焦電IRセンサー。参照データ

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焦電IRセンサー。参照データ

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今日、施設や店舗のドアが訪問者の前で自動的に開いても驚く人はほとんどいません。このような場合、ほとんどの場合、人の接近は、ドアの上に吊り下げられた、赤外線の焦電センサー（受信機）を備えた装置によって「感知」されます。このようなセンサーは感度が高く、耐久性があり、使いやすいです。これらは、セキュリティや火災警報システム、遠隔温度計などに広く使用されています。

熱の影響下で結晶内に電荷が発生する焦電効果 (ギリシャ語でパイロス - 火) は非常に古くから知られており、有名なドイツの物理学者ヴィルヘルムレントゲンは XNUMX 世紀に研究しました。この効果は圧電と同様であり、さらに、焦電体は一般に圧電特性も備えています。天然由来の結晶（石英、トルマリン）では、焦電効果はかなり弱く発現されますが、任意に大きな焦電係数（それを引き起こした温度上昇に対する電荷の増加の比率）を持つ物質が存在する可能性があります。 - が理論的に示されています。比較的最近、強誘電体のクラスに属するこのような物質が合成され、それらに基づいて高感度センサーが作成されました。

典型的なセンサー回路を図に示します。 1. 感応要素 B1 は一種のコンデンサ、つまり金属プレートを備えた焦電プレートです。電磁（熱）放射を吸収できる物質の層がプレートの 1 つに適用されます。エネルギー吸収の結果、コンデンサのプレートの温度が上昇し、厳密に定義された極性の電圧がプレート間に現れます。内蔵電界効果トランジスタ VTXNUMX のゲート・ソース間に印加されると、チャネルの抵抗が変化します。出力信号は、トランジスタのドレイン回路に接続された外部負荷抵抗から取得されます。

焦電IRセンサー

しばらくすると、熱放射がセンサーに作用し続けるかどうかに関係なく、コンデンサは漏れ抵抗 R1 を通じて放電し、出力信号はゼロに低下します。多くの場合、センサーには極性が交互に直列に接続された複数の感知素子が装備されています。これにより、デバイスは均一な背景照射の影響を受けず、センサーの感応面に沿って物体の焦点を合わせた画像を移動するときに交流出力電圧が得られることが保証されます。

焦電センサーの感度は通常、図に示すセットアップを使用して測定されます。 2. 黒体シミュレータが熱放射源として使用されます。流れは、電気モーターによって駆動されるダンパーブレーカーによって、1 Hz の周波数で定期的にブロックされます。 IR パルスはセンサーの感応素子に到達し、外部負荷抵抗 R1 に電圧パルスが現れます。ここではセンサーの電界効果トランジスタがソースフォロアとして接続されていることが簡単にわかります。

焦電IRセンサー

測定結果が示すように、センサーの感度は、センサーが受信する放射線パルスの周波数の増加にほぼ比例して低下します。この理由は、感受性要素の熱慣性が大きいためです。

周囲温度の大きな変化下でも動作するように設計されたセンサーには、カウンタに直列に接続された XNUMX つの感応素子 (動作素子と補償素子) が装備されています。補償要素は外部放射束から閉じることができますが、動作温度条件と同じ温度条件にあります。

センサーのスペクトル感度の特性は、電磁放射の特定の周波数範囲における焦電プレートのコーティング材料の吸収能力によって決まります。最終的には、感応要素の前に設置された光学フィルターを使用して形成されます。さまざまなバージョンの焦電センサーの分光感度の典型的な特性を図に示します。 3.

焦電IRセンサー

特性 1 のセンサーは炎を検出するように設計されており、特性 2 と 3 は人の動きの記録に最適です。特性4は遠隔温度計での使用に最適です。

さまざまな目的のための焦電センサーがいくつかの会社によって製造されています。以下では、そのうちの XNUMX つである村田製作所 (日本) の製品について詳しく説明します。

センサーは、4 本 (または XNUMX 本) の硬質錫メッキ線リード線を備えた円筒形の金属ケースに収納されています (図 XNUMX)。端子の反対側のケースの平らな端には、赤外線を透過するフィルターで覆われた正方形、長方形、または円形の窓があります。同じ図にデバイスのピン配列を示します。

