต้องมีตัวช่วยก่อนที่วงจรใดๆ จะสามารถใช้งานได้ ตัวช่วยนั้นมาจากแอมพลิฟายเออร์ขนาดเล็กที่สร้างขึ้นภายในตัวเซ็นเซอร์ ทำหน้าที่แปลงสัญญาณคริสตัลที่อ่อนมากให้แรงขึ้น

เครื่องขยายสัญญาณนั้นทำหน้าที่หลายอย่าง มันประมวลผลแรงดันไฟฟ้าไพโรอิเล็กทริกที่อ่อนแอ ปรับสภาพสัญญาณให้พร้อมสำหรับขั้นตอนต่อไป และให้การขยายสัญญาณในขั้นต้น สัญญาณที่ขยายแล้วจึงเดินทางไปยังขั้นตอนต่อไปได้ง่ายขึ้น วงจรประมวลผลจึงสามารถศึกษาสัญญาณนั้นได้โดยไม่สูญเสียข้อมูลดั้งเดิม

โดยปกติแล้วเซ็นเซอร์จะถูกบรรจุอยู่ภายในบรรจุภัณฑ์ที่ปิดสนิท ส่วนแอมพลิฟายเออร์ก็อยู่ในบรรจุภัณฑ์เดียวกัน การจัดวางในตำแหน่งที่ใกล้กันเช่นนี้มีความสำคัญ สัญญาณที่อ่อนและเดินทางไกลก่อนที่จะได้รับการขยายสัญญาณจะรับสัญญาณรบกวน การวางแอมพลิฟายเออร์ไว้ใกล้กับคริสตัลจะช่วยรักษาคุณภาพของสัญญาณให้สูงอยู่เสมอ

เหตุใดความร่วมมือจึงเป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพ

ส่วนประกอบทั้งสองส่วนนี้ทำงานได้ไม่ดีหากแยกกัน เซ็นเซอร์เปล่าๆ มองเห็นได้เพียงพื้นที่แคบๆ ในห้อง เลนส์ที่ไม่มีเซ็นเซอร์ก็ไม่มีอะไรให้โฟกัส เซ็นเซอร์ตรวจจับความเคลื่อนไหวแบบ PIR ต้องอาศัยการทำงานร่วมกันของทั้งสองส่วน

เลนส์ทำหน้าที่กำหนดรูปแบบการตรวจจับ โดยจะสร้างโซนที่ไวต่อการตรวจจับและโซนที่ไม่ไวต่อการตรวจจับสลับกันไปทั่วพื้นที่ที่ต้องการตรวจสอบ เซ็นเซอร์จะอ่านสัญญาณความแตกต่างที่โซนเหล่านั้นสร้างขึ้น ตัวขยายสัญญาณจะเพิ่มกำลังสัญญาณนั้นให้กับวงจร แต่ละขั้นตอนจะต่อยอดจากขั้นตอนก่อนหน้า

การทำงานร่วมกันนี้อธิบายได้ว่าทำไมไฟตรวจจับความเคลื่อนไหวและสัญญาณเตือนภัยทั่วไปจึงทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือ เลนส์ให้การครอบคลุมพื้นที่กว้าง การออกแบบแบบสององค์ประกอบช่วยระบายความร้อนที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง ตัวขยายสัญญาณช่วยเพิ่มความแรงของสัญญาณที่อ่อนแอ เมื่อทำงานร่วมกัน จึงให้การตรวจจับความเคลื่อนไหวที่เชื่อถือได้ในพื้นที่กว้าง ประสิทธิภาพการทำงานในโลกแห่งความเป็นจริงนั้นขึ้นอยู่กับการทำงานร่วมกันขององค์ประกอบเหล่านี้ ไม่ใช่เพียงองค์ประกอบใดองค์ประกอบหนึ่ง

เลนส์เฟรสเนลจะแยกแสงอินฟราเรดที่เข้ามาออกเป็นหลายโซน และหักเหแต่ละโซนไปยังองค์ประกอบตรวจจับ ความร้อนที่ถูกโฟกัสนี้จะสร้างสัญญาณความแตกต่างที่เซ็นเซอร์ PIR ของคุณต้องการเพื่อตรวจจับการเคลื่อนไหว

หากไม่มีเลนส์ เซ็นเซอร์เปล่าจะมองเห็นเพียงส่วนเล็กๆ ของห้อง ไม่สามารถตรวจจับความร้อนจากพื้นที่กว้าง หรือบอกได้ว่าวัตถุที่ให้ความร้อนกำลังเคลื่อนที่ไปที่ใด เลนส์จึงจำเป็นสำหรับการครอบคลุมพื้นที่อย่างแท้จริง

นี่คือเหตุผลว่าทำไมเซ็นเซอร์ตรวจจับความเคลื่อนไหวทั่วไปจึงทำงานได้ดี ด้วยเลนส์เฟรสเนลที่ได้รับการปรับแต่งมาเป็นอย่างดี บางรุ่นสามารถตรวจจับได้ไกลถึง 30 เมตร (ประมาณ 100 ฟุต) และการออกแบบเลนส์ยังช่วยกำหนดขอบเขตการมองเห็น เลนส์นี้ทำให้การครอบคลุมพื้นที่กว้างและคงที่นั้นเป็นไปได้

เหตุใดเซ็นเซอร์ PIR จึงต้องใช้เลนส์เฟรสเนล?

หากไม่มีเลนส์ เซ็นเซอร์ขนาดเล็กจะมองเห็นเพียงส่วนเล็กๆ ของห้องเท่านั้นเลนส์เฟรสเนลจะดึงความร้อนจากพื้นที่กว้างและส่งไปยังเซ็นเซอร์นั้น ดังนั้นคุณจึงได้รับการครอบคลุมพื้นที่กว้างและการตรวจจับที่เชื่อถือได้โดยไม่ต้องเพิ่มขนาดใดๆ

เหตุใดเซ็นเซอร์จึงใช้ส่วนประกอบตรวจจับสองชิ้น?

องค์ประกอบสองชิ้นวางอยู่ติดกัน เมื่ออยู่ในสภาวะหยุดนิ่ง ทั้งสองจะได้รับรังสีอินฟราเรดจากพื้นหลังเหมือนกัน ดังนั้นสัญญาณของทั้งสองจึงหักล้างกัน เมื่อวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงเคลื่อนผ่านองค์ประกอบชิ้นใดชิ้นหนึ่งก่อน สัญญาณที่แตกต่างกันก็จะปรากฏขึ้น การเปลี่ยนแปลงนั้นจะบอกวงจรว่ามีบางสิ่งเคลื่อนไหว

เซ็นเซอร์ PIR ตรวจจับการเคลื่อนไหวโดยตรงหรือไม่?

ไม่เชิงครับ เซ็นเซอร์จะตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของรังสีอินฟราเรด วัตถุที่เคลื่อนที่และให้ความร้อนจะทำให้เกิดรูปแบบการเปลี่ยนแปลงบนองค์ประกอบทั้งสอง และรูปแบบนั้นจะถูกนับว่าเป็นการเคลื่อนไหว หากคุณอยู่นิ่ง เซ็นเซอร์จะไม่เห็นการเปลี่ยนแปลงใดๆ และจะหยุดทำงานในไม่ช้า

เซ็นเซอร์ PIR สามารถตรวจจับความร้อนผ่านผนังหรือกระจกได้หรือไม่?

ไม่ครับ วัสดุก่อสร้างส่วนใหญ่และกระจกทั่วไปจะปิดกั้นคลื่นแสงอินฟราเรดที่เซ็นเซอร์เหล่านี้ใช้ คุณต้องมีเส้นทางที่มองเห็นได้ชัดเจนระหว่างวัตถุที่ร้อนกับเลนส์เฟรสเนล เลนส์จะโฟกัสแสงอินฟราเรดที่เข้ามาก็ต่อเมื่อไม่มีสิ่งใดมาขวางทางเท่านั้น

เซ็นเซอร์ PIR ตรวจจับได้ไกลแค่ไหน?

เซ็นเซอร์ PIR ที่ไม่มีเลนส์ที่ปรับแต่งอย่างเหมาะสมจะครอบคลุมระยะที่สั้นกว่า แต่หากใช้เลนส์ Fresnel ที่ดีกว่า บางรุ่นสามารถตรวจจับได้ไกลถึง 30 เมตร (ประมาณ 100 ฟุต) การออกแบบเลนส์ รูปแบบของเหลี่ยมเลนส์ และความไวขององค์ประกอบต่างๆ จะเป็นตัวกำหนดระยะการตรวจจับที่แท้จริง

อะไรคือสาเหตุที่ทำให้เซ็นเซอร์ PIR ส่งสัญญาณเตือนผิดพลาด?

การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว แสงแดดโดยตรง และวัตถุที่เคลื่อนที่ให้ความร้อน อาจทำให้เกิดสัญญาณเตือนผิดพลาดได้ การออกแบบเลนส์แบบสองชิ้นและรูปแบบการกระจายความร้อนจะช่วยป้องกันความร้อนคงที่ เซ็นเซอร์จะตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่เกิดจากวัตถุที่เคลื่อนที่เท่านั้น

JFET ทำหน้าที่อะไรภายในเซ็นเซอร์?

ตัวเหนี่ยวนำไฟฟ้าสร้างสัญญาณที่อ่อนมาก มีแอมพลิฟายเออร์ขนาดเล็กวางอยู่ข้างๆ เพื่อเพิ่มความแรงของสัญญาณ การเพิ่มความแรงนี้ทำให้สัญญาณมีความแรงเพียงพอสำหรับวงจรประมวลผลในการตีความได้อย่างชัดเจน