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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Sensores infravermelhos piroelétricos. Data de referência
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Materiais de referência Hoje, poucas pessoas se surpreendem com a porta de uma instituição ou loja se abrindo automaticamente na frente de um visitante. Na maioria desses casos, a aproximação de uma pessoa é “sentida” por um dispositivo pendurado acima da porta, equipado com um sensor piroelétrico (receptor) de radiação IR. Esses sensores são altamente sensíveis, duráveis e fáceis de usar. Eles são amplamente utilizados, inclusive em sistemas de segurança e alarme de incêndio e medidores remotos de temperatura. O efeito piroelétrico (pyros em grego - fogo) - a geração de cargas elétricas em cristais sob a influência do calor - é conhecido há muito tempo, foi estudado pelo famoso físico alemão Wilhelm Roentgen no século XIX. O efeito é semelhante ao piezoelétrico, além disso, os piroelétricos, via de regra, também possuem propriedades piezoelétricas. Nos cristais de origem natural (quartzo, turmalina), o efeito piroelétrico é expresso de forma bastante fraca, mas a possibilidade da existência de substâncias com um coeficiente piroelétrico arbitrariamente grande - a relação entre o aumento da carga elétrica e o aumento da temperatura que o causou - foi teoricamente demonstrado. Há relativamente pouco tempo, tais substâncias pertencentes à classe dos ferroelétricos foram sintetizadas e sensores sensíveis foram criados a partir delas. Um circuito de sensor típico é mostrado na Fig. 1. O elemento sensível B1 é uma espécie de capacitor - uma placa piroelétrica com placas de metal. Uma camada de substância capaz de absorver radiação eletromagnética (térmica) é aplicada a uma das placas. Como resultado da absorção de energia, a temperatura da placa do capacitor aumenta e uma tensão de polaridade estritamente definida aparece entre as placas. Sendo aplicado à seção porta-fonte do transistor de efeito de campo integrado VT1, causa uma mudança na resistência de seu canal. O sinal de saída é obtido de um resistor de carga externo conectado ao circuito de drenagem do transistor.
Depois de algum tempo, independentemente de a radiação térmica continuar ou não atuando no sensor, o capacitor irá descarregar através da resistência de vazamento R1 - o sinal de saída cai para zero. Freqüentemente, os sensores são equipados com vários elementos sensores conectados em série com polaridade alternada. Isto garante que o dispositivo seja insensível à irradiação de fundo uniforme e obtenha uma tensão de saída alternada ao mover a imagem focada de um objeto ao longo da superfície sensível do sensor. A sensibilidade de um sensor piroelétrico é geralmente medida usando uma configuração mostrada esquematicamente na Fig. 2. Um simulador de corpo negro é usado como fonte de radiação térmica. O fluxo é periodicamente, com frequência de 1 Hz, bloqueado por um disjuntor-damper acionado por motor elétrico. Pulsos IR chegam ao elemento sensível do sensor e fazem com que pulsos de tensão apareçam no resistor de carga externo R1. É fácil ver que o transistor de efeito de campo do sensor está conectado aqui como seguidor de fonte.
Como mostram as medições, a sensibilidade do sensor diminui quase na proporção do aumento na frequência dos pulsos de radiação por ele recebidos. A razão para isto é a significativa inércia térmica do elemento sensível. Sensores projetados para operar sob grandes variações de temperatura ambiente são equipados com dois elementos sensíveis conectados em série de contadores - um elemento de trabalho e um elemento de compensação. O elemento de compensação pode ser fechado ao fluxo de radiação externo, mas está nas mesmas condições de temperatura do elemento operacional. As características da sensibilidade espectral do sensor são determinadas pela capacidade de absorção do material de revestimento da placa piroelétrica em uma determinada faixa de frequência de radiação eletromagnética. Finalmente é formado por meio de filtros ópticos instalados na frente do elemento sensível. As características típicas da sensibilidade espectral de várias versões de sensores piroelétricos são mostradas na Fig. 3.
Sensores com característica 1 são projetados para detectar chamas, 2 e 3 são mais adequados para registrar movimentos humanos. A característica 4 é ideal para uso em medidores remotos de temperatura. Sensores piroelétricos para diversos fins são produzidos por diversas empresas. A seguir falaremos detalhadamente sobre os produtos de uma delas - Murata Manufacturing Co (Japão). Os sensores são alojados em uma caixa metálica cilíndrica com três (ou quatro) fios rígidos estanhados (Fig. 4). Na extremidade plana da caixa, oposta aos terminais, há uma janela quadrada, retangular ou redonda coberta por um filtro transparente aos raios infravermelhos. A mesma figura mostra a pinagem dos dispositivos.