焦電IRセンサー

村田製作所の IRA シリーズ焦電センサーの主な技術特性を表に示します。

焦電IRセンサー

IRA-E710ST0、IRA-E910ST1、IRA-E420S1、および IRA-E420QW1 センサーには、電界効果トランジスタのゲートピンとソースピン、およびゲートピンとドレインピンの間にバイパスコンデンサが内蔵されています。 IRA-E940ST1 デバイスの本体には、それぞれ XNUMX つの感知素子を備えた XNUMX つのセンサーが含まれています。このデバイスには XNUMX つの共通端子と結合されたドレイン端子があり、トランジスタのソース端子は分離されています。

防犯警報装置における焦電センサーの使用例を図に示します。 5. コンデンサ C1 および C2 は、センサー B1 の端子での高周波干渉を抑制する役割を果たし、センサー BXNUMX のすぐ近くに取り付ける必要があります。適用するセンサーに既にコンデンサが内蔵されている場合、これらのコンデンサは必要ありません。

（クリックして拡大）

センサー B1 の内部電界効果トランジスタはソースフォロワ回路に従って接続されています。その負荷は抵抗 R1 です。加熱された物体が敏感な領域を移動するときに発生する電圧変動は、1.1 つのオペアンプ DA1.2 と DA7500 によって増幅されます。全体のゲインは 2 Hz の 3 でピークに達し、0,5 および 5,5 Hz の周波数ポイントで 0,06 dB 低下します。ただし、センサー自体の慣性により、センサー-アンプシステム全体の帯域幅が大幅に低くなり、1,2 ～ XNUMX Hz になります。

オペアンプ DA1.2 の出力の信号振幅が 0,8 V を超えるとすぐに、特定の値に近い電圧サージが正の場合はコンパレータ DA2.1 がトリガされ、負の場合は DA2.2 がトリガされます。電源電圧の半分まで (抵抗値 R10 と R12 によって決まります)。コンパレータ（オープンコレクタ）の出力は並列に接続されているため、それらのいずれかがトリガされると、マイクロコントローラ入力の論理レベルが変化します。受信した一連のパルスを処理（パルスの持続時間を測定し、一定期間の数をカウント）した結果、マイクロコントローラーはアクチュエーターまたは警報ユニットを作動させる制御信号を生成します。

センサーの空間感度ゾーンを高めるために、通常、焦電プレート上に赤外線を集束させるレンズが光学窓の前に取り付けられます。図に簡略化して示したものと同様の、敏感な視覚領域の扇形の形状を取得するには、次のようにします。図６ａでは、ゾーン化されたフレネルレンズが使用されている。それは多くの個別の集束セクションで構成されており、それぞれが特定の方向から来る独自の感知ビームを形成します。その結果、移動物体があるビームから別のビームに移動すると、センサーは交流電圧を生成します。

焦電IRセンサー

同様の扇形の光線が垂直面にも形成されます（図6、b）。特殊な構造のフレネルレンズを使用することで、花びらの形状を変化させ、特定の視野内で物体を検出するのに最適な条件を得ることができます。

IRA シリーズセンサに加えて、村田製作所は焦電モジュール IMD-B101-01 および IMD-B102-01 も製造しています。このようなモジュールには、センサー自体に加えて、標準ロジック要素（ノードA3）の入力を供給するのに適したアンプとパルス整形器が含まれています。モジュールのブロック図を図に示します。ハウジングの図面は図 7 にあります。 8.

焦電IRセンサー

モジュールのピン配列はほとんど異なりません。どちらもピン 1 (共通の負の電源ピン) を持っています。ピン 3 - 正の電源ピン。ピン 4 - デジタル出力。ただし、IMD-B101-01 モジュールの場合、ピン 2 はセンサー信号アンプのアナログ出力であり、IMD-B102-01 の場合、ピン XNUMX はスイッチゲート信号の入力です。

モジュールの主な特徴：

供給電圧、V......2,6...5,5
自身の消費電流、µA......120
出力電流、mA......1
出力パルスの持続時間、s ...... 1 ... 3
操作後の回復時間、秒、これ以上……3
物体検出範囲、m、レンズなし...... 1
フレネルレンズ付……5
視野角、度......119x38
動作温度範囲、°С......-10...+50

室内で動きが検出されたときに照明が自動的にオンになるシステムでは、通常、IMD-B102-01 モジュールのストロボ入力には、一般的な照明に反応するフォトレジスタからの信号が供給されます。これにより、日中のシステムの動作が妨げられます。

著者: サイト murata.com の資料に基づく A. Sergeev、モスクワ。

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