Справка: Линза Френе́ля— сложная составная линза. Состоит из отдельных примыкающих друг к другу концентрических колец небольшой толщины, которые в сечении имеют форму призм специального профиля.
То есть, линза состоит из множества отдельных фокусирующих участков, каждый из которых формирует свою чувствительную зону, приходящую с определенного направления.
В результате, при перемещении движущегося объекта из одного луча в другой, пироприёмник генерирует переменное напряжение.
Такая конструкция линзы позволяет получить веероподобную форму зоны обнаружения извещателя, подобную показанной упрощенно в горизонтальной плоскости на рис. 6,а.
Подобная веерность лучей образуется и в вертикальной плоскости (рис. 6,б). Применяя линзы Френеля специальной структуры, можно варьировать форму лепестков с тем, чтобы получить наилучшие условия для обнаружения объекта в заданном секторе обзора.
В результате, зона обнаружения извещателя представляет собой пространственную дискретную систему, состоящую из элементарных чувствительных зон в виде лучей, расположенных в один или несколько ярусов или в виде тонких широких пластин, расположенных в вертикальной плоскости (типа "занавес'', "веер","лучевой барьер"и т.п.).
В линзе Френеля используется явление дифракции, которое проявляется в частности в отклонении светового луча при прохождении через узкую щель. Линза Френеля изготавливается методом штамповки и поэтому стоит дешево. Недостатком применения линзы Френеля является неизбежная потеря половины энергии излучения в результате его дифракционного отклонения линзой в направлении, отличном от направления на пироэлектрический элемент.
Для увеличения пространственной зоны чувствительности датчика перед его оптическим окном обычно устанавливают линзу, фокусирующую ик лучи на пластине пироэлектрика.
Кроме линзовой системы и оптического «отрезающего» фильтра, установленного непосредственно в корпусе чувствительного элемента, для уменьшения ложных срабатываний, вызванных всевозможными источниками излучения, применяют различные оптические фильтрующие элементы («белый» фильтр, «черное» зеркало и т.п.), задача которых минимизировать попадание постороннего оптического излучения на поверхность пироэлектрического элемента.
Пироприёмник имеет два чувствительных элемента, включенных по схеме компенсации напряжения. Такой способ включения позволяет избавиться от посторонних сигналов, вызываемых вибрацией, изменением температуры и солнечного освещения.
Сигнал с выхода 2 пироприёмника подается на двухкаскадный согласованный усилитель, обеспечивающий общий коэффициент усиления 10000.С выхода усилителя сигнал подаётся на вход компаратора (сравнивающего устройства), где он сравнивается с некоторым, заранее установленным, уровнем. Полоса пропускания усилителя ограничена до 10 Гц, для ослабления высокочастотных помех и надежного срабатывания компаратора при восприятии положительных и отрицательных перепадов выходного напряжения пироприёмника.
Усилитель и компаратор образуют электронный блок ик-датчика. Принципиальная схема электронного блока ик-извещателя (как пример) показана на рис. 5.
Конденсаторы С1 и С2 служат для подавления высокочастотных наводок на выводы пироприёмника и должны быть установлены в непосредственной близости от него. Внутренний полевой транзистор пироприёмника включен по схеме истокового повторителя. Его нагрузка — резистор R1. Колебания напряжения, возникающие на нем при движении нагретого объекта в чувствительной зоне, усиливают два ОУ — DA1.1 и DA1.2. Их общий коэффициент усиления достигает максимума (10000) на частоте 2 Гц, спадая на 3 дБ в частотных точках 0,5 и 5,5 Гц. Однако инерционность самого датчика сдвигает общую полосу пропускания системы датчик—усилитель значительно ниже — до 0,06..2,1 Гц. Как только амплитуда сигнала на выходе ОУ DA1.2 превысит 0,8 В, срабатывает компаратор DA2.1, если выброс напряжения положителен, или DA2.2, если он отрицателен, относительно некоторого значения, близкого к половине напряжения питания (оно определено номиналами резисторов R10 и R12). Выходы компараторов (с открытым коллектором) соединены параллельно, поэтому при срабатывании любого из них изменяется логический уровень на входе микроконтроллера. В результате обработки полученной последовательности импульсов (измерения их длительности, подсчета числа за определенный промежуток времени) микроконтроллер вырабатывает управляющий сигнал, приводящий в действие исполнительный механизм или узел подачи тревоги.
Принцип действия извещателя основан на регистрации разницы между
интенсивностью ИК-излучения, исходящего от тела человека, и фоновой температурой окружающей среды. Чувствительным элементом извещателей является пироэлектрический преобразователь (пироприемник), на котором фокусируется ИК-излучение с помощью оптической системы.
При перемещении человека в зоне действия датчика сначала активизируется один элемент, а затем другой (рис. 7 и 7а). Источник излучения перемещается в горизонтальной плоскости. При этом выводы 1 и 2 также должны быть расположены в горизонтальной плоскости.
Рис. 7.
