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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Sensores infrarrojos piroeléctricos. Dato de referencia
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Referencias Hoy en día, a pocas personas les sorprende que la puerta de una institución o una tienda se abra automáticamente frente al visitante. En la mayoría de estos casos, el acercamiento de una persona se "siente" mediante un dispositivo que cuelga sobre la puerta, equipado con un sensor piroeléctrico (receptor) de radiación IR. Dichos sensores son altamente sensibles, duraderos y fáciles de usar. Son ampliamente utilizados, incluso en sistemas de alarma de seguridad y contra incendios, medidores de temperatura remotos. El efecto piroeléctrico (piros en griego - fuego) - la generación de cargas eléctricas en cristales bajo la influencia del calor - se conoce desde hace mucho tiempo, el conocido físico alemán Wilhelm Roentgen lo estaba estudiando en el siglo XIX. El efecto es similar al piezoeléctrico, además, los piroeléctricos, por regla general, también tienen propiedades piezoeléctricas. En los cristales de origen natural (cuarzo, turmalina), el efecto piroeléctrico se expresa bastante débilmente, pero la posibilidad de la existencia de sustancias con un coeficiente piroeléctrico arbitrariamente grande: la relación entre el incremento de carga eléctrica y el incremento de temperatura que lo causó. se ha demostrado teóricamente. Hace relativamente poco tiempo, tales sustancias que pertenecen a la clase de ferroeléctricos se han sintetizado y se han creado sensores sensibles sobre su base. Un circuito de sensor típico se muestra en la fig. 1. El elemento sensible B1 es una especie de condensador: una placa piroeléctrica con placas de metal. Una de las placas está recubierta con una capa de una sustancia capaz de absorber radiación electromagnética (térmica). Como resultado de la absorción de energía, la temperatura de la placa del capacitor aumenta y aparece un voltaje de polaridad estrictamente definida entre las placas. Al aplicarse a la sección de fuente de puerta del transistor de efecto de campo incorporado VT1, provoca un cambio en la resistencia de su canal. La señal de salida se toma de una resistencia de carga externa conectada al circuito de drenaje del transistor.
Después de un tiempo, independientemente de si la radiación térmica continúa actuando sobre el sensor o no, el capacitor se descargará a través de la resistencia de fuga R1; la señal de salida cae a cero. A menudo, los sensores están equipados con varios elementos de detección conectados en serie con polaridad alterna. Esto asegura la insensibilidad del dispositivo a la irradiación de fondo uniforme y la obtención de un voltaje de salida de señal alterna al mover la imagen enfocada del objeto a lo largo de la superficie sensible del sensor. La sensibilidad de un sensor piroeléctrico generalmente se mide utilizando la configuración que se muestra esquemáticamente en la Fig. 2. Se utiliza un simulador de cuerpo negro como fuente de radiación térmica. El flujo periódicamente, con una frecuencia de 1 Hz, es bloqueado por un amortiguador-interruptor, accionado por un motor eléctrico. Los pulsos IR llegan al elemento sensible del sensor y hacen que aparezcan pulsos de voltaje en la resistencia de carga externa R1. Es fácil ver que el seguidor de fuente enciende el transistor de efecto de campo del sensor aquí.
Las mediciones muestran que la sensibilidad del sensor disminuye casi en proporción al aumento de la frecuencia de los pulsos de radiación que recibe. La razón de esto es la importante inercia térmica del elemento sensor. Los sensores diseñados para operar con grandes diferencias en la temperatura ambiente están equipados con dos elementos sensibles conectados en series opuestas: trabajo y compensación. El elemento de compensación se puede cerrar del flujo de radiación externo, pero está en las mismas condiciones de temperatura que el de funcionamiento. La característica de la sensibilidad espectral del sensor está determinada por la capacidad de absorción del material de recubrimiento de la placa piroeléctrica en un rango de frecuencia particular de radiación electromagnética. Finalmente, se forma mediante filtros ópticos instalados frente al elemento sensible. Las características típicas de la sensibilidad espectral de diferentes versiones de sensores piroeléctricos se muestran en la fig. 3.
Los sensores con característica 1 están diseñados para detectar llamas, 2 y 3 son los más adecuados para detectar movimiento humano. La característica 4 es óptima para usar en medidores de temperatura remotos. Varias empresas producen sensores piroeléctricos para diversos fines. A continuación se describirá en detalle los productos de uno de ellos: Murata Manufacturing Co (Japón). Los sensores están alojados en una caja cilíndrica de metal con tres (o cuatro) conductores rígidos de alambre estañado (Fig. 4). En el extremo plano de la caja, frente a los terminales, hay una ventana cuadrada, rectangular o redonda, cerrada por un filtro transparente a los rayos IR. La misma figura muestra el pinout de los dispositivos.
