1 Устройство и принцип действия пироприёмника пассивного ик-датчика.

Охранные извещатели - это своего рода «чувствительные рецепторы» системы охранной сигнализации, которые призваны обнаружить преступника в охраняемом помещении, сформировать сигнал тревоги и передать его в охранную систему для принятия мер реагирования.

Действие извещателей основано на использовании различных физических принципов. Можно выделить 2 основных типа извещателей:

1) Пассивные извещатели, которые сами не являются источниками волн различной физической природы (электромагнитных, акустических, пр.).

2) Активные извещатели, являющиеся источниками таких волн.

Очевидные преимущества пассивных извещателей - это их экологическая чистота и низкое энергопотребление. Однако в ряде случаев, в частности для повышения достоверности формируемого извещателем сигнала тревоги и минимизации числа ложных срабатываний, используют извещатели второго типа. При этом, в современных извещателях, как правило, активный и пассивный способ работы совмещаются в одном приборе.

Пассивные инфракрасные извещатели предназначены для обнаружения человека, находящегося в пределах зоны чувствительности.

Основная задача ИК- извещателя - обнаружить инфракрасное излучение человеческого тела. Тепловое излучение человеческого тела находится в пределах спектрального диапазона электромагнитного излучения с длинами волн 8-12 микрон. Это так называемое равновесное свечение человеческого тела, максимум длины излучения которого полностью определяется температурой и для 37°С соответствует приблизительно 10 микронам. Существует целый ряд физических принципов и соответствующих устройств, которые применяются для регистрации излучения в указанном спектральном диапазоне. Для пассивных инфракрасных извещателей следует использовать чувствительный элемент с оптимальным соотношением чувствительность/стоимость. Таким чувствительным элементом является полупроводниковый кристалл, обладающий пироэлектрическим эффектом.

Пироэлектрический эффект (пирос по-гречески — огонь) — генерация электрических зарядов в кристаллах под воздействием тепла  известен очень давно, его исследованием еще в XIX веке занимался известный немецкий физик Вильгельм Рентген. Эффект сродни пьезоэлектрическому, более того, пироэлектрики, как правило, обладают и пьезоэлектрическими свойствами. В кристаллах природного происхождения (кварц, турмалин) пироэлектрический эффект выражен довольно слабо, но теоретически показана возможность существования веществ со сколь угодно большим пироэлектрическим коэффициентом — отношением приращения электрического заряда к вызвавшему его приращению температуры. Сравнительно недавно такие вещества, относящиеся к классу сегнетоэлектриков, удалось синтезировать и создать на их основе чувствительные пироприёмники. Типовая схема пироприёмника показана на рис. 1.

Чувствительным элементом пироприёмника служит своеобразный конденсатор (В1) — пластина из пироэлектрика с металлическими обкладками. На одну из обкладок нанесен слой вещества, способного поглощать электромагнитное (тепловое) излучение. В результате поглощения энергии температура пластины конденсатора увеличивается и между обкладками появляется напряжение строго определенной полярности. Будучи приложенным к участку затвор- исток встроенного полевого транзистора VT1, оно вызывает изменение сопротивления его канала. Выходной сигнал снимают с внешнего нагрузочного резистора, включенного в цепь стока транзистора. Через некоторое время, независимо от того, продолжает действовать на пироприёмник тепловое излучение или нет, конденсатор разрядится через сопротивление утечки R1 — выходной сигнал спадает до нуля. Зачастую пироприёмник снабжают несколькими чувствительными элементами, соединенными последовательно с чередующейся полярностью. Этим обеспечивают нечувствительность прибора к равномерному фоновому облучению и получение знакопеременного выходного напряжения при перемещении сфокусированного изображения объекта по чувствительной поверхности пироэлектрика.

Таким образом, явление пироэлектричества состоит в возникновении наведенной разности потенциалов на противоположных сторонах пироэлектрического кристалла при его неравновесном кратковременном нагревании.

Со временем (довольно коротким) электрические заряды из внешних электрических цепей и перераспределение зарядов внутри кристалла приводят к релаксации наведенного потенциала.

Из вышесказанного следует:

а) Для эффективной пироэлектрической регистрации теплового излучения от нарушителя необходимо, что бы оно было прерывистым, с оптимальной частотой прерывания излучения около 0,1 Гц (рис. 2).

Частота прерывания, Гц

Рис. 2. Зависимость величины сигнала отклика пироэлемента от частоты прерывания регистрируемого теплового ИК-сигнала.

б) Для повышения чувствительности пироэлектрического элемента к величине перепада температур (разница между фоновой температурой и температурой тела человека) необходимо сконструировать его, выдержав минимально возможные размеры, с целью уменьшения количества тепла, необходимого для заданного повышения температуры чувствительного элемента. Существует оптимальный размер. Максимальная чувствительность обычно находится на уровне 0,1°С для пироэлемента размером 1…2 мм и толщиной несколько микрон.

в) Для повышения термостабильности работы пироприёмника и отсечки влияния медленно меняющейся температуры окружающей среды чувствительный элемент изготавливается в виде парной конструкции электрически встречно включенных элементов, расположенных на общей подложке. Чувствительный элемент изготавливается в типовом корпусе обычного полупроводникового электронного элемента. В корпусе формируется окно из материала, не пропускающего извне излучения с длиной волны менее 1 - 7 микрон в зависимости от типа используемого фильтрующего материала.

Таким образом, инфракрасный пироприёмник предназначен для обнаружения движущихся объектов с температурой, отличной от фонового значения. Диапазон регистрируемых скоростей перемещения: 0,1 - 1,5 м/сек. Пироприёмник не регистрирует неподвижные объекты, даже если их температура превышает уровень фона (неподвижный человек) или если объект с температурой, отличной от фона, перемещается таким образом, что не пересекает чувствительных зон извещателя (например, перемещается вдоль чувствительной зоны).

Характеристику спектральной чувствительности пироэлектрика определяет поглощающая способность материала покрытия его пластины в том или ином частотном интервале электромагнитного излучения. Окончательно ее формируют с помощью оптических фильтров, устанавливаемых перед чувствительным элементом. Типовые характеристики спектральной чувствительности различных вариантов пироэлектрических датчиков показаны рис.3.

Пироприёмники с характеристикой 1 предназначены для обнаружения пламени, 2 и 3 — наилучшим образом подходят для фиксации движения человека. Характеристика 4 оптимальна для использования в дистанционных измерителях температуры.

Пироприёмники размещаются в цилиндрическом металлическом корпусе с тремя (или ч етырьмя) жесткими проволочными лужеными выводами (рис. 4).

На плоском торце корпуса, противолежащем выводам, имеется квадратное, прямоугольное или круглое окно, закрытое прозрачным для ИК лучей фильтром. На этом же рисунке указана цоколевка приборов.