Пироэлектрические датчики инфракрасного излучения

Размещено на http://www.allbest.ru/

1 ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Развитие ПИК технологии было продиктовано наличием схемных элементов и датчиков, на нее оказали влияние проекты и изобретения ведущих инженеров, работавших в этой области, а также не нужно снимать со счетов современные тенденции и конъюнктуру рынка.

Разработкой ПИК технологии занимались только несколько компаний, и большая часть продукции, особенно производителей стран востока, является повторением ранее сделанного. Таким образом, развитие ПИК технологии в некоторой степени проходило неравномерно и не безошибочно. Эта область исследования представляла интерес для инженеров-проектировщиков, желавших овладеть основами современных ходовых решений.

В конце шестидесятых наблюдалась растущая потребность в охране объемов помещений, в связи с чем были исследованы альтернативы микроволновым и ультразвуковым детекторам движения. ПИК детектор предвещал более низкую себестоимость и меньшее количество ложных срабатываний, однако для достижения этой цели потребовалось еще одно десятилетие.

Основы ПИК технологии были разработаны калифорнийской фирмой Optical Coating Lab., специализировавшейся в области бесконтактного измерения температур (пирометрии), и фирмой Barnes Engineering, разрабатывавшей ИК технику для военной целей.

В 1970 году Герберт Берман изобрел сегментированное зеркало, выполненное из пластика с металлизированной поверхностью. Зеркало играло роль системы оптического усиления (optical gain) инфракрасного излучения, а его сегменты предназначались для создания пространственной модуляции, необходимой для генерации сигнала при пересечении человеком поля обзора.

Рис. 1 Верхний элемент самого первого ПИК детектора, применявшегося в охранных сигнализациях, изготовленный Берманом, включающий в себя сегментированное зеркало, необходимое для создания пространственной модуляции, приблизительно 1970 г

Принцип пространственной модуляции, т.е. создание ряда чувствительных зон, является одним из основных элементов ПИК устройств, вплоть до сегодняшнего дня.

Фрэнк Шварц, работавший в фирме Barnes Engineering, предложил использование дифференциальной схемы включения чувствительных элементов, а в то же время, в Европе, Хайман предложил схему охранного детектора движения, основанную на крупногабаритных пироэлектрических кристаллах триглицинсульфата (кристаллическое вещество химического состава (NH₂CH₂COOH)₃·H₂SO₄, является сегнетоэлектриком с водородными связями) и пространственно-модуляционном растре.

В ПИК детекторах движения всегда используются тепловые датчики, реагирующие на небольшое изменение температуры. Фотонные детекторы в качестве ПИК устройств не практичны, поскольку требуют охлаждения.

Берман использовал термисторные датчики. Они обеспечивали гораздо больший сигнал, чем термоэлектрические, используемые в пирометрическом оборудовании и военной технике. В то время термисторы изготовлялись кустарно из тонких термисторных пластинок, запаянных в корпус транзистора, оборудованного германиевым фильтром с полосой пропускания 8-14 мкм.

К 1975 году небольшой ряд подобных ПИК устройств, существовавших на рынке и применявшихся в охранных сигнализациях, выпускался сотнями и даже тысячами. Несмотря на то, что технология производства использовалась одна и та же, каждый производитель встраивал датчики в корпуса от уже существовавших микроволновых и ультразвуковых устройств

Нестабильность работы термисторов, восприимчивых к изменению температуры на 1/10'000°С, а также попадание в негерметичные корпуса датчиков влажности и волн сжатия, вызывали большое количество ложных срабатываний. В те годы среди инженеров, работавших в области ПИК технологий, распространенной темой обсуждения была проблема ложных срабатываний, возникавших из-за шумовых помех датчиков. Еще больше помех добавляли шумы транзисторных усилителей, химические эффекты в электролитических конденсаторах и нестабильность работы резисторов. Один из способов устранения помех (второй патент Бермана) заключался в использовании резервирующей двухканальной системы с одним тревожным выходом, который имел место только при одновременном срабатывании обоих каналов. Этот дорогой, зато надежный способ, широко применялся в детекторах охранных сигнализаций повышенной надежности до начала 80 годов.

Изначально считалось, что одной из проблем были влияния импульсных помех, для защиты от которых, в большинстве ПИК детекторов охранных сигнализаций, входное звено экранировали с помощью сглаживающих фильтров и проходных конденсаторов.

Позже, некоторые производители стали забывать о значимости экранирования. Их дешевые детекторы были ненадежные и имели скорее негативное влияние на образ ПИК устройств.

Использование в ПИК-детекторах пироэлектрических материалов было весьма перспективным, в связи с чем в те годы было проделано множество фундаментадьных работ.

Определенные перспективы были в использовании полимерной пленки (поливинилиденфторида - универсального технического материала, обладает пьезоэлектрическими свойствами и пригодного для производства компонентов для нефтехимической, химической, металлургической, пищевой, бумажной, текстильной, фармацевтической и атомной отраслей).

