Zaloguj się
Wszystkie
29 października 2024
47
Efekt piroelektryczny
Ciepło to energia. Każde ciało cieplejsze od zera bezwzględnego czyli –273,15°C emituje energię w postaci promieniowania podczerwonego niewidocznego dla człowieka. Zjawisko to stanowi podstawę do tworzenia idealnych systemów wykrywania osób. Ilość promieniowania zależy od różnicy temperatur i wielkości obiektu. Zmierzono, że osoba przebywająca w pomieszczeniu o temperaturze 20°C emituje promieniowanie o średniej mocy około 100 W. Długość fali tego promieniowania wynosi około 10 μm. Jest to korzystne, ponieważ żarówka o mocy 100 W naturalnie również emituje energię podczerwoną. Ale długość fali tego promieniowania jest dziesięciokrotnie mniejsza, tj. około 1 μm. Promieniowanie podczerwone Słońca jest również daleko poza zasięgiem promieniowania ludzkiego. W ten sposób można bardzo łatwo wykryć promieniowanie podczerwone emitowane przez człowieka. Wystarczy opracować detektor o maksymalnej czułości około 10 μm.
Zasada działania detektorów piroelektrycznych. Zasada działania detektorów piroelektrycznych polega na tym, że promieniowanie podczerwone padające na detektor nagrzewa go. Ogrzewanie to prowadzi do zamiany rozkładu ładunków w detektorze i doprowadza do powstania różnicy potencjałów. Chociaż człowiek emituje średnio 100 W energii podczerwonej, energia ta bardzo szybko rozprasza się w przestrzeni. W rezultacie wzrost temperatury detektora w większości przypadków wynosi zaledwie 0,02°C. Niemniej jednak opracowane detektory są wystarczająco czułe, aby wykryć tę bardzo małą różnicę temperatur.
Efekt piroelektryczny. Odkrycie efektu piroelektrycznego jest rezultatem badań prowadzonych na całym świecie nad materiałami ceramicznymi. Odkryto, że jeśli niektóre materiały ceramiczne zostaną podgrzane powyżej pewnej temperatury, tak zwanego punktu Curie, a następnie podczas chłodzenia zostanie do nich przyłożone pole elektryczne, materiały te wykazują właściwości elektryczne wrażliwe na temperaturę. Ładunek powierzchniowy płytki wykonanej z takiej substancji ceramicznej wykazuje zależność od temperatury. Ten zmienny ładunek może być pobierany jako napięcie za pomocą elektrod przyłożonych do płytki. W rzeczywistości powstaje mały kondensator, którego wartość zależy od grubości płytki, powierzchni elektrod i stałej dielektrycznej materiału. To bardzo małe napięcie można przekształcić w użyteczny sygnał za pomocą czułych wzmacniaczy.
Dipole elektryczne. Materiał wykazujący właściwości piroelektryczne może być reprezentowany przez małe dipole elektryczne. Dipole te można porównać do magnesów elementarnych, z których składa się magnes trwały. W warunkach naturalnych dipole te są zorientowane losowo, więc można statystycznie założyć, że sumaryczny efekt na całym obrazie wynosi zero. Jeśli jednak podgrzejemy płytkę powyżej punktu Curie i przyłożymy pole elektryczne, wszystkie dipole zaczną ustawiać się w kierunku tego zewnętrznego pola. Nawet po schłodzeniu większość dipoli pozostaje w tej pozycji. Jednak pod wpływem temperatury niektóre dipole wrócą do pierwotnych pozycji, tworząc inny ładunek na całym obrazie. Im większa zmiana temperatury, tym silniejsze zjawisko i tym większy anomalny ładunek, który pojawi się na całej płytce.
Materiały piroelektryczne. Oprócz materiałów ceramicznych opracowano również tworzywa sztuczne wykazujące właściwości piroelektryczne. Tworzywa te są łatwiejsze w obróbce niż materiały ceramiczne i obecnie całkowicie zastąpiły ceramikę. Odkryto kilka substancji, które mają dobre właściwości piroelektryczne w zakresie 10 μm. Główne z nich to:
- Siarczan triglicyny, w skrócie TGS,
- Tantalan litu LiTa03,
- Substancje na bazie ołowiu, tytanu i cyrkonu, tzw. substancje PZT,
- Polifluorek winylidenu, w skrócie PVDF (kynar – przyp. tłum.).
To właśnie to ostatnie tworzywo jest obecnie wykorzystywane w detektorach piroelektrycznych. Przetwarza się je na bardzo cienkie warstwy o grubości około 10 μm.
Dwa działają lepiej niż jeden. Ze względu na wysoką czułość pojedynczy pirodetektor nie jest w stanie wykryć obecności osoby. Gdyby zastosować tylko jeden detektor, reagowałby on na każdą setną stopnia zmiany temperatury otoczenia i nie byłoby żadnego wiarygodnego wykrywania. Dlatego czujnik piroelektryczny składa się z dwóch pirodetektorów połączonych przeciwsobnie. Należy upewnić się, że oba detektory są bardzo ściśle połączone termicznie, tak aby można było mieć pewność, że oba znajdują się w tej samej temperaturze otoczenia. W ten sposób wpływ zmiennej temperatury otoczenia jest całkowicie wyeliminowany. Należy jednak pamiętać o tym, że nawet promieniowanie człowieka działa teraz na oba detektory i nie skutkuje wynikowym sygnałem. Trzeba zatem zastosować specjalny układ optyczny dla detektora.
Ponieważ detektory mają bardzo wysoką impedancję, konieczne jest zastosowanie transformatora impedancji. W większości przypadków składa się on z wtórnika FET, a napięcie wyjściowe jest pobierane ze źródła.
Od czujnika piroelektrycznego do czujnika PIR. Komponent zbudowany z dwóch przeciwsobnie połączonych czujników piroelektrycznych w jednej obudowie nazywany jest czujnikiem PIR, czyli pasywnym czujnikiem podczerwieni.
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
