Другая разновидность детекторов движения работает в оптическом диапазоне тепловых излучений, который также называется дальним ИК диапазоном Такие детекторы реагируют на изменение теплового потока, поступающего на чувствительный элемент, возникающее при движении объекта [7-9]. В этом разделе будет обсуждаться метод обнаружения двигающихся людей, хотя при небольших доработках этот способ применим и для горячих, и для холодных объектов.
Принцип теплового метода детектирования движущихся объектов основан на физической теории излучения электромагнитных волн телами, температура которых превышает уровень абсолютного нуля. Фундаментальные положения этой теории описаны в разделе 3.12.3 главы 3. Желательно, чтобы читатели ознакомились с ними перед тем, как приступать к изучению данного раздела.
Для этого метода важно, чтобы температура поверхности объекта отличалась от температуры окружающей среды, т.е. необходимо, чтобы существовал температурный контраст. Интенсивность теплового излучения, выделяемого с поверхности любых объектов, определяется законом Стефана-Больцмана (уравнение (3.133)). Если температура объекта выше температуры окружающей среды, его тепловое
270 Глава 6. Детекторы присутствия и движения объектов
излучение смещается в сторону коротких длин волн и интенсивность его усиливается. Многие из объектов, движения которых необходимо обнаруживать, являются неметаллами, поэтому излучаемая ими тепловая энергия распределяется достаточно равномерно в виде полусферы (рис. 3.45А главы 3). Более того, почти все диэлектрические объекты обладают высокой излучающей способностью. Кожа человека является одним из лучших излучателей, ее коэффициент излучения превышает 90% (см. Приложение). Большинство тканей также имеют высокую излучающую способность — 0.74.. .0.95. В следующих разделах будут описаны два типа детекторов движения дальнего ИК диапазона. Первый из них реализован на основе пассивного ИК датчика, а второй использует активные ИК элементы.
6.5.3.1. Детекторы движения на основе пассивных ИК элементов
Такие детекторы часто применяются в охранных системах и устройствах управления освещением. Пассивные ИК (ПИК) чувствительные элементы реагируют на излучения дальнего ИК спектрального диапазона с длинами волн в интервале 4.. .20 мкм. Этот интервал соответствует тепловому излучению человеческого тела. В таких детекторах могут принципиально использоваться три типа чувствительных элементов: терморезисторы, термоэлементы и пироэлектрики. Но благодаря своей простоте, низкой стоимости, высокой чувствительности и широкому динамическому диапазону, в детекторах движения чаще всего применяются пироэлектрические элементы. Пироэлектрический эффект описан в разделе 3.7 главы 3, а в разделе 14.6.3 главы 14 рассматриваются некоторые типы пироэлектрических датчиков. Здесь, в этом разделе, приведены примеры практического использования этого эффекта при разработке датчиков.
Пироэлектрические материалы вырабатывают электрические заряды в ответ ни тепловой поток, проходящий через них. В упрощенном виде можно считать, что пироэлектричество появляется вследствие теплового расширения материалов (рис. 6.13). Поглощенное тепло заставляет расширяться переднюю часть чувствительного элемента. Поскольку все пироэлектрики также обладают пьезоэлектрическими свойствами, возникшее в результате расширения напряжение приводит к появлению зарядов на электродах элемента. Это означает, что между электродами, расположенными с двух сторон элемента, возникает разность потенциалов. К сожалению, пьезоэлектрический эффект здесь играет отрицательную роль. Поскольку если на датчик действуют паразитные внешние механические силы, они также приводят к появлению зарядов на электродах, которые часто трудно отличить от полезного сигнала.
6.5. Оптоэлектронные детекторы движения 271
Для того чтобы разделить заряды, формируемые тепловым и пьезоэлектрическим способами, пироэлектрические датчики обычно изготавливают симметричными (рис. 6.14А), т.е. внутри корпуса размещают два абсолютно одинаковых элемента, выходы которых подключают к электронной схеме. При одновременной (синфазной) подаче на эти элементы одинаковых входных сигналов (помех) они будут взаимно уничтожаться, поэтому на выходе датчика сохранится нулевой (или постоянный) уровень сигнала. Основная идея датчика заключается в том, что тепловой поток, создаваемый при движении объекта, дойдет до чувствительных элементов в разные моменты времени, в результате чего на выходе детектора уровень сигнала изменится.
нижние электроды
(А) (Б)
Рис. 6.14. Симметричный пироэлектрический датчик. А — чувствительный элемент, состоящий из переднего (верхнего) электрода и двух нижних электродов, нанесенных на общую подложку. Тепловой поток, от движущегося объекта, перемещается слева направо, формируя переменное напряжение на резисторе Я (Б).
Один из способов изготовления симметричного датчика заключается в нанесении двух пар электродов с двух сторон пироэлектрического элемента. Каждая пара формирует конденсатор, заряжаемый либо от теплового потока, либо от механических напряжений. Электроды на верхней стороне датчика объединяются вместе, формируя один непрерывный электрод, в то время как нижние электроды остаются разделенными. Таким образом, получается последовательное соединение двух конденсаторов. В зависимости от стороны пироэлектрического элемента, на которой располагаются электроды, выходной сигнал, возникающий от воздействия теплового потока, будет иметь либо положительную, либо отрицательную полярность. В некоторых случаях для наблюдения за территорией сложной формы может потребоваться применение большего количества чувствительных электродов. Но, по-прежнему, для лучшего подавления синфазных помех количество пар электродов
Глава 6. Детекторы присутствия и движения объектов
должно быть четным. При этом располагать электроды необходимо геометрически симметрично. Иногда такое соединение называется гребенчатым электродом.
Симметричный чувствительный элемент следует так монтировать на подложке, чтобы обе части датчика при воздействии на них одинаковых внешних факторов вырабатывали идентичные выходные сигналы. В любой момент времени оптический элемент детектора фокусирует тепловое изображение объекта на поверхность только одной части датчика, на которой расположена единственная пара электродов. Очевидно, что при этом заряд возникает только на одной паре электродов, подверженных действию теплового потока. При перемещении теплового изображения объекта от одного электрода к другому ток i, текущий от чувствительного элемента через резистор R (рис. 6.14Б), меняется от нуля до положительного максимума, затем до нуля и до отрицательного максимума и опять до нуля (нижняя часть рис. 6.14А). Полевой транзистор Q с управляющим p-n-переходом используется в качестве преобразователя импеданса. Значение резистора Я должно быть очень большим. Рассмотрим следующий пример. Типовой переменный ток, вырабатываемый детектором при обнаружении движущегося человека, составляет порядка 1 пА (10-12 А). Если требуется получить на выходе напряжение v = 50 мВ, в соответствии с законом Ома величина резистора должна быть: R = v/i = 50 ГОм (5х 1010 Ом). Такой резистор не может быть напрямую включен в электронную схему, поэтому и необходим транзистор Q, выполняющий роль повторителя напряжения, коэффициент усиления которого близок к единице, а выходной импеданс составляет несколько кОм.
В Приложении перечислены некоторые материалы, обладающие пироэлектрическим эффектом, которые могут быть использованы для изготовления чувствительных элементов. На практике наибольшее распространение получили керамические элементы, что объясняется их низкой стоимостью и простотой изготовления. Пироэлектрический коэффициент керамики зависит от пористости материала, поэтому создавая полости в теле датчика, можно в некоторой степени регулировать его чувствительность. Перспективным материалом является поливинилиден фторид (PVDF), полимерные пленки из которого хотя и не обладают такой же чувствительностью, как твердотельные кристаллы, но имеют неоспоримые достоинства: пластичность и низкую стоимость. К тому же из PVDF можно изготавливать чувствительные элементы разных размеров практически любой формы.
Помимо чувствительных элементов в состав ИК детекторов движения входят фокусирующие устройства. Такими устройствами могут быть параболические зеркала и пластиковые линзы Френеля (раздел 4.6 главы 4). Популярность последних в настоящее время увеличивается, что связано с их низкой стоимостью, возможностью придания им заданной формы и тем, что помимо фокусировки они выполняют функции окон, защищающих внутренние части детектора от влаги и загрязнений.
На рис. 6.15А показан детектор движения, реализованный на основе полиэтиленовой многогранной выпуклой линзы Френеля и чувствительного элемента из PVDF пленки [7]. В этом датчике объединены два метода, описанные выше: использование фасетной линзы и составного электрода. Линза и чувствительный элемент имеют одинаковые радиусы кривизны, равные половине фокусного расстояния/ Это необходимо для того, чтобы активный участок сенсорной пленки всегда находился на фокальной плоскости соответствующей грани линзы.
9*
6.5 Оптоэлектронные детекторы движения 273 ]|
В состав чувствительного элемента входит пара больших гребенчатых электродов, подсоединенных к положительному и отрицательному входам дифференциального усилителя, расположенного в электронном модуле. Усилитель подавляет синфазные помехи и усиливает напряжение, индуцированное тепловым потоком. На пленку чувствительного элемента со стороны линзы нанесено органическое покрытие, повышающее его поглощающую способность в дальнем ИК спектральном диапазоне. Описываемый детектор обладает хорошей разрешающей способностью (обнаруживает незначительные перемещения объекта на большом расстоянии до него) и очень маленькими размерами (рис. 6.15Б). Миниатюрные детекторы широко применяются в устройствах, где габариты играют решающее значение. Например, в выключателях освещения, где детектор должен монтироваться в стенку переключателя.
6.5.3.2. Анализ эффективности работы пассивного
ИК детектора движущихся объектов (ПИК-детектора)
Несмотря на различия в типах применяемых оптических устройств, все ПИК-де-текторы построены на одном физическом явлении — пироэлектричестве. Для оценки рабочих характеристик таких датчиков сначала необходимо определить мощность ИК излучений (тепловой поток), которую чувствительный элемент преобразует в электрические заряды. Оптическое устройство фокусирует излучение от объекта в миниатюрный тепловой образ на поверхности сенсора. Энергия от этого образа поглощается чувствительным элементом и конвертируется в тепло. Это тепло, в свою очередь, превращается в пироэлектрическом элементе в электрический ток.
Ю-Дж Фрлидсн
Глава 6. Детекторы присутствия и движения объектов
Для оценки уровня мощности излучения на поверхности датчика необходимо сделать несколько предположений:
Двигающимся объектом является человек, эффективная площадь поверхности которого равна Ь (рис. 6.16). При этом температура в любой точке его поверхности, выраженная в Кельвинах, равна Ть.
Объект является источником диффузионного (рассеянного) излучения, т.е. его излучение равномерно распределено внутри полусферы, площадь которой равна A=2nL2.
Фокусирующее устройство позволяет получить четкое изображение объекта, расположенного на любом расстоянии.
В дальнейших расчетах считаем, что площадь поверхности линзы равна а, а температура сенсора (в Кельвинах) Тасовпадает с температурой окружающей среды. Полная мощность ИК излучения (тепловой поток), испускаемая объектом, может быть найдена при помощи закона Стефана-Больцмана:
где σ— постоянная Стефана-Больцмана, а εьи εа— коэффициенты излучения объекта и окружающей среды. Если температура объекта выше температуры окружающей среды, вся излучаемая ИК энергия направлена от него — в открытое пространство. Поскольку объект является источником рассеянного излучения, можно считать, что на равноудаленных от него расстояниях плотность потока одинакова. Другими словами, интенсивность ИК излучения распределена равномерно вдоль сферической поверхности радиуса L.
Считая, что поверхность объекта является идеальным излучателем, а окружающая среда — идеальным поглотителем (т.е. εь = εа=1), можно найти плотность потока излучения на расстоянии L:
где εs— коэффициент поглощения чувствительного элемента. Эффективность линзы (ее коэффициент пропускания) γ теоретически меняется в диапазоне 0...0.92, в зависимости от свойств материала линзы и ее конструкции. Для полиэтиленовых линз Френеля γ лежит в пределах 0.4...0.7. Пренебрегая нелинейностью, вызванной четвертой степенью температур в уравнении (6.13), мощность теплового излучения, поглощенного элементом, можно выразить в виде:
6.5. Оптоэлектронные детекторы движения
Отсюда видно, что эта мощность обра тно пропорциональна квадрату расстояния до объекта и прямо пропорциональна площадям линзы и объекта. Важно отметить, что в случае использования многогранной линзы, под параметром а понимается площадь отдельной грани. Если объект теплее сенсора, поток <t>s является положительным. А если объект холоднее сенсора, поток становится отрицательным, что означает изменение его направления, т.е. тепло переходит отдатчика к объекту. В реальной жизни это происходит тогда, когда человек входит в теплую комнату с мороза. В дальнейших рассуждениях будем считать, что поток всегда положительный.
Максимальное рабочее расстояние при заданных условиях определяется по уровню шума детектора. Для надежного обнаружения движений объекта максимальная мощность шума должна быть в 3...5 раз меньше уровня минимального сигнала.
Пироэлектрические датчики являются преобразователями потока тепловой энергии в электрический заряд. При передаче тепловой энергии всегда формируется градиент температур вдоль толщины чувствительного элемента. В рассматриваемом детекторе передняя сторона сенсора толщиной h обращена к линзе, а обратная сторона направлена на внутреннюю стенку корпуса датчика, температура которого обычно равна температуре окружающей среды, т.е Ta На переднюю сторону сенсора нанесено специальное покрытие для увеличения его коэффициента поглощения (в идеале до 1). Когда передняя часть сенсора поглощает тепловой поток Фs, ее температура увеличивается, и тепло начинает распространяться к его задней части. Поскольку чувствительный элемент обладает пироэлектрическими свойствами, в ответ на проходящий через него тепловой поток на его поверхности начинают образовываться электрические заряды.
Температура чувствительного элемента при прохождении через него потока ИК излучения меняется со скоростью, определяемой выражением:
где Фs — мощность поглощенного излучения, С—теплоемкость элемента, /—время. Это уравнение справедливо только в течение очень короткого интервала времени (практически только в начальный момент, когда на сенсор начинает действовать тепловой поток), поэтому оно используется лишь для оценки величины сигнала. Электрический ток, вырабатываемый чувствительным элементом, может быть найден из фундаментальной формулы:
где Q — электрический заряд, образованный на электродах чувствительного элемента. Величина этого заряда определяется пироэлектрическим коэффициентом сенсора Р, его площадью 5 и перепадом температуры dT.
ю-
Глава 6. Детекторы присутствия и движения объектов
Тепловая емкость элемента С может быть получена из выражения:
где с — удельная теплоемкость, s — площадь, а h — толщина чувствительного элемента. Подставляя уравнения (6.15), (6.17) и (6.18) в выражение (6.16), оценим пиковый ток, генерируемый сенсором в ответ на падающий тепловой поток:
г =
■Для вывода соотношения между током и движением объекта выражение (6.14) надо подставить в (6.19):
r&AT = fc-Ta).
Ha основе анализа уравнения (6.20) можно сделать несколько выводов. Первое отношение этого выражения характеризует детектор, а оставшаяся часть - объект. Пироэлектрический ток прямо пропорционален разности температур (тепловой контрастности) между объектом и окружающей средой. Он также пропорционален площади поверхности объекта, направленной в сторону детектора. Несмотря на третью степень, влияние температуры Тана величину тока невелико. Чем тоньше пироэлектрический элемент, тем выше чувствительность детектора. Площадь линзы напрямую связана с амплитудой сигнала. С другой стороны, если линза фокусирует на чувствительный элемент целое изображение объекта, площадь датчика не влияет на величину пироэлектрического тока.
Для дальнейшего анализа уравнения (6.20) найдем напряжение на резисторе R, которое можно использовать для детектирования движения объекта. Считаем, что чувствительный элемент изготовлен из PVDF пленки и обладает следующими свойствами: Р= 25 мкКл/К×м2, с =2.4×106 Дж/м3×К, h = 25мкм. При этом площадь линзы равна а = 1 см2, γ = 0.6, R= 1090м (1 ГОм). Площадь поверхности объекта
b = 0.1 м2, его температура Тb =27°С, а температура окружающей среды Та = 20°С. Тогда при помощи уравнения (6.20) можно найти зависимость выходного напряжения от расстояния L от детектора до объекта. Полученная зависимость показана на рис. 6.17.
Графики на рис. 6.17 справедливы при условии, что изображение объекта не превышает площадь чувствительного элемента, и что оптическая система обеспечивает четкое изображение объекта, независимо от расстояния до него. На практике эти условия часто не выполняются, особенно при небольших расстояниях до объекта, где изображение объекта не только выходит за границы фокальной плоскости, но также может попасть на нерабочие участки симметричного чувствительного элемента. Способ снижения амплитуды сигнала при коротких расстояниях до объекта очевиден: нельзя допускать, чтобы напряжение превышало соответствующие расчетные значения.
Литература
1 Blumenkrantz, S Personal and Organisational Security Handbook Government Data Publications, Washington, DC, 1989
2 Ryser, P and Pflster, G Optical fire and security technology Sensor principles and detection intelligence In Transducers '91 International conference on Solid-State Sensors and Actuators Digest of Technical Papers IEEE, New York, 1991, pp 579-583
3 Long, DJ Occupancy detector apparatus for automotive safety system US patent 3,898,472, 1975
4 Fraden, J Apparatus and method for detecting movement of an object, US patent 5,019,804, 1991
5 Fraden, J Motion discontinuance detection system and method US patent 4,450,351, 1984
6 Fraden, J Toy including motion-detecting means for activating same U S patent 4,479,329, 1984
7 Fraden, J Motion detector US patent 4,769,545,1988
8 Fraden, J Active infrared motion detector and method for detecting movement US patent 4,896,039, 1990
9 Fraden, J Active far infrared detectors In Temperature Its Measurement and Control m Science and Industry American Institute of Physics, New York, 1992, Vol 6, Part 2, pp 831-836