На ее основе без труда изготовляли датчики с множеством чувствительных элементов, электрически соединенных последовательно или параллельно.

Тем не менее, ПИК изделия на поливинилиденфторидных датчиках в конечном счете исчезли с рынка из-за проблем, связанных с герметизацией от воздействия влажности и потоков воздуха, защитой от высокочастотных наводок и микрофонными эффектами.

Рис. 2 Вид изнутри пироэлектрического дифференциального датчика с двумя пироэлектрическими элементами консольного монтажа

Значительный успех в технологии ПИК устройств был достигнут в 1979 году благодаря появлению на рынке дуальных (или дифференциальных) пироэлектрических датчиков. Фирма Eltec Instruments впервые представила датчики на основе кристаллов танталата лития, а фирмы английские фирмы Mullard (теперь Nippon European Works) и Plessey в то же время представили дуальные датчики на основе керамики (цирконата титаната свинца).

Пироэлектрические датчики с встроенным полевым транзистором помещали в герметичные корпуса транзисторных типов ТО-5. В отличие от термисторов, они оказались более устойчивыми в работе. Отпала необходимость в ненадежных стабилизаторах напряжения, обеспечивавших питанием термисторы и входные каскады усилителей. Изготавливать ПИК устройства начинающим производителям стало проще, в результате чего рынок расширился.

Рис. 3 Новаторская конструкция ПИК устройства, изобретатель Джон Грант, 1979 г

Впервые дуальные датчики применил Джон Грант, работавший в английской фирме Peak. Он предложил проект, направленный на массовое производство и сочетавший в себе простую компактную конструкцию, качественное зеркало с динамической фокусировкой и защиту от электромагнитных полей. В то время его идею неоднократно копировали.

Люди, ориентировавшиеся на современные тенденции, разрабатывали на пироэлектрических датчиках устройства, схожие на датчики охранных сигнализаций английской фирмы IME, для которых Барк Уард разработал изогнутую зеркальную систему, не затрагивающую патент Бермана. В то время продукция США была по-прежнему крупногабаритной и громоздкой, а изделия размером с пачку сигарет охарактеризовали значительный прогресс в сфере ПИК устройств.

Хотя наибольший прогресс в 70 годах был достигнут в Англии, линзы Френеля впервые были внедрены в США, руководствуясь поиском простых альтернатив обойти патент Бермана. В первых линзах Френеля были такие же микроканавки, как и в линзах Френеля видимого света. Позже были внедрены так называемые «усовершенствованные» линзы Френеля, канавки которых были одинаковой глубины, но отличались по ширине. Среди производителей по-прежнему продолжаются споры, кто внедрил их первый, но заслуги по праву принадлежат Огюстену Френелю (род. 1788).

Рис. 4 ПИК детектор охранной сигнализации "стандартной" конструкции с линзой Френеля, приблизительно 1986 г

Конец восьмидесятых был отмечен значительным улучшением характеристик схемных элементов, главным образом за счет повышенной чистоты материалов: по этой теме в 1983 году в Женеве прошла конференция под названием «Обеспечение высокой надежности в работе пассивных инфракрасных устройств, используемых в охранных сигнализациях и выполненных на основе пироэлектрических кристаллов танталата лития», а главной проблемой в работе ПИК детекторов охранных сигнализаций были ложные срабатывания, возникавшие из-за исходящих из примесей альфа-частиц, шумов различных источников и бесконечных импульсных помех. Хотя прогресс в производстве компьютеров почти не касался ПИК детекторов, тем не менее высокая чистота кремниевых пластин позволила значительно снизить шумы усилителей, обусловленные флуктуациями напряжений смещения, а корпуса микросхем, выполненные из эпоксидной смолы -- практически избавила от радиоактивных примесей, поскольку в большинстве микросхем памяти вышеупомянутые критерии являются ключевыми.

Наличие надежных схемных элементов, включая разработки с использованием недорогих однокристальных интегральных схем, значительно расширили сферу применения ПИК технологии, при этом производители стран востока заполняли рынок самой дешевой продукцией.

Электромагнитные помехи по-прежнему остаются актуальным вопросом. Растущая потребность оказать сопротивление высокочастотным помехам сегодняшних мобильных систем связи, превосходит усовершенствования, которые стали возможны благодаря использованию компактной технологии поверхностного монтажа и появлению многослойных плат.

В 1981 году Marcel Zьblin продолжил идею автоматического переключения освещения с помощью ПИК устройства. Его идея не была новой, но он задекларировал угол обзора в 180°, работу по двухпроводной линии и доступную цену, как необходимые составляющие изделия, заменяющего ручное переключение автоматическим, и он был решительно настроен сделать свое изобретение работоспособным. Первичный маркетинговый анализ показал, что емкость потенциального рынка была значительной, и в первый год был запланирован выпуск 400'000 изделий, эта цифра значительно превосходила привычные в те времена объемы производстваохранных систем. Хотя в переключателе освещения присутствовала простота и наглядность, на рынке первое время он не пользовался успехом и потребовалось свыше пяти лет, чтобы он смог занять лидирующие позиции наравне с детектором движения «Wдchter» немецкой фирмы «Busch-Jдeger Elektro GmbH».

Рис. 5 Первый ПИК переключатель освещения, изобретатель Marcel Zьblin, 1985 г

Это явление наблюдалось снова и снова. Многие ПИК изделия исчезали ввиду того, что объем потенциального рынка был значительно преувеличен.

Маркетологи утверждали, что это касается любого нового или неизвестного изделия, но, по-видимому, сами ПИК изделия пострадали даже больше по причине того, что люди не понимали принципа их работы.

Позднее, в 1992 году, ПИК детекторы движения рассматривались не только как переключатели освещения для создания комфортных и безопасных условий, но и как устройства для учета электроэнергии в домах, преимущественно для включения/выключения нагревательных приборов, систем вентиляции, кондиционирования воздуха и освещения, по мере необходимости. Для таких детекторов «присутствия» требовалась другая совокупность технических условий, согласно которым ПИК детекторы были реконструированы. Детекторы присутствия обычно устанавливаются на потолке и обеспечивают такую диаграмму направленности, чтобы обнаружить человека, сидящего в комнате. Их чувствительность в сравнении с детекторами охранных сигнализаций гораздо выше, и в большинстве случаев они имеют адаптивный режим повышения чувствительности до максимально возможного уровня.

2 СУТЬ ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА

Пироэлектрики представляют собой кристаллические диэлектрики со спонтанной поляризацией при отсутствии внешних воздействий, которая увеличивается или уменьшается при изменении температуры, что сопровождается возникновением электрического поля (пироэлектрический эффект).

При постоянной температуре поляризация пироэлектрика нейтрализуется за счет взаимодействия поверхностных зарядов со свободными электрическими зарядами воздуха.

Если температура материала увеличивается, например, при поглощении любого видимого или невидимого излучения, поляризация также возрастает, что наблюдается как электрический сигнал, обычно при подсоединении электродов для формирования конденсатора.

Датчик будет производить выход только при изменении температуры, следовательно, он не будет чувствителен к фоновому излучению, и температурной компенсации не потребуется. Так как пироэлектрики не дают статический сигнал (DC-сигнал), температура поверхности модулируется во времени посредством прерывателя излучения (известного под названием chopper), для того чтобы измерять температурные контрасты с фоном неподвижных объектов.

Известно также последовательное включение двух заряжаемых конденсаторных пироэлектрических элементов с противоположной полярностью (соединяемых их однополярными знаками).

Этот способ позволяет устранить влияние фоновых температурных воздействий (вследствие солнца, вибраций) и применяется для детектирования подвижных объектов.

Заряды, наведенные в электродах, будут образовывать напряжение сквозь пироэлектрический слой, для снятия которого необходим сравнительно высокий входной импеданс R, либо на выходе первичного преобразователя генерируется переменный ток, обрабатываемый во внешней схеме, подсоединенной к противоположным поверхностям детектора.

Пироэлектрический эффект, как векторное свойство, может возникнуть лишь в диэлектрических кристаллах с единственным полярным направлением - направлением (вектором), противоположные концы которого не могут быть совмещены ни одной операцией данной группы симметрии.

Одним из таких кристаллов является кристалл турмалина.

Явление пироэлектрического эффекта в кристалле турмалина приведено на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 Пироэлектрический эффект в кристалле турмалина

3 ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

Эквивалентная схема пироэлектрического датчика инфракрасного излучения IRS-A200ST01-R1 изображена на рисунке 3.1.

пироэлектрический детектор пассивный инфракрасный

Рисунок 3.1 Эквивалентная схема IRS-A200ST01-R1

Эквивалентная схема пироэлектрического датчика с одним чувствительным элементом изображена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 Эквивалентная схема пироэлектрического датчика с одним чувствительным элементом

Эквивалентная схема пироэлектрического датчика с двумя чувствительными элементами изображена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 Эквивалентная схема пироэлектрического датчика с двумя чувствительными элементами

4 КОНСТРУКЦИЯ ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

Конструкция пироэлектрического датчика инфракрасного излучения IRS-A200ST01-R1 изображена на рисунке 4.1.

а) б)

Рисунок 4.1 Конструкция (а - внешняя конструкция и б - габаритные размеры) пироэлектрического датчика

Конструкция пироэлектрического датчика с одним чувствительным элементом изображена на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 Конструкция пироэлектрического датчика с одним чувствительным элементом

Конструкция пироэлектрического датчика с двумя чувствительными элементами изображена на рисунке 4.3

Рисунок 4.3 Конструкция пироэлектрического датчика с двумя чувствительными элементами

5 ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА

Области применения датчиков:

- системы охранной сигнализации;

- системы видеонаблюдения;

- умный дом - определение присутствия человека.

Размещено на Allbest.ru