Рис.7а
Важнейшей характеристикой извещателя является его чувствительность. Чувствительность практически одинакова в перерасчете на единицу площади входного окна извещателя. Это, в частности, означает, что если проектируют пассивный инфракрасный извещатель с повышенной чувствительностью, то вынуждены увеличивать размер зоны концентрации излучения - площадь входного окна, а, значит, и сам извещатель
Максимальная чувствительность современных пассивных ИК-извещателей позволяет производить обнаружение человека на расстоянии до 100 метров
Весьма актуальной является проблема противодействия физическому экранированию извещателя, которое сводится к установке перед ним экрана, перекрывающего его «поле зрения» (так называемое «маскирование»). Технические средства противодействия маскированию составляют систему антимаскирования извещателя. Некоторые извещатели оснащаются встроенными ИК-светодиодами. В случае, если в зоне обнаружения извещателя, а следовательно в зоне действия светодиодов, возникает преграда, то отражение излучения светодиодов от преграды воспринимается извещателем как сигнал тревоги. Более того, периодически (в существующих моделях - один раз в 5 часов) происходит самотестирование извещателя на предмет наличия отраженного излучения ИК-светодиодов. В том случае, если при самотестировании на выходе электрической схемы не появится необходимый сигнал, то срабатывает схема генерации сигнала тревоги. Извещатели с функциями антимаскирования и самотестирования устанавливаются на наиболее ответственных объектах, в частности там, где возможно противодействие работе системы охраны.
Еще один путь повышения помехоустойчивости извещателя - это применение квадратичного чувствительного пироэлемента совместно с использованием микропроцессорной обработки сигнала. Разные фирмы решают проблему создания квадратичного элемента различным образом. Например, фирма «OPTEX» применяет два обычных сдвоенных пироэлемента, расположенных рядом. Основная задача системы - выделить и «отсеять» события, вызванные одновременной засветкой обоих пироэлементов (например, свет фар) или электрической помехой. Такой извещатель не будет реагировать на мелких животных (мыши, крысы), которые зачастую бывают в складских помещениях и являются одной из причин ложных срабатываний (рис.8). Использование разнополярного подключения чувствительных элементов в таком извещателе делает невозможным «шумовое» ложное срабатывавние.
Рис. 8. Работа многоканальной системы селекции шумовых импульсов на примере работы квадратичного охранного пассивного ИК-извещателя.
Итак, для того чтобы нарушитель был обнаружен ИК-пассивным датчиком, необходимо выполнение следующих условий:
- нарушитель должен пересечь в поперечном направлении луч зоны чувствительности датчика;
- движение нарушителя должно происходить в определенном интервале скоростей;
- чувствительность датчика должна быть достаточной для регистрации разницы температур поверхности тела нарушителя (с учетом влияния его одежды) и фона (стены, пол)
Условное графическое обозначение ИК-извещателя пассивного, объёмного
(Демонстрация Видеоролика «Датчики движения»)
Для примера ознакомимся с ИК-извещателем ИО409-26 («ИКАР-2»).
ИО409-26 предназначен для обнаружения проникновения в охраняемое пространство закрытого помещения и формирования извещения о тревоге размыканием контактов выходного реле (внешний вид и схема зон обнаружения в горизонтальной и вертикальной плоскости приведены на рис.9).
Особенности извещателя «Икар-2»:
– термокомпенсация обнаруживающей способности;
– высокая достоверность обнаружения;
– защита от несанкционированного доступа ;
– защита от проникновения насекомых;
– дискретное изменение чувствительности извещателя;
– возможность отключения светового индикатора;
–регулировка дальности действия (положением печатной платы);
– антисаботажная зона;
– предназначен для установки на стене.
Рис.9. Внешний вид извещателя «Икар-2» и его схема зон обнаружения
Основные технические характеристики:
– дальность обнаружения, м 12
– высота установки, м 2,0 – 3,5
– угол зоны обнаружения, не менее, град 90
– напряжение питания, В 10 – 16
– ток потребления, не более, мА 16
– габаритные размеры с кронштейном, мм 100x65x55
– диапазон рабочих температур, 0С –30 – +50
– угол поворота кронштейна, градус ± 45
Приборы формируют извещения с помощью светодиодного индикатора о
текущем состоянии извещателя и имеют выходы:
– релейный выход на пульт центрального наблюдения (ПЦН) (выдача тревожного извещения размыканием контактов сигнального реле);
Заключение
Таким образом, ИК-пассивные датчики состоят из трех основных элементов:
- оптической системы, фокусирующей ИК-излучение на пироприемнике, формирующей диаграмму направленности датчика и определяющей форму и вид пространственной зоны чувствительности;
- пироприемника, который представляет собой - сверхчувствительный полупроводниковый пироэлектрический преобразователь, способный зарегистрировать разницу в несколько десятых градуса между температурой тела человека и фона.
- электронного блока обработки сигналов с пироприемника, выделяющего сигналы, обусловленные движущимся человеком, на фоне помех естественного и искусственного происхождения по определённым параметрам. Такими параметрами являются величина сигнала, его форма и длительность.
Задание на самоподготовку
Кафедра ОАБ доцент__________Вербицкий Ю.А.