Las principales características técnicas de los sensores piroeléctricos de la serie IRA de Murata se presentan en la tabla.
Los sensores IRA-E710ST0, IRA-E910ST1, IRA-E420S1 e IRA-E420QW1 tienen capacitores de bloqueo incorporados entre los terminales de puerta y fuente, así como los terminales de puerta y drenaje de los FET. El cuerpo del instrumento IRA-E940ST1 contiene dos sensores con dos elementos sensibles cada uno. El dispositivo tiene una salida común y una salida de drenaje combinada, las salidas de la fuente de los transistores están separadas. Un diagrama típico del uso de un sensor piroeléctrico en un dispositivo de alarma de seguridad se muestra en la fig. 5. Los condensadores C1 y C2 se utilizan para suprimir las captaciones de alta frecuencia en las salidas del sensor B1 y deben instalarse muy cerca de él. Estos condensadores no son necesarios si el sensor aplicado ya tiene integrados.
El transistor de efecto de campo interno del sensor B1 está conectado de acuerdo con el circuito seguidor de fuente. Su carga es la resistencia R1. Las fluctuaciones de voltaje que ocurren cuando un objeto calentado se mueve en un área sensible amplifican dos amplificadores operacionales: DA1.1 y DA1.2. Su ganancia general alcanza un máximo de 7500 a 2 Hz, cayendo 3 dB en los puntos de frecuencia de 0,5 y 5,5 Hz. Sin embargo, la inercia del propio sensor desplaza el ancho de banda total del sistema sensor-amplificador mucho más bajo, hasta 0,06...1,2 Hz. Tan pronto como la amplitud de la señal en la salida del op-amp DA1.2 supera los 0,8 V, el comparador DA2.1 se activa si la subida de tensión es positiva, o DA2.2 si es negativa, en relación con un cierto valor cercano a la mitad del voltaje de suministro (está determinado por los valores de resistencia R10 y R12). Las salidas de los comparadores (con colector abierto) están conectadas en paralelo, por lo que cuando cualquiera de ellos se activa, el nivel lógico en la entrada del microcontrolador cambia. Como resultado del procesamiento de la secuencia de pulsos recibida (midiendo su duración, contando el número durante un cierto período de tiempo), el microcontrolador genera una señal de control que activa el actuador o la unidad de alarma. Para aumentar la zona de sensibilidad espacial del sensor, se suele instalar una lente delante de su ventana óptica, que enfoca los rayos IR sobre la placa piroeléctrica. Para obtener una forma de abanico del campo de visión sensible, similar a la que se muestra de forma simplificada en la Fig. 6a, se utiliza una lente de Fresnel dividida en zonas. Consiste en muchas áreas de enfoque separadas, cada una de las cuales forma su propio haz sensible proveniente de una dirección determinada. Como resultado, al mover un objeto en movimiento de un haz a otro, el sensor genera un voltaje alterno.
También se forma un abanico similar de rayos en el plano vertical (Fig. 6b). Usando lentes Fresnel de una estructura especial, es posible variar la forma de los pétalos para obtener las mejores condiciones para detectar un objeto en un campo de visión dado. Además de los sensores de la serie IRA, Murata produce módulos piroeléctricos IMD-B101-01 e IMD-B102-01. Junto con el sensor en sí, dicho módulo contiene un amplificador y un formador de pulsos adecuados para suministrar elementos lógicos estándar a las entradas (nodo A3). El diagrama de bloques del módulo se muestra en la fig. 7, y el dibujo del cuerpo - en la fig. 8.
El pinout de los módulos difiere poco. Ambos tienen el pin 1, un pin de alimentación negativo común; salida 3 - salida de potencia positiva; pin 4 - salida digital. Pero para el módulo IMD-B101-01, el pin 2 es la salida analógica del amplificador de señal del sensor, y para el IMD-B102-01, es la entrada de la señal estroboscópica del interruptor. Las principales características de los módulos:
En los sistemas que encienden automáticamente las luces cuando se detecta movimiento en la habitación, la entrada de luz estroboscópica del módulo IMD-B102-01 suele recibir una señal de una fotorresistencia que responde a la iluminación general. Esto evita que el sistema funcione durante el día. Autor: A. Sergeev, Moscú basado en materiales del sitio murata.com.
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