Устройство и принцип работы инфракрасных датчиков движения. Инфракрасные датчики движения и присутствия - реальный способ экономии электроэнергии

В основу функционирования инфракрасных датчиков движения положена их способность срабатывать в случаях, когда возникает интенсивное тепловое фоновое излучение. Устройства реагируют, когда источник излучения попадает в непосредственную зону действия устройства. Точность работы прибора зависит от места расположения объекта, вызвавшего срабатывание. Важно учесть, что тепловое излучение вырабатывают не только люди, но и животные, и неодушевленные предметы.

Во избежание ложного срабатывания устройство настроено таким образом, что реагирует в случаях, когда объект имеет соответствующую скорость перемещения, а также он непосредственно пребывает в рабочей зоне чувствительного прибора. При возникновении обоих условий датчик срабатывает и происходит передача сигнала к электронной схеме управления. Этот блок комплексной системы выполняет определенную (заранее запрограммированную) задачу в зависимости от возникшей ситуации. В частности, используются конкретные устройства, выполняющие определенные задачи. Среди наиболее активно используемых:

• выключатель освещения,
• охранная сигнализация,
• регулятор интенсивности освещения,
• устройство открывания (закрывания) дверей,
• блокировка доступа.

Вариантов много и они зависят от особенностей территории либо помещения, где установлена система.

Сфера применения

Современные датчики движения являются высокотехнологичными устройствами, способными эффективно работать в различных системах. Потенциала качественных изделий достаточно для использования как в быту, так и в условиях крупных предприятий. Такими устройствами можно оборудовать:

• загородные дома,
• лестничные клетки,
• торговые точки,
• подъезды,
• производственные предприятия,
• объекты бизнеса,
• складские помещения,
• офисы,
• общественные здания,
• различные учреждения.

Область эффективного использования приборов практически не ограничена.

Важно перед окончательным выбором типа устройства учесть специфику работы системы в конкретном месте. Благодаря активному внедрению датчиков ощутимо облегчается работа охранников, сторожей и людей многих других профессий. Также при определенных условиях достижима полная автоматизация, при которой практически не требуется присутствие человека.

Конструктивные особенности

Инфракрасное излучение, вырабатываемое движущимся объектом, распознается пироприемником. Вторым важным элементом конструкции служит мультилинза. Фактически эта деталь являет собой многочисленные мелкие линзы в одном корпусе. Внешний вид мультилинзы схож с матовым цилиндром, на поверхности которого нанесен мелкий узор. В корпусах датчиков мультилинзы расположены перед пироприемниками.

Наличие множества сегментов в мультилинзах неслучайно. Функция каждой мелкой линзы состоит в фокусировании инфракрасного света на один из пироприемников. Как только перемещающийся объект пропадает из зоны видимости одной мелкой линзы, он фиксируется соседней микролинзой. Соответственно, сигнал улавливается другим пироприемником. Таким способом удалось основательно расширить площадь территории, охватываемой одним датчиком.

На пироприемнике наблюдается попеременное присутствие и отсутствие сфокусированного инфракрасного света, что позволяет электронной схеме датчика срабатывать и приводить в действие определенные устройства.

Чувствительность датчика напрямую зависит от числа используемых в микролинзе сегментов. Каждой парой (микролинза – сегмент) проводится контроль определенного пространства. В результате при перемещении объекта в пределах этого сектора срабатывание устройства не происходит.

Для исключения возникновения помех и во избежание ложного срабатывания системы производители инфракрасных датчиков все чаще отдают предпочтение использованию сдвоенных, а в определенных случаях и счетверенных пироэлементов. Последние модели надежно защищены от ложных срабатываний.

Условия эффективной работы

Для обеспечения эффективности функционирования устройства необходимо строго придерживаться нескольких важных правил.

1. Избегать попадания прямого света от ламп освещения.
2. Позаботиться об отсутствии предметов, препятствующих нормальному обзору датчика в зоне его действия, в частности:
   • высоких предметов мебели,
   • колонн,
   • люстр,
   • подвесных осветительных приборов,
   • других предметов, препятствующих работе прибора.

1. Наличие стеклянных перегородок снижает эффективность датчика. Стекло блокирует прохождение инфракрасного света, что чревато возникновением «мертвых зон», то есть участков, пребывающих вне зоны действия датчиков.
2. Монтаж приборов необходимо проводить с учетом их радиусов обнаружения. Важно, чтобы все углы в помещениях попадали в зону контроля системы. Если этого не удается достичь, необходимо установить несколько датчиков. Как правило, 2 или 3 хватает для большинства типов помещений.
3. У любой модели имеется собственная диаграмма обнаружения. Когда возможностей одного устройства недостаточно, придется монтировать несколько датчиков, чтобы перекрыть все пространство помещения. При таком варианте расположения происходит «перехлестывание» диаграмм обнаружения отдельных приборов, что основательно повышает эффективность системы в целом.

Дополнительные возможности

Современные модели датчиков прекрасно справляются с основными задачами. Однако, благодаря новейшим разработкам удалось существенно расширить возможности автоматизированных систем. Они не только четко фиксируют любые перемещения в контролируемых помещениях и соответствующим образом на них реагируют, но и способны выполнять многие важные полезные функции.

Одной из широкой используемых как в промышленных, так и в бытовых условиях возможностей является мониторинг уровня освещенности. Система определяет место нахождения человека, а также проверяет, достаточно ли в этом секторе освещения. Если показатели отличаются от нормы, происходит включение (выключение) соответствующих источников освещения. Такие системы эффективны не только на различных участках производства и в торговых точках. Их можно активно использовать в подъездах жилых домов, что позволит существенно сэкономить электроэнергию. Хотя подобные приборы несколько дороже от стандартных вариантов, весомое снижение затрат на освещение делает их выгодными в плане материальных затрат.

Подразделение Sensing and Control (S&C) компании Honeywell, мирового лидера в производстве датчиков, выпускает огромный спектр различных приборов, находящих применение в аэрокосмических, промышленных, медицинских и транспортных системах.

Honeywell S&C предлагает широкий набор решений, различающихся по электрическим параметрам, специальной маркировке, цоколевке и способам подключения, наличию или отсуствию встроенных интегральных микросхем (ИС), по типам корпусов (некоторые из этих корпусов сами по себе являются уникальными инженерными решениями), но, в целом, все выпускаемые Honeywell S&C ИК-устройства, служащие для определения положения объекта, можно объединить в следующие семейства:

• ИК-излучатели (ИК-светодиоды)
• ИК-приемники- устройства, состоящие как из одних лишь простейших элементов, ИК-фотодиодов и ИК-фототранзисторов (дарлингтоновских, либо одиночных), так и интегрированные, включающие в себя еще и триггер Шмитта с усилителем и выходным транзисторным каскадом.
• ИК-датчики- оптопары просветного и отражательного типа
• ИК-энкодеры- устройства, хотя и созданные на основе ИК-датчиков, но уже выдающие на выходе сигналы, на основе которых можно осуществлять простейший анализ перемещения отслеживаемого объекта (измеряются скорость и направление линейного перемещения, либо угла поворота). ИК-энкодер может как включать в себя встроенный излучатель, так и состоять из одного лишь датчика (в этом случае предполагается использование внешнего излучателя).

В качестве излучателей чаще всего используются ИК-светодиоды на арсениде галлия (GaAs) и на алюмо-галлиевом арсениде (AlGaAs). Они отличаются длинной волны, на которую приходится максимум спектральных характеристик (соответственно 935 и 880 нм), а в качестве приемников — кремниевые фотодиоды или NPN фототранзисторы, как одиночные, так и составные. Следует отметить, что светодиоды на AlGaAs имеют мощность излучения примерно на 70% большую, чем светодиодоы на GaAs при том же прямом токе.

Поскольку в одной статье невозможно рассказать обо всех датчиках, излучателях и приемниках всех типов, выпускаемых Honeywell S&C в настоящее время, мы выбрали лишь несколько конкретных наименований каждого типа из тех, что уже наиболее известны российским разработчикам. Отметим еще, что эти выбранные нами наименования в жизни существуют, как правило, в нескольких «ипостасях». Иными словами, и в реальных полных заводских названиях, с которыми столкнется заказчик, к их наименованиям добавляются несколько цифр (например -001, -002 и пр.), характеризующих незначительные конструктивные отличия. Но это уже детали, которые можно посмотреть в соответствующих даташитах , и мы решили в данной обзорной статье не заострять на этом факте внимание, за исключением нескольких наименований. Теперь рассмотрим по порядку перечисленные выше классы устройств.

ИК-излучатели

ИК-излучатели Honeywell S&C (рисунок 1) построены, как было сказано выше, на базе светоизлучающих диодов и выпускаются в корпусах трех вариантов: металлическом, пластиковом и керамическом. Излучатели в металлическом корпусе имеют стеклянную линзу, которая обеспечивает превосходные оптические свойства. Сам металлический корпус позволяет рассеивать большую мощность и обеспечивает широкий температурный диапазон. Вся металлостеклянная конструкция придает стойкость к влажности и растворителям. За счет высочайшего качества исполнения излучатели в металлическом корпусе используются в оборонной, авиакосмической и медицинской промышленности. Рабочий температурный диапазон излучателей в металлическом корпусе составляет — -55…125°C. Пластиковые ИК-излучатели предназначены для монтажа в отверстия печатной платы, а керамические — для поверхностного монтажа.

Рис. 1.

ИК-излучатели в пластмассовом корпусе (см. табл. 1) широко применяются в решениях для индустрии. Могут так же, как и металлические, иметь линзовый купол (для фокусировки излучения) или плоское окно (для получения широкой диаграммы направленности). Пластмассовый или керамический корпус обеспечивает хорошую стойкость к коррозии, что позволяет использовать такие излучатели в агрессивных средах. Рабочий температурный диапазон излучателей в пластмассовом корпусе уже, чем у металлических. Он составляет — -40…85°C. Несмотря на то, что излучатели в пластмассовом и керамическом корпусах имеют меньшую мощность, за счет своей невысокой стоимости они более востребованы у разработчиков, чем излучатели в металлическом корпусе, если отсутствуют жесткие требования по температурному режиму.

Таблица 1. Типовые параметры ИК-излучателей в пластмассовом или керамическом корпусе

Рассмотрим в качестве примера из таблицы выше арсенид-галлиевый инфракрасный светоизлучающий диод SEP8706. Он имеет серый дымчатый корпус с излучателем, расположенным на боковой поверхности корпуса. Как показано в таблице 1, его угол излучения составляет 50°, что вполне достаточно для большинства приложений. Спектральный максимум излучения находится на длине волны 880 нм. Механически и спектрально излучатель SEP8706 совместим с фототранзистором SDP8406 , составным фототранзистором SDP8106 и датчиками с триггером Шмитта серий SDP8000/8600.

ИК-приемники

К ИК-приемникам (рис. 2), выпускаемым Honeywell S&C , относятся полупроводниковые кремниевые фотодиоды (см. рис. 3а), фототранзисторы (см. рис. 3б) , дарлингтоновские составные транзисторы (см. рис. 3в) и интегрированные фотодетекторы различных типов с логическим выходом на базе триггера Шмитта (см. рис. 3г, д, е).

Рис. 2.

Рис. 3. а — фотодиод; б — фототранзистор; в — составной фототранзистор; г — интегрированный с выходным транзистором по схеме ОЭ; д — интегрированный с двухтактным выходным каскадом; е — интегрированный с выходным транзистором по схеме ОЭ с открытым коллектором

ИК-фотодиодные детекторы

Фотодиодные детекторы (см. табл. 2) обеспечивают высокую линейность и высокоскоростной аналоговый выход. Чаще всего используются в энкодерах и устройствах для передачи данных. Для нормальной работы фотодиодных детекторов необходим внешний усилитель. Фотодиоды выпускаются в металлических, пластмассовых и керамических корпусах.

Таблица 2. ИК-фотодиодные детекторы

ИК-фототранзисторы

Основные характеристики некоторых типичных ИК-фототранзисторов (одиночных и дарлингтоновских) приведены в табл. 3. Кривые спектральных характеристик приведенных в таблице транзисторов имеют максимальное значение на длинне волны 880 нм, что указывает на тип полупроводника, использовавшегося при их производстве — алюмо-галлиевый арсенид. Они выпускаются как в металлических, так и в пластиковых корпусах.

Таблица 3. Основные характеристики некоторых ИК-транзисторов различных типов, выпускаемых Honeywell S&C

Фототранзисторы в металлическом корпусе используются в коммерческих и промышленных приложениях, в которых требуются фотоприемники с аналоговым выходом. Фототранзисторы имеют высокую нелинейность, и среднюю или высокую скорость отклика. Стеклянная линза обеспечивает великолепные оптические свойства. Фототранзисторы в металлическом корпусе имеют высокую допустимую рассеиваемую мощность, широкий температурный диапазон и стойкость к влаге и растворителям. Их рабочий температурный диапазон составляет -55…125°C.

Вот характеристики типичного фототранзистора в металлическом корпусе SD3443/5443 из таблицы выше: он построен на кремниевом NPN-фототранзисторе, в металлическом корпусе TO-46. Датчик SD3443 имеет плоское окно, обеспечивающее широкую диаграмму направленности, а датчик SD5443 снабжен линзой, позволяющей получить узкую диаграмму направленности. Корпуса TO-46 идеально подходят для работы в жестких условиях окружающей среды. Базовый вывод подключен к выводу корпуса для всех стандартных продуктов SD3443/SD5433. Механически и спектрально SD3443/SD5433 совместимы с ИК светодиодами SE3450/5450, SE3455/5455 и SE3470/5470.

Фототранзисторы в пластмассовом корпусе используются в коммерческих и промышленных приложениях с аналоговым выходом. Фототранзисторы обладают большой нелинейностью и малым или средним временем отклика. Стеклянные линзы обеспечивают превосходные оптические характеристики, а покрытие золотом и пластмассовый корпус препятствуют коррозии. Фототранзисторы выпускаются также в керамических корпусах для поверхностного монтажа с высококачественными стеклянными линзами. Фототранзисторы в пластмассовом корпусе идеально подходят для приложений, чувствительных к стоимости комплектующих. Рабочий температурный диапазон фототранзисторов в пластмассовом корпусе составляет -40…85°C.

Детекторы на составных фототранзисторах (схема Дарлингтона)

Детекторы на составных фототранзисторах обеспечивают нелинейный аналоговый выход с большим коэффициентом усиления по току. Используются для детектирования сверхслабых световых потоков, обеспечивают работу на больших дистанциях и имеют большое значение выходного тока.

Оптические детекторы с триггером Шмитта

Оптические детекторы с триггером Шмитта состоят из фотодиода, усилителя, триггера Шмитта и выходной ступени на транзисторе с нагрузочным резистором с сопротивлением 10 кОм, каскада с открытым коллектором или каскада с двухтактным выходом. Для повышения стабильности характеристик используется внутренний стабилизатор напряжения. Однокристальный фотодетектор с триггером Шмитта монтируется в металлостеклянном корпусе TO-46 с торцевым расположением фотодатчика или в пластмассовом корпусе с боковым расположением фотодатчика. Цифровой выход используется для обнаружения движения или для создания на его базе энкодеров. Основные характеристики этих детекторов приведены в табл. 4.

Таблица 4. Оптические детекторы с триггером Шмитта

Переходя к ИК-датчикам и энкодерам от Honeywell S&C, отметим, что они конструируются из уже имеющихся стандартных ИК-излучателей и ИК-приемников того же производителя. Например, отражательные датчики серии HOA0149 созданы на базе светодиода SEP8505 и фототранзистора SDP8405.

ИК-датчики

Инфракрасные датчики (рис. 4) положения, выпускаемые Honeywell S&C бывают просветного и отражательного типов.

Рис. 4.

Датчики просветного типа

Эти датчики могут иметь в качестве ИК-фотоприемника как одиночный элемент — фототранзистор (простой или составной) или фотодиод, так и содержать в своей схеме усилитель, встроенный триггер Шмитта и выходные каскады различных типов. Датчики просветного типа выпускаются в разнообразных корпусах с различными вариантами крепления, различной шириной рабочего просвета и различным размером апертурной щели. Корпуса могут быть как металлическими, так и пластмассовыми. Детектор срабатывает, если в оптическом промежутке между излучателем и приемником оказывается непрозрачный предмет.

В табл. 5. читатель может видеть характеристики некоторых успешно применяющихся на российском рынке типичных представителей семейства просветных датчиков, выпускаемых Honeywell S&C, как с триггером Шмитта, так и без него. По другому ИК-датчики, содержащие в своем составе триггер Шмитта, называются в таком контексте интегрированными, чтобы подчеркнуть их отличие от датчиков, где приемником является простейший элемент — фотодиод, фототранзистор (одиночный, либо составной дарлингтоновский).

Таблица 5. Датчики просветного типа различных типов

Характерный представитель просветных датчиков без триггера Шмитта — датчик HOA1874 содержит ИК светодиод SE1450/SEP8506 SD1440/SDP8406 (HOA1874-001, -002, -011, -012 ) или составной фототранзистор SD1410/SDP8106 (HOA1874-003, -013) помещенные в черный термопластиковый корпус. Датчики HOA1874-001, -002 и -003 имеют диаметр апертуры детектора 1,27 мм и используют компоненты в металлических корпусах, а датчики HOA1874-011, -012 и -013 имеют диаметр апертуры детектора 1,52 мм и выполнены из деталей в пластмассовых корпусах. Корпуса датчиков HOA1874-001, 002, 003 изготавливаются из ацетал-кополимера, а датчиков HOA1874-011, 012, 013 — из полиэстера.

Датчики просветного типа с триггером Шмитта состоят из расположенных друг напротив друга ИК-светодиода и фотодетектора с триггером Шмитта, помещенных в черный пластмассовый корпус. Выход фотодетектора переключается, когда поток излучения от светодиода перекрывается каким-либо непрозрачным предметом. Фотодетектор состоит из фотодиода, усилителя, стабилизатора напряжения и триггера Шмитта, сигнал с которого поступает на выходную ступень, представляющую собой NPN-транзистор с нагрузочным резистором сопротивлением 10 кОм, каскад с ОК или двухтактный каскад. Триггер Шмитта обеспечивает четкое однократное срабатывание датчика при прерывании оптического пути непрозрачным объектом.

Рассмотрим серию датчиков HOA096X/097X, имеющих триггер Шмита в своей конструкции. Здесь, в зависимости от конкретного наименования, имеется возможность выбора трех параметров датчика: размера апертуры детектора, конфигурации крепежных петель, материала корпуса. Выход датчика совместим с TTL-уровнями. Датчик обеспечивает высокую точность позиционирования объекта и может использоваться при большом уровне фоновой засветки.

Алгоритм работы:

• Буфер- Если оптический путь заблокирован, то выход находится в состоянии с низким уровнем.
• Инвертор- Если оптический путь заблокирован, то выход находится в состоянии с высоким уровнем.

Приборы HOA096X/097X могут применяться в датчиках присутствия, датчиках движения, энкодерах положения, датчиках границ и краев объекта, детекторах движения и счетчиках.

Датчики отражательного типа

Датчики отражательного типа имеют аналоговый выход за счет используемого в них фототранзистора и размещаются в литом корпусе. Используются в случае, если необходимо размещение излучателя и детектора не с разных сторон, как у просветных датчиков, а с одной стороны от обнаруживаемого объекта, который не является непрозрачным, или необходимо определение присутствия/положения объекта. Датчики выпускаются как с металлическими, так и с пластиковыми компонентами в зависимости от типа корпуса. Корпуса датчиков легко растворимы в хлороуглеродах и кетонах, поэтому для их очистки рекомендуется использовать метиловый или изопропиловый спирт (это относится также и к пластиковым энкодерам, о которых пойдет речь ниже). Некоторые примеры из известных отражательных ИК-датчиков Honeywell S&C приведены в таблице 6.

Таблица 6. Датчики отражательного типа

Датчики серии HOA0708/0709 содержат ИК-светодиод и кремниевый NPN-фототранзистор (HOA0708-001, -011 ), или составной фототранзистор (HOA0709-001, -011 ), установленные рядом в одном корпусе таким образом, что их оптические оси пересекаются. Датчик отвечает на излучение ИК-светодиода только в том случае, если в их поле зрения появляется отражающий объект. В конструкцию HOA0708-011 и HOA0709-011 входят просветные ИК-фильтры для минимизации помех от фоновой засветки и имеют гладкие оптические поверхности для предотвращения оседания пыли. Датчики HOA0708/0709 имеют литые пластмассовые корпуса.

Имеются датчики с выходным каскадом на обычном или составном транзисторе. Они снабжены фильтрами от фоновой засветки и пыли. Для максимального отклика можно осуществлять фокусировку.

Датчик HOA1404 состоит из ИК-светодиода SE1450 и кремниевого NPN-фототранзистора SD1440 (HOA1404-001, -002 ) или составного фототранзистора SD1410 (HOA1404-003 ), расположенных на одной стороне корпуса и имеющих пересекающиеся оптические оси. Имеет черный корпус из термопластика. Детектор отвечает на ИК-излучение от источника, только если в его поле зрения появляется отражающий предмет. Датчики серии HOA1404 изготовлены в металлическом корпусе.

На сегодняшний день ИК-датчики различных типов широко распространены и находят применение в принтерах и копирах, измерительных системах и системах хранения данных, в системах управления движением, сканерах, системах автоматических транзакций, сканерах штрих-кодов, датчиках падения, медицинском оборудовании

Энкодеры

Энкодеры Honeywell S&C построены на просветном принципе (рис. 5).

Рис. 5.

Функциональная схема их организации представлена на рис. 6.

Рис. 6.

Они могут иметь как собственный встроенный излучатель, так и быть рассчитанными на применение внешнего излучателя. В последнем случае энкодер состоит из одного лишь ИК-датчика-энкодера, который от обычного ИК-датчика отличается тем, что имеет в своем составе схему, позволяющую анализировать сдвиг по времени от поступающих световых импульсов (см. рис. 7).

Основные характеристики энкодеров различных типов представлены в таблице 7.

Таблица 7. Характеристики некоторых энкодеров

«Половинки» энкодеров, состоящие только из приемников

Датчики энкодеров представляют собой монолитные ИС, состоящие из трех фотодиодов, усилителей и триггеров Шмитта в выходной ступени. На выходе ИС устанавливаются NPN-транзисторы с внутренними нагрузочными резисторами сопротивлением 10 кОм. В состав ИС входит схема температурной компенсации мощности светодиода. На выходе энкодеры выдают два сигнала о характере перемещений отверстий диска или линейки, движущихся в просвете между излучателем и приемником (а эти диск или линейка, в свою очередь, соединенны с объектом, перемещение которого отслеживается). В зависимости от конструкции энкодера, этими двумя выходными сигналами являются либо смещенные по фазе друг относительно друга последовательности трапецеидальных импульсов, либо сигнал направления и последовательность тахоимпульсов. Ширина таких тахо-импульсов показана в таблице 7 (разумеется только для тех энкодеров, которые такие импульсы выдают).

Просветные энкодеры

Просветные энкодеры состоят из ИК-светодиода, напротив которого установлены три оптических датчика, помещенных в пластмассовый корпус. За один механический цикл прерывателя такой детектор генерирует два электрических импульса. Выходные сигналы дают информацию о скорости и направлении движения. Цифровой выход можно использовать как датчик присутствия или движения.

Например, датчик HOA0901, размещенный в черном термопластовом корпусе, содержит двухканальную ИС детектора HLC2701 и ИК-светодиод SEP8506. Типичное применение датчика — использование с прерывателем в виде диска с отверстиями (кодовый диск) для кодирования величины и направления вращения. Датчик используется в линейных и вращающихся энкодерах, в том числе в оптических мышах. На каждый механический цикл прерывателя генерируется по два электрических импульса, которые могут давать информацию о скорости и направлении.

ИС детектора содержит два светодиода, усилители и триггер Шмитта. На выходах установлены NPN-транзисторы с нагрузочными резисторами сопротивлением 10 кОм, что позволяет непосредственно управлять TTL-нагрузками. ИС снабжена схемой компенсации изменения выходной мощности ИК светодиода при изменении температуры. Оптически чувствительные области ИС имеют размер 0,203 мм в ширину и 0,381 мм в высоту с промежутком 0,0254 мм, при этом межцентровое расстояние составляет 0,229 мм, а общая ширина зоны чувствительности 0,432 мм.

Основное применение энкодеры находят в качестве основы для конструирования систем кодирования перемещений и вращения. Например, они используются в линейных и вращающихся энкодерах, в том числе — в оптических мышах и системах управления перемещением манипуляторов роботов.

Литература

1. Сайт Сенсорного Контроля Honeywell: www.honeywell.com/sensing

2. Маргелов А., «Оптические датчики положения компании Honeywell». ЭК №8, 2004

3. Карпов В.Э. «Управление движения роботом с использованием энкодера» http://robofob.ru/materials/begin/mEncoder.pdf .

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail:

Набор изделий Honeywell S&C для морской нефте- и газодобычи

На проходившей с 30 апреля по 3 мая 2012 г. в США в хьюстонском Релайэнт-Центре конференции по технологиям морской добычи полезных ископаемых подразделение Honeywell S&C представило свой новый «портфельный» набор различных устройств, рекомендованных для повышения безопасности и производительности при разработке нефтяных и газовых месторождений.

Этот набор включает в себя:

• Прецизионные датчики давления Model 425 и Model 427, обеспечивающие точность измерения 0,1 и 0,2% соответственно, и способные работать как с жидкой, так и с илистой средой.
• Пыле-, брызго- и взрывозащищенные переключатели серии BX2, предназначенные для работы в опасных средах. Они также имеют специальное покрытие, которое позволяет им выдерживать кратковременное воздействие языков пламени и выхлопов горячего газа.
• Беспроводные концевые выключатели- изделия, качество которых не уступает качеству уже широко распространенных под маркой Microswitch TM обычных проводных концевых выключателей этой же фирмы. Беспроводной вариант удобно использовать там, где подвод проводов к обычному концевому выключателю невозможен, дорог, либо требует слишком много времени.
• Беспроводные датчики положения XYR TM 6000, новый продукт от Honeywell S&C, предназначенный для отслеживания в удаленном режиме состояния различных клапанов. Это устройство, как и перечисленные выше, также предназначено для работы в тяжелых средах.
• Целый набор различных датчиков (давления, температуры, усилия и момента вращения), которые найдут применение в различных буровых установках и погружных платформах.

Устройства, входящие в вышеперечисленный набор, обладают повышенными прочностными показателями и надежностью, которые особенно важны для электронных компонентов, использующихся в нефте-газовом оборудовании.

О компании Honeywell

Датчик движения – устройство, позволяющее идентифицировать любые перемещения в зоне ответственности. В качестве ответного сигнала обычно используется логический уровень цифровой электроники. В результате становится возможным определять наличие движения в рамках систем сигнализации, освещения, автоматического управления дверьми и пр.

Разновидности и принцип действия датчиков движения

Пассивные инфракрасные датчики движения

В отечественной литературе чаще речь заходит о пассивных инфракрасных датчиках движения (PIR). У указанной категории продукции отмечается ряд недостатков. Обычно пассивный инфракрасный датчик работает на основе пироэлектрического эффекта: на расстоянии чувствует тепло. Разработчики, как правило, подгадывают под температуру человеческого тела и ловят волны среднего инфракрасного диапазона в районе 10 мкм. Это намного ниже, нежели видимое излучение, вспоминается фильм с участием великого Арни и охоту на Хищника. У пришельца сенсорная система реагировала на волны теплового диапазона.

По указанной причине пассивный инфракрасный датчик возможно обмануть. Подобные в серьёзных системах сигнализации не используются. Пироэлектрический датчик движения содержит в составе кристалл, преобразующий указанную длину волны в электрический заряд. Для устранения помех на входе стоит фильтр в виде линзы из силикона. Он сильно ограничивает спектр входящих излучений, к примеру, от 7 до 15 мкм, снижая уровень внешних помех.

Как правило, система состоит из двух частей, чтобы регистрировать одновременно внешний фон. Окно чипа, пропускающее излучение, разбивается на две эквивалентные части, каждая смотрит в сторону относительно центра. В результате, если в поле зрения окна окажется движущееся теплое тело, разница немедленно станет очевидной. Разработчики уверяют, благодаря линзам Френеля для получения отклика хватит мощности порядка 1 мкВт. В свете изложенного большинство пассивных инфракрасных датчиков движения требует времени не обучение. В течение недолгого периода в поле зрения линз не должно попадать перемещающихся объектов.

Период длится до минуты, потом датчиком движения допустимо пользоваться. Принцип передачи сигнала разнится. Как правило, производитель в рамках серии микросхем выпускает сенсор и соответствующий многофункциональный контроллер, с задачами работы с сопутствующим типом аппаратуры. Это делает возможным создание сложных систем. Уровень соответствует, к примеру, логической единице КМОП, либо выдаёт серию импульсов указанной частоты. Известны пассивные инфракрасные сенсоры, с возможностью настройки указанного параметра, что делает микросхемы более гибкими.

Внутри стоит усилитель для формирования нужного отклика. Это требует подведения питания извне. Схема разъёма предельно проста:

1. Ножка питания.
2. Заземление (схемный нуль).
3. Выход информационного сигнала.

Недостатки пассивных инфракрасных датчиков движения

Любой человек, сведущий в электронике, осознает недостатки описанных выше сенсоров: излучение легко экранируется. Достаточно в поле зрения датчика поместить сплошной предмет, чтобы нарушить работоспособность системы. Тепловое излучение перестанет достигать чувствительного элемента. Одетый человек, к примеру, формирует гораздо меньший отклик.

Вдобавок ограничена дальность действия. Определяется чувствительностью элемента и силой теплового излучения объекта. В большинстве случаев — считанные метры, что накладывает ограничения на использование.

Большое значение носит температура среды, по мере её снижения температурная картина начнёт опускаться по шкале частот, искажая чувствительность датчика. Спорным считается вариант, когда первое окно сенсора смотрит на улицу, а второе – в помещение. Приходится ориентироваться на рекомендации производителя по условиям применения.

Лазерные прерыватели

Лазерные датчики известны в фильмах про денежные банки. Это методика фиксации движения на прямой. Друг напротив друга ставятся источник и приёмник излучения. При попадании между ними предмета вырабатывается сигнал тревоги. Лазер порой невидимый, использование специальных баллончиков с газом, светящимся под действием инфракрасных или ультрафиолетовых лучей, не выдумка кинематографистов. Явление люминесценции используется для определения местоположения невидимых трасс.

По мере роста длины волны направленные свойства излучения резко падают, радиодиапазоны в качестве лучей уже не применяются. Что касается высоких частот, способных проходить сквозь препятствия, как рентген, они для использования не годятся по понятным причинам.

Сенсоры на эффекте Допплера

В группу относят раздельно два семейства: ультразвуковые и микроволновые сенсоры движения. Принцип действия основан на едином эффекте. Допплер открыл явление в 1842 году, наблюдая системы двойных звёзд и прочие небесные тела. Тремя годами позже Бёйс-Баллот доказал, что смещение спектра наблюдается и для источников звука.

Каждый житель столицы и обитатели других крупных городов замечали, что гудок приближающейся электрички более высокий, нежели удаляющейся. Таким образом, человек, мало-мальски одарённый музыкально, способен определить, подходит поезд к платформе либо убегает. Это эффект Допплера: любая волна, излучаемая объектом, воспринимается неподвижным наблюдателем сообразно взаимной скорости перемещения. От скорости зависит величина смещения в спектре.

Удаляющаяся звезда кажется чуть холоднее, чем в действительности: спектр сдвинется вниз по шкале частот. Наоборот – цвет приближающейся выглядит теплее. Подобный эффект наблюдается в любом диапазоне: радио, звуковом и прочих. Читатели уже догадались, как работают датчики на эффекте Допплера. В эфир излучается колебание ультразвука или радиочастоты, ловится отклик. При наличии движущихся объектов картина меняется коренным образом: вместо однородной излучённой волны принимается целый сонм отличных по частоте от исходной.

Плюс метода: излучение легко огибает препятствия или проходит сквозь. Но движение фиксируется в отношении любых объектов, включая неживые. Температура тела значения не имеет. От частоты излучения зависят особенности работы системы. К примеру, радиодиапазон по большей части запрещён для использования. Оставлены небольшие окна, редактируемые специальным государственным комитетом. Ультразвук ограничений не имеет, но вреден для человеческого слуха (пусