Публикация материалов

Темы исследований

Это интересно!

Наш баннер

Мы будем благодарны, если Вы установите наш баннер!
Баннер нашего сайта
Код баннера:
<a href="http://obuchonok.ru/" target="_blank"> <img src="http://obuchonok.ru/banners/banob2.gif" width="88" height="31" alt="Обучонок. Обучающие программы и исследовательские работы учащихся"></a>
Все баннеры...

1.3.2. Оптическая система инфракрасных датчиков

Современные ИК-датчики характеризуются большим разнообразием возможных форм диаграмм направленности.


Зона чувствительности ИК-датчиков представляет собой набор лучей различной конфигурации, расходящихся от датчика по радиальным направлениям в одной или нескольких плоскостях.

В связи с тем, что в ИК-детекторах используются сдвоенные пироприемники, каждый луч в горизонтальной плоскости расщепляется на два:

Зона чувствительности

Рис. 3. Зона чувствительности



Зона чувствительности детектора может иметь вид:

  • одного или нескольких, сосредоточенных в малом угле, узких лучей;
  • нескольких узких лучей в вертикальной плоскости (лучевой барьер);
  • одного широкого в вертикальной плоскости луча (сплошной занавес) или в виде многовеерного занавеса;
  • нескольких узких лучей в горизонтальной или наклонной плоскости (поверхностная одноярусная зона);
  • нескольких узких лучей в нескольких наклонных плоскостях (объемная многоярусная зона).
  • При этом возможно изменение в широком диапазоне протяженности зоны чувствительности (от 1 м до 50 м), угла обзора (от 30° до 180°, для потолочных датчиков 360°), угла наклона каждого луча (от 0° до 90°), количества лучей (от 1 до нескольких десятков). Многообразие и сложная конфигурация форм зоны чувствительности обусловлены в первую очередь следующими факторами:
    - стремлением разработчиков обеспечить универсальность при оборудовании различных по конфигурации помещений — небольшие комнаты, длинные коридоры, формирование зоны чувствительности специальной формы, например с зоной нечувствительности (аллеей) для домашних животных вблизи пола и т.п.;
    - необходимостью обеспечения равномерной по охраняемому объему чувствительности ИК детектора.


На требовании равномерной чувствительности целесообразно остановиться подробнее.

Сигнал на выходе пироприемника при прочих равных условиях тем больше, чем больше степень перекрытия нарушителем зоны чувствительности детектора и чем меньше ширина луча и расстояние до детектора.

Для обнаружения нарушителя на большом (10...20 м) расстоянии желательно, чтобы в вертикальной плоскости ширина луча не превышала 5°...10°, в этом случае человек практически полностью перекрывает луч, что обеспечивает максимальную чувствительность.

На меньших расстояниях чувствительность детектора в этом луче существенно возрастает, что может привести к ложным срабатываниям, например, от мелких животных.

Для уменьшения неравномерной чувствительности используются оптические системы, формирующие несколько наклонных лучей, ИК детектор при этом устанавливается на высоте выше человеческого роста.

Общая длина зоны чувствительности тем самым разделяется на несколько зон, причем «ближние» к детектору лучи для снижения чувствительности делаются обычно более широкими.

За счет этого обеспечивается практически постоянная чувствительность по расстоянию, что с одной стороны способствует уменьшению ложных срабатываний, а с другой стороны повышает обнаружительную способность за счет устранения мертвых зон вблизи детектора.

При построении оптических систем ИК-датчиков могут использоваться:

  • линзы Френеля — фасеточные (сегментированные) линзы, представляющие собой пластиковую пластину с отштампованными на ней несколькими призматическими линзами-сегментами;
  • зеркальная оптика — в датчике устанавливается несколько зеркал специальной формы, фокусирующих тепловое излучение на пироприемник;
  • комбинированная оптика, использующая и зеркала, и линзы Френеля.

Линзы Френеля в ИК-датчиках


В большинстве ИК-пассивных датчиков используются линзы Френеля.

К достоинствам линз Френеля относятся:

  • простота конструкции детектора на их основе;
  • низкая цена;
  • возможность использования одного датчика в различных приложениях при использовании сменных линз.

Обычно каждый сегмент линзы Френеля формирует свой луч диаграммы направленности.

Использование современных технологий изготовления линз позволяет обеспечить практически постоянную чувствительность детектора по всем лучам за счет подбора и оптимизации параметров каждой линзы-сегмента: площади сегмента, угла наклона и расстояния до пироприемника, прозрачности, отражающей способности, степени дефокусировки.

В последнее время освоена технология изготовления линз Френеля со сложной точной геометрией, что дает 30% увеличение собираемой энергии по сравнению со стандартными линзами и соответственно увеличение уровня полезного сигнала от человека на больших расстояниях.