As principais características técnicas dos sensores piroelétricos da série IRA da Murata são apresentadas na tabela.
Os sensores IRA-E710ST0, IRA-E910ST1, IRA-E420S1 e IRA-E420QW1 possuem capacitores de bypass integrados entre os pinos de porta e fonte, bem como os pinos de porta e dreno dos transistores de efeito de campo. O corpo do dispositivo IRA-E940ST1 contém dois sensores com dois elementos sensíveis cada. O dispositivo possui um terminal comum e um terminal de dreno combinado, os terminais de fonte dos transistores são separados. Um diagrama típico do uso de um sensor piroelétrico em um dispositivo de alarme de segurança é mostrado na Fig. 5. Os capacitores C1 e C2 servem para suprimir interferências de alta frequência nos terminais do sensor B1 e devem ser instalados próximos a ele. Esses capacitores não são necessários se o sensor aplicado já possuir capacitores integrados.
O transistor de efeito de campo interno do sensor B1 é conectado de acordo com o circuito seguidor da fonte. Sua carga é o resistor R1. As flutuações de tensão que ocorrem quando um objeto aquecido se move em uma área sensível são amplificadas por dois amplificadores operacionais - DA1.1 e DA1.2. Seu ganho geral atinge o pico de 7500 a 2 Hz, caindo 3 dB nos pontos de frequência de 0,5 e 5,5 Hz. No entanto, a inércia do próprio sensor altera significativamente a largura de banda geral do sistema sensor-amplificador - para 0,06...1,2 Hz. Assim que a amplitude do sinal na saída do amplificador operacional DA1.2 ultrapassar 0,8 V, o comparador DA2.1 é acionado se o surto de tensão for positivo, ou DA2.2 se for negativo, em relação a um determinado valor próximo à metade da tensão de alimentação (é determinada pelos valores do resistor R10 e R12). As saídas dos comparadores (coletor aberto) são conectadas em paralelo, portanto, quando alguma delas é acionada, o nível lógico na entrada do microcontrolador muda. Como resultado do processamento da sequência de pulsos recebida (medição de sua duração, contagem do número por um determinado período de tempo), o microcontrolador gera um sinal de controle que aciona o atuador ou unidade de alarme. Para aumentar a zona de sensibilidade espacial do sensor, geralmente é instalada uma lente na frente de sua janela óptica que foca os raios IR em uma placa piroelétrica. Para obter um formato em leque do setor de visualização sensível, semelhante ao mostrado de forma simplificada na Fig. 6a, é usada uma lente Fresnel zonada. Consiste em muitas seções de foco separadas, cada uma formando seu próprio feixe sensível vindo de uma direção específica. Como resultado, quando um objeto em movimento se move de um feixe para outro, o sensor gera uma tensão alternada.
Um leque semelhante de raios também é formado no plano vertical (Fig. 6,b). Utilizando lentes Fresnel de estrutura especial, é possível variar o formato das pétalas para obter as melhores condições de detecção de um objeto em um determinado campo de visão. Além dos sensores da série IRA, a Murata produz módulos piroelétricos IMD-B101-01 e IMD-B102-01. Junto com o próprio sensor, tal módulo contém um amplificador e um modelador de pulso adequado para alimentar as entradas de elementos lógicos padrão (nó A3). O diagrama de blocos do módulo é mostrado na Fig. 7, e o desenho do alojamento está na Fig. 8.
A pinagem dos módulos difere pouco. Ambos possuem o pino 1 - um pino negativo comum da fonte de alimentação; pino 3 - pino de alimentação positivo; pino 4 - saída digital. Mas para o módulo IMD-B101-01, o pino 2 é a saída analógica do amplificador de sinal do sensor e para o IMD-B102-01 é a entrada do sinal de ativação da chave. As principais características dos módulos:
Em sistemas que ligam automaticamente a iluminação quando é detectado movimento na sala, a entrada estroboscópica do módulo IMD-B102-01 geralmente é fornecida com um sinal de um fotorresistor que responde à iluminação geral. Isso evita que o sistema opere durante o dia. Autor: A. Sergeev, Moscou com base em materiais do site murata.com.
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