Pasywne czujniki1 podczerwieni - budowa

1. Wprowadzenie

Jednym z elementów współczesnego systemu sygnalizacji włamania i napadu jest czujnik ruchu reagujący na pojawienie się intruza w dozorowanej przez niego strefie. Obecnie na rynku dominują pasywne czujniki podczerwieni. Jako przyczyny tego stanu rzeczy należy wymienić ich stosunkowo niską cenę, łatwość instalacji i regulacji czułości oraz stosunkowo dużą odporność na fałszywe alarmy. W ostatnim czasie pojawiło się szereg publikacji opisujących parametry różnych rozwiązań konstrukcyjnych tego typu czujników, jednakże wszystkie one, w większym lub mniejszym stopniu, prezentują opinie producentów pozostawiając wiele niedomówień a czasami wręcz przejaskrawiają pewne parametry, które właściwie nie wpływają na jakość działania i skuteczność wykrywania intruza. Niniejszy artykuł ma na celu pewne usystematyzowanie ogólnie znanych właściwości pasywnych czujników podczerwieni oraz skoncentrowanie uwagi czytelnika na jeden z parametrów często pojawiający się na kartach katalogowych załączanych do danego czujnika tzw. technologię Quad.

Czujnikiem, reagującym na zmianę wielkości fizycznych wskazujących na istnienie niebezpieczeństwa lub zagrożenie, w pasywnym detektorze podczerwieni (PIR) jest element piroelektryczny. Zjawisko piroelektryczne w materiałach ferroelektrycznych polega na zmianie polaryzacji pirodetektora na skutek zmiany jego temperatury, ale tylko dla temperatur niższych od temperatury punktu Curie tego materiału.

Najczęściej stosowanym materiałem, z którego wykonany jest element piroelektryczny w pasywnych czujnikach podczerwieni jest związek z tzw. grupy TGS - tantalan litowy (LiTaO3) [1]. Z kolei w najnowszych rozwiązaniach PIR stosowany jest materiał ceramiczny grupy PZT bazujący na tantalu wzbogaconym o domieszki ołowiu i cyrkonu lub skandu [2]. Materiały obu grup doskonale reagują na zmiany energii fali elektromagnetycznej z zakresu promieniowania optycznego docierającej do powierzchni detektora. To co wyróżnia tantalan litowy oraz ceramikę PZT z grupy materiałów piroelektrycznych jest ich szybka reakcja na zmiany ilości energii docierającej do jego powierzchni. Są one w stanie szybko reagować na częstotliwość zmian energii promieniowania z przedziału od 0,1 do 1000Hz. Należy zauważyć, że w przedziale tym mieści się częstotliwość z jaką pracuje włókno żarówki w związku z tym osiąganie maksimum czułości czujnika dla 100Hz nie jest wskazane [3].

Odfiltrowanie niższych częstotliwości, podobnie jak zmian powyżej 100Hz, to zadanie elektronicznego układu przetwarzania sygnału z piroelementu. Układ taki pozostawia na wyjściu jedynie sygnał z przedziału 0,1-100Hz, który, z punktu widzenia sposobu detekcji ruchu w systemach sygnalizacji włamania i napadu, jest najbardziej interesujący.

2. Źródła promieniowania podczerwonego

W zakresie promieniowania optycznego, znajdują się obszary promieniowania podczerwonego, promieniowania widzialnego i promieniowania ultrafioletowego. Dla promieniowania podczerwonego określa się długości fali l, które są dłuższe niż 0,78um i krótsze niż 1000um.

Źródłem promieniowania podczerwonego jest dowolny obiekt, którego temperatura jest większa od 0K. Rozpatrując obiekty pod kątem wykrywania ich promieniowania przez czujnik PIR najbardziej interesującym przedziałem widma promieniowania podczerwonego jest zakres średniej i dalekiej podczerwieni. Ponieważ wykrywane obiekty przemieszczają się i będą wykrywane w powietrzu, zakres promieniowania zawęża się do tak zwanego okna atmosferycznego, gdzie promieniowanie podczerwone o długościach fal 3-5um i 8-12um jest stosunkowo mało tłumione. Fala o długości 10um jest emitowana przez obiekty o temperaturze ok. 35oC a więc przez ludzi i małe zwierzęta (psy, koty).

W przypadku promieniowania podczerwonego, do celów opisu ilościowego, są używane wielkości energetyczne i wielkości fotonowe. Ponieważ piroelektryki zaliczane są do detektorów termicznych promieniowania podczerwonego reagujących na zmiany energii tego promieniowania, najwygodniej posługiwać się jest wielkościami energetycznymi.

Podstawową wielkością dla promieniowania wysłanego, przenoszonego lub przyjmowanego w postaci promieniowania jest strumień energetyczny Fe. Kolejną wielkością jest energia promieniowania Qe, będąca całką strumienia energetycznego wyznaczoną dla danego przedziału czasu.

Dla scharakteryzowania źródła promieniowania punktowego, w wielu przypadkach w analizie reakcji czujnika piezoelektrycznego właśnie tego typu źródła występują, wprowadza się wielkość - natężenie promieniowania Ie, wyrażone w Wsr-1, będące gęstością strumienia energetycznego.

. (1)

gdzie: dW - elementarny kąt przestrzenny.

Wielkością określającą ilość podającego strumienia energetycznego na małą powierzchnię jest luminancja energetyczna Le [Wm-2sr-1].

, (2)

w którym:
dA - powierzchnia przekroju wiązki promieniowania zawierającej punkt;
q - kąt między normalną do powierzchni tego przekroju a kierunkiem rozchodzenia się wiązki promieniowania.

Należy podkreślić, że większość detektorów podczerwieni reaguje proporcjonalnie do wartości luminancji.

Rozpatrując emisję strumienia energetycznego dFe z powierzchni dA ciała czarnego uzyskuje się zależność na określenie egzytancji energetycznej Me [Wm-2] ciała czarnego określoną przez prawo Stefan-Boltzmanna

= Me = sT4 , (3)

gdzie:
s - stała Stefan-Boltzmanna,
c - prędkość światła w próżni, c = 2,998 * 108m/s,
h - stała Planck'a, h = 6,626 * 10-34J/s,
k - stała Boltzmanna, k = 1,381 *10-23J/K.

Ciało czarne charakteryzuje się tym, że potrafi wysłać przy danej temperaturze maksymalną ilość energii, inaczej największą wartość egzytancji energetycznej dla danej temperatury. Wszystkie pozostałe ciała tzw. ciała szare będą emitować ze swojej powierzchni zawsze mniejszą ilość energii. Zdolność do emisji promieniowania ciała szarego - emisyjność e definiuje się jako np. stosunek egzytancji energetycznej ciała szarego dla danej długości fali promieniowania Mel do egzytancji energetycznej ciała czarnego dla tej samej długości fali promieniowania [4].

Na rys.1 przedstawiono wykres wartości egzytancji energetycznej widmowej w funkcji długości fali promieniowania ciała czarnego i szarego. Dla ilustracji złożoności omawianego tu problemu emisji promieniowania podczerwonego i podkreślenia modelowego charakteru definicji ciała czarnego i szarego, na rys. 1. umieszczono trzeci wykres ilustrujący wartość egzytancji widmowej powierzchni ciała rzeczywistego.


Rys.1. Wartość egzytancji widmowej w funkcji długości fali promieniowania ciała doskonale czarnego, szarego i powierzchni ciała rzeczywistego.

Można tu określić co najmniej trzy maksima funkcji wskazujące na silną emisję promieniowania o trzech różnych długościach fali [3]. Analizując egzytancję energetyczną widmową Meldanego materiału nie trudno jest zauważyć, że opis takiej funkcji nie jest równaniem prostym, oznacza to, że nawet niewielkie zmiany temperatury powierzchni ciała znacząco wpływają na wartość emisji promieniowania o określonej długości fali.

Rys. 2. przedstawia wykresy zmiany emisyjności e w funkcji długości fali promieniowania dla różnych materiałów takich jak: dachówka, guma.


Rys.2. Wykres zmiany emisyjności e w funkcji długości fali promieniowania.

Dla różnych materiałów i różnych temperatur ich powierzchni wartość egzytancji energetycznej promieniowania jest różna.

Tablica 1. Wartość egzytancji energetycznej dla przykładowych obiektów
Obiekt Temperatura
[oC]
Egzytancja
[Wm-2]
Lód 0 320
Meble 22 430
Twarz człowieka 34 505
Filiżanka herbaty 60 700

3. Detekcja promieniowania podczerwonego

Promieniowanie podczerwone może być wykrywane przez różne detektory. Jednakże, z powodów czysto praktycznych, najszersze zastosowanie w czujnikach do elektronicznych systemów alarmowych znalazły piroelektryki, będące przedstawicielami detektorów termicznych.

W systemach sygnalizacji włamania i napadu - zwłaszcza w przypadku czujników - nie jest ważne zobrazowanie przestrzennego czy dwu wymiarowego rozkładu temperatury, a jedynie sygnalizowanie zmian w tym rozkładzie. Pojawiający się intruz w polu widzenia czujnika powoduje zmianę pierwotnego "obrazu temperatur". Zmiana taka może wynikać z faktu "zobaczenia" przez czujnik fragmentu twarzy o temperaturze 35oC na tle znacznie zimniejszej ściany lub ubrania intruza, którego temperatura np. w warunkach zimowych nie przekracza 10oC, na tle, w tym przypadku, cieplejszej ściany. Niestety zaburzenia w rozkładzie temperatury o podobnym charakterze zmian powodują inne czynniki, jak: przeciągi, operacja słoneczna, itp. Aby skutecznie wyeliminować naturalne przyczyny zmian w rozkładzie temperatur, a więc i zmian ilości energii docierającej do powierzchni detektora, konieczne jest podzielenie sfery pola widzenia detektora na kilka czy kilkadziesiąt fragmentów. Oznacza to, że detektor będzie reagował na zmiany temperatury w małych wycinkach sfery. Podział realizowany jest w taki sposób, aby zmiana w jednym lub dwu wycinkach na skutek pojawienia się intruza wpływała na zmianę reakcji detektora na poziomie wyższym od poziomu szumów. Przy takim założeniu widać, że wypadkowe pole widzenia wszystkich wycinków musi być kilka a nawet kilkanaście razy mniejsze od pola widzenia detektora bez przesłony wydzielającej mniejsze pola widzenia czujnika. Na rys.3 przedstawiono jedno z rozwiązań ograniczających pole widzenia detektora PIR.


Rys.3. Położenie stref detekcji czujnika PIR w wykonaniu Quad

Zakładając duże uproszczenie w opisie zjawiska można stwierdzić, że poruszający się intruz pojawia się kolejno w widzianych przez czujnik strefach powodując detekcję większej ilości promieniowania i powrót detektora do stanu wyjściowego w momencie, gdy intruz schowa się za przesłoną. Detektor będzie się zachowywał jak źródło napięciowe generujące sygnał przemienny, podobnie, jak w przypadku naprzemiennego nagrzewania i studzenia jego powierzchni, jak to ilustruje rys.4.


Rys.4. Odpowiedź detektora piroelektrycznego na naprzemienne nagrzewanie i studzenie jego powierzchni

Jeżeli odpowiedni układ elektroniczny zacznie zliczać maksima przebiegu sygnału, to dla danego ustawienia progu zliczania zostanie wygenerowany sygnał alarmu.

Na szczególną uwagę zasługuje obecny na rys.3 filtr światła białego wykonany jako płytka germanowa i umieszczony zwykle w obudowie detektora piroelektrycznego (rys.5).


Rys.5. Budowa detektora z dwoma elementami piroelektrycznymi.

Jak widać na rys.6 piroelektryki, w odróżnieniu od innych detektorów podczerwieni, reagują tak samo w całym zakresie promieniowania optycznego.


Rys.6. Charakterystyki wykrywalność D* powszechnie stosowanych detektorów podczerwieni w funkcji długości fali promieniowania elektromagnetycznego.

Zastosowanie płytki germanowej lub innego filtra światła białego jest konieczne w celu eliminacji zakłóceń powodowanych np. włączaniem i wyłączaniem oświetlenia. Niestety jego obecność to wytłumienie 15 - 20% energii promieniowania docierającej do płytki detektora.

W przypadku detektorów promieniowania podczerwonego, do celów opisu ilościowego, wprowadza się definicję czułości detektora s:

s=Y/Xe, (4)

gdzie:
Y - napięciowy sygnał wyjściowy z detektora w V,
Xe - sygnał wykryty przez detektor w W,
lub czułości widmowej s(l), określanej jako iloraz wielkości wyjściowej detektora dY(l) do monochromatycznej wielkości wejściowej dXe(l) =Xe(l)dl, w przedziale długości fal dl, jako funkcja długości fali l

s(l)=dY(l) /dXe(l). (5)

Bardzo często producenci podają parametr określający reakcje detektora na proces podgrzewania jego powierzchni - wykrywalność D*, definiowaną jako:

(6)

gdzie:
K jest przewodnością termiczną detektora,
G jest efektywną przewodnością wyznaczaną z równania G=4sT3A.

Teoretycznie wartość maksymalna wykrywalności D* detektorów termicznych nie może przekroczyć 1,8 * 108 mHz1/2W-1. Natomiast, jak wynika z rys.6, dla obecnie produkowanych detektorów uzyskuje się maksymalnie D* = 7 * 106 mHz1/2W-1 [2].

Produkowany przez firmę Scitec Instruments Ltd. detektor piroelektryczny P2613-03 z filtrem przepuszczającym promieniowanie w zakresie 8-14um charakteryzuje się czułością wynoszącą 900V/W i wykrywalnością 2 x 106mHz1/2W-1 przy pracy w temperaturze otoczenia -20 +60oC [5].

W czujnikach o charakterystyce widzenia tzw. kurtynowej do detektora piroelektrycznego docierają dwie lub trzy wiązki - strefy. Pozostałe czujniki PIR (jak na rys.3) mają przeważnie od kilkunastu - czujniki tzw. korytarzowe, do kilkudziesięciu stref detekcji w przypadku czujników przestrzennych szerokokątnych lub dookólnych.

W obecnie produkowanych czujnikach pasywnych podczerwieni koncentrację promieniowania podczerwonego z stref widzenia czujnika uzyskuje się w układach optycznych opartych na technice lustrzanej lub soczewek Fresnela. Pomimo istniejącego od wielu lat sporu między producentami czujek, która technologia jest lepsza należy stwierdzić, że niestety oba rozwiązania mają swoje wady. Analizując wpływ rozwiązania konstrukcyjnego optyki czujnika na jego zdolność do wykrywania intruza, jako zadania naczelnego, można dojść do wniosku, że oba rozwiązania są równorzędne. Potwierdzeniem tego mogą być czujniki, oferowane przez coraz to bardziej liczną grupę producentów, mające oba rozwiązania, tzn. pewne strefy widzenia uzyskuje się w oparciu o technikę luster, inne przy wykorzystaniu soczewek Fresnela.

Podstawowym zadaniem układu optycznego w PIR jest skoncentrowanie promieniowania z danej strefy widzenia na płytce piroelektryka. Ideałem byłoby uzyskanie na płytce obrazu w postaci punktu, w efekcie najskuteczniejsze podgrzanie jego powierzchni. W praktyce nie jest to możliwe, chociażby ze względu na różne długości fali elektro-magnetycznej (8-14um w interesującym nas oknie atmosferycznym). Wystarczające jest więc zmniejszenie wiązki do wymiarów płytki detektora ok. 1mm2, a z takim zmniejszeniem obie optyki dają sobie doskonale radę.

Załamanie promieniowania podczerwonego w soczewkach Fresnela oraz odbicie promieniowania od lustra nie są zjawiskami bezstratnymi, tzn. część energii promieniowania jest w tych elementach bezpowrotnie tracona. Oczywiście porównując te zjawiska ilościowo należy stwierdzić, że w przypadku lustra, stworzonego przez cienką warstwę napylonego aluminium, strata promieniowania to zaledwie kilka procent energii docierającej do czujnika. W soczewce Fresnela analogiczna strata jest nieznacznie większa, niemniej nie należy zapominać, że obecnie produkowane soczewki Fresnela pełnią również funkcję filtru światła białego i ich sprawność w przepuszczaniu promieniowania jest przede wszystkim wynikiem zjawiska filtracji. Filtr ten musi pojawić się i w czujce z optyką lustrzaną w postaci np. osłony chroniącej czujnik i lustro przed zanieczyszczeniami zewnętrznymi. W efekcie więc oba rozwiązania są jakościowo o zbliżonych parametrach. Jako bajki należy traktować krążące ciągle opowieści o słabej jakości produkcji soczewek Fresnela, gdyż taka argumentacja dotyczy i optyki lustrzanej, która w zależności od producenta może być lepsza lub gorsza jakościowo.

Pewnym sposobem zmniejszenia strat przy koncentracji promieniowania jest zastosowanie czarnego lustra (pokrycie lustra wykonane jest z wielowarstwowego dielektryka), które ze swojej natury pełni jednocześnie funkcję filtru światła białego. Niestety i w tym przypadku promieniowanie musi przechodzić przez jakiś element stanowiący fragment obudowy czujnika i jest to zawsze kilka procent straty energii promieniowania.

4. Przetwarzanie sygnału z detektora piroelektrycznego w czujniku alarmowym

Czujnik w systemie alarmowym ma wykryć ruch intruza i nie reagować na zjawiska inne niż przemieszczanie się intruza. Tłumacząc to bardzo logiczne zadanie na język sygnału elektrycznego uzyskiwanego, jako odpowiedź detektora piroelektrycznego okazuje się, że sprawa wcale nie jest taka prosta, jak to by się mogło wydawać. Zarówno człowiek jak szczur, kot, zachodzące słońce, przeciąg w pomieszczeniu powodują bardzo podobne zachowania piroelektryka - więcej lub mniej energii docierającej do piroelektryka to zmiana jego polaryzacji (rys.4). Zastosowanie jednego elementu piroelektrycznego powoduje w takim przypadku brak możliwości odróżnienia zdarzeń o charakterze alarmowym od tzw. fałszywych alarmów spowodowanych np. wyżej wymienionym przeciągiem.

Jednym ze sposobów rozwiązania tego problemu jest zamontowanie w czujniku detektora składającego się z dwóch elementów piroelektrycznych. Oznacza to, że dla takiego samego układu optycznego, czujnik z dwoma piroelektrykami "widzi" dwa razy więcej stref detekcji, niż w przypadku czujnika z jednym elementem. Przy czym strefy widzenia elementu 1 i elementu 2 znajdują się blisko siebie w płaszczyźnie poziomej (czasami nawet mogą częściowo się pokrywać). W celu skutecznej eliminacji fałszywych alarmów sumuje się sygnały z obu elementów, przy czym elementy te są ze sobą połączone w ten sposób, że zmiana ich polaryzacji, na skutek detekcji promieniowania, jest zawsze przeciwna w jednym elemencie w stosunku do drugiego (rys.5).

Ruch ciepłej lub zimnej masy powietrza ku górze lub ku dołowi, w większości przypadków, zostanie wykryty równocześnie w jednej lub kilku parach stref - identycznie pobudzony zostanie element +V i -V. Sygnał z sumatora pozostanie na stałym poziomie co powoduje, że układ nie reaguje na tego typu zjawisko. Wchodzący, w strefy widzenia czujnika PIR, intruz będzie pojawiał się najpierw w strefie związanej z elementem np. +V, a dopiero po chwili w strefie związanej z elementem -V. Oznacza to, że na wyjściu sumatora pojawi się sygnał generowany przez element +V potem sygnał zerowy (odniesienia), aby po wyjściu intruza z strefy widzenia detektora +V uzyskać jedynie sygnał z detektora -V. Taka różnica w wartości sygnału wyjściowego może od razu, po poprzez dodatkowe elementy pośredniczące, powodować zadziałanie przekaźnika alarmowego czujnika lub zostać wykorzystana jako sygnał wejściowy poddawany dalszemu przetwarzaniu analogowo - cyfrowemu.

Ze względu na duże problemy z dobraniem dwóch elementów piroelektrycznych o identycznej czułości w całym zakresie temperatur wykrywanych obiektów może się okazać, ze pewne czynniki, jak chociażby promieniowanie słoneczne, spowodują różne zadziałanie obu detektorów, przez co sygnał wyjściowy z sumatora nie będzie równy poziomowi odniesienia i będzie źródłem fałszywych alarmów. Doświadczony instalator systemów alarmowych wiedząc o takim zagrożeniu z pewnością nie umieści czujnika PIR tak, aby padało na niego światło słoneczne bezpośrednio lub na skutek odbicia w oknie sąsiadującego bloku. Niemniej producenci starają się tę wadę, jak i dużą wrażliwość na obecność małych zwierząt, wyeliminować z oferowanego przez siebie sprzętu.

Skoro można umieścić w detektorze dwa piroelementy to dlaczego nie więcej? Odpowiedzią na to pytanie jest technologia Quad, która oznacza, innymi słowami, umieszczenie czterech piroelektryków. Elementy te mogą być umieszczone jeden obok drugiego w rzędzie powodując uzyskanie czterech leżących jedna obok drugiej stref detekcji, uzyskanych z jednej soczewki Fresnela, czy jednego lustra lub jak to jest w innym, częściej stosowanym, rozwiązaniu, ułożenie piroelektryków w dwóch rzędach po dwa elementy. Strefy detekcji zgrupowane są w grupy po cztery wiązki, a ich obraz przestrzenny przedstawia rys.3.

Elementy piroelektryczne połączone są w pary, w których jeden element posiada czułość dodatnią a drugi ujemną. Można więc powiedzieć, że tego typu detektor to jakby dwa detektory z podwójnymi elementami piroelektrycznymi. W czujce typu Quad sygnał elektryczny z każdej pary piroelektryków jest przetwarzany oddzielnie w układzie analogowo-cyfrowym (rys.7).


Rys.7. Idea wykrywania intruza w czujniku typu Quad.

Aby intruz mógł być skutecznie wykryty pole dwóch stref detekcji, znajdujących się jedna nad drugą, powinno być w przybliżeniu równe polu, jakie przesłania intruz. Jeżeli jest to spełnione to, tak jak na rys.7, sygnały z obu par są nie zerowe i powodują zadziałanie czujnika. Jeżeli w polu detekcji detektorów pojawiłoby się małe zwierze, to prawdopodobnie jego obraz mieściłby się jedynie w dolnych strefach, powodując powstanie sygnału tylko w jednym układzie par elementów piroelektrycznych. Sygnał z jednej pary jest traktowany przez czujnik jako fałszywy alarm.

Należy zastanowić się nad reakcją czujnika w przypadku, kiedy małe zwierze pojawia się na pograniczu stref i jest widziane przez strefę górną i dolną np. chodząc po stole w pomieszczeniu. Z obu par piroelektryków wychodzą sygnały elektryczne różne od zera co powoduje, że czujnik przechodzi do stanu alarmu. Oczywiście sygnał jest słabszy co oznacza, że gdyby tę informację wykorzystać, to można by uzyskać kolejny krok w weryfikacji sygnału z detektora.

W tym miejscu należy jeszcze raz przypomnieć o trudnościach w dopasowaniu poszczególnych piroelementów tak, aby działały jednakowo w szerokim przedziale zmian temperatury. Było to kłopotliwe przy dwóch elementach, przy czterech jest jeszcze trudniejsze. Nie należy rozumieć tego, że technika Quad jest gorsza od tradycyjnej dwuelementowej, jednak, jeżeli jednym z parametrów analizowanego sygnału z detektorów ma być również amplituda sygnału, to czy nie jest bezpieczniej przeprowadzenie tego w układzie z podwójnym piroelementem, niż w układzie z czterema, gdzie w obu parach można się spodziewać uzyskania różnych amplitud sygnałów dla takiego samego wymuszenia. Rys.8 przedstawia ilustrację tego odmiennego podejścia do techniki Quad, przy uwzględnieniu faktu, że jedną z funkcji układu elektronicznego jest analiza amplitudy sygnału elektrycznego z detektora.


Rys.8. Idea wykrywania intruza w czujniku typu logiczny Quad.

W czujniku są tylko dwa elementy piroelektryczne natomiast modyfikacji uległa część związana z układem optycznym. Zwiększenie liczby stref uzyskano przez podwojenie liczby elementów skupiających lub jak to jest proponowane w innych rozwiązaniach poprzez wydłużenie tych stref tak, aby pole wydłużonej strefy było równe polu dwóch stref. Analiza amplitudy sygnału jest tu znacznie bezpieczniejsza, gdyż zarówno dla części dolnej, środkowej i górnej strefy wartość amplitudy zakłócenia od małego obiektu będzie identyczna a przez to łatwa do odróżnienia od sygnału generowanego przez duży obiekt. Niektórzy producenci starają się tego typu konstrukcję określać mianem logicznego Quad. Nie jestem zwolennikiem tego określenia, gdyż może wprowadzać użytkownika w błąd sugerując mu, że ma czujnik z układem czteroelementowego detektora piroelektrycznego, co nie jest przecież prawdą.

5.Wielowymiarowa analiza sygnałów i związane z nią zagrożenia

Przeważająca liczba czujników PIR oferowanych na rynku to urządzenia realizujące przetwarzanie sygnałów z detektorów piroelektrycznych przy pomocy specjalizowanych układów cyfrowych lub mikroprocesorów. Zasygnalizowane już zostało, że jednym z ważnych kryteriów rozróżnienia sytuacji alarmowej od zakłóceń powodowanych przez zmiany warunków środowiskowych o charakterze losowym jest informacja o liczbie impulsów sygnału z piroelementów w określonym przedziale czasu. Liczba impulsów jest definiowana w trakcie instalacji czujnika, dodatkowo może zostać ustawiony przedział czasowy zliczania impulsów.

Układ mikroprocesorowy, w obecnych czasach, może właściwie wszystko zrobić z sygnałem wejściowym. Jeżeli zostaną policzone impulsy to można dalej analizować sygnał pod kątem jego amplitudy, symetrii, kształtu i określać różnice w stosunku do wprowadzonego do pamięci wzorca, czy wzorca definiowanego dynamicznie w zależności od zmieniających się warunków środowiskowych.

Można więc mówić o analizie wielowymiarowej, dążącej do wyfiltrowania jedynie takich sygnałów, jakie odpowiadają reakcji detektora na pojawiającego się intruza [6]. I w tym miejscu wrócić chyba należy do prezentowanej na początku istoty zjawiska piroelektrycznego. Jak to już zostało stwierdzone, jest to zmiana polaryzacji elementu piroelektrycznego na skutek zmiany temperatury jego powierzchni. Jeżeli więc analizowany jest kształt przebiegu oraz widmo sygnału, to czy na pewno jest to analiza przyczyny powodującej reakcję detektora, czy tylko analiza odpowiedzi obwodu elektrycznego, w którym element piroelektryczny zachowuje się jak źródło napięciowe. Z punktu widzenia producenta czujniki jest to przecież to samo, ale ja osobiście mam spore, cały czas nie w pełni wyjaśnione, wątpliwości.


1) Zgodnie z Polską Normą PN-E-08390-1 "Systemy alarmowe. Terminologia", ustanowioną przez PKN dnia 16 lutego 1996 roku obowiązującym określeniem jest "czujka". Termin "czujnik" użyty został w artykule jedynie jako wyraz szacunku autora dla tradycyjnego nazewnictwa funkcjonującego w środowisku metrologów i automatyków.


Literatura
[1] R.J. Keyes: Optical and Infrared Detectors. Springer-Verlag, New York 1977.
[2] X.P.V. Maldague: Infrared Methodology and Technology. Gordon and Breach Science Publishers, Belgium 1994.
[3] J. Grant: Intruder Alarms. Paramount Publishing Ltd., England.
[4] J.D. Vincent: Fundamentals of Infrared Detector Operation and Testing. John Wiley and Sons, New York 1990.
[5] Informacja Internetowa firmy Scitec Instruments Ltd.
[6] J.Bohdanowicz, S. Makowski: Pasywne czujniki podczerwieni, Cz. II. Zaawansowane techniki obróbki sygnału. Systemy Alarmowe 1997, nr 3.

Autor: Krzysztof Serafin

Ofertę czujek alarmowych wraz z opisami, fotografiami i kartami katalogowymi można obejrzeć w katalogu internetowym AVAL.