Материал, из которого изготавливаются современные линзы, обеспечивает защиту пироприемника от белого света.

К неудовлетворительной работе ИК-датчика могут привести такие эффекты, как тепловые потоки, являющиеся результатом нагревания электрических компонентов датчика, попадание насекомых на чувствительные пироприемники, возможные переотражения инфракрасного излучения от внутренних частей детектора.

Для устранения этих эффектов в ИК-датчиках последнего поколения применяется специальная герметичная камера между линзой и пироприемником (герметичная оптика).

По оценкам специалистов, современные высокотехнологичные линзы Френеля по своим оптическим характеристикам практически не уступают зеркальной оптике.

Зеркальная оптика в ИК-датчиках


Зеркальная оптика как единственный элемент оптической системы применяется достаточно редко. Преимуществами зеркальной оптики являются возможность более точной фокусировки и, как следствие, увеличение чувствительности, что позволяет обнаруживать нарушителя на больших расстояниях.

Использование нескольких зеркал специальной формы, в том числе многосегментных, позволяет обеспечить практически постоянную чувствительность по расстоянию, причем эта чувствительность на дальних расстояниях приблизительно на 60% выше, чем для простых линз Френеля.

С помощью зеркальной оптики проще обеспечивается защита ближней зоны, расположенной непосредственно под местом установки датчика (так называемая антисаботажная зона).

По аналогии со сменными линзами Френеля, ИК-датчики с зеркальной оптикой комплектуются сменными отстегивающимися зеркальными масками, применение которых позволяет выбирать требуемую форму зоны чувствительности и дает возможность адаптировать датчик к различным конфигурациям защищаемого помещения.

Комбинированная оптика в ИК-датчиках

В современных высококачественных ИК-детекторах используется комбинация линз Френеля и зеркальной оптики.

При этом линзы Френеля используются для формирования зоны чувствительности на средних расстояниях, а зеркальная оптика — для формирования антисаботажной зоны под датчиком и для обеспечения очень большого расстояния обнаружения.

Пироприемник

Внешний вид пироприемника

Рис. 4. Внешний вид пироприемника


Оптическая система фокусирует ИК излучение на пироприемнике, в качестве которого в ИК-датчиках используется сверхчувствительный полупроводниковый пироэлектрический преобразователь, способный зарегистрировать разницу в несколько десятых градуса между температурой тела человека и фона.

Изменение температуры преобразуется в электрический сигнал, который после соответствующей обработки вызывает сигнал тревоги.

В ИК-датчиках обычно используются сдвоенные (дифференциальные, DUAL) пироэлементы. Это связано с тем, что одиночный пироэлемент одинаковым образом реагирует на любое изменение температуры независимо от того, чем оно вызвано — человеческим телом или, например, обогревом помещения, что приводит к повышению частоты ложных срабатываний.

В дифференциальной схеме производится вычитание сигнала одного пироэлемента из другого, что позволяет существенно подавить помехи, связанные с изменением температуры фона, а также заметно снизить влияние световых и электромагнитных помех.

Сигнал от движущегося человека возникает на выходе сдвоенного пироэлемента только при пересечении человеком луча зоны чувствительности и представляет собой почти симметричный двухполярный сигнал, близкий по форме к периоду синусоиды.

Сам луч для сдвоенного пироэлемента по этой причине расщепляется в горизонтальной плоскости на два.

В последних моделях ИК-датчиков с целью дополнительного снижения частоты ложных срабатываний используются счетверенные пироэлементы (QUAD или DOUBLE DUAL) — это два сдвоенных пироприемника, расположенные в одном датчике (обычно размещаются один над другим).

Радиусы наблюдения этих пироприемников делаются различными, и поэтому локальный тепловой источник ложных срабатываний не будет наблюдаться в обоих пироприемниках одновременно.

При этом геометрия размещения пироприемников и схема их включения выбирается таким образом, чтобы сигналы от человека были противоположной полярности, а электромагнитные помехи вызывали сигналы в двух каналах одинаковой полярности, что приводит к подавлению и этого типа помех.

Для счетверенных пироэлементов каждый луч расщепляется на четыре, в связи с чем максимальное расстояние обнаружения при использовании одинаковой оптики уменьшается приблизительно вдвое, так как для надежного обнаружения человек должен своим ростом перекрывать оба луча от двух пироприемников.

Повысить расстояние обнаружения для счетверенных пироэлементов позволяет использование прецизионной оптики, формирующей более узкий луч.

Другой путь, позволяющий в некоторой степени исправить это положение — применение пироэлементов со сложной переплетенной геометрией, что использует в своих датчиках фирма.

Перейти к разделу: 1.3.3. Монтаж извещателей

Объявления

Партнеры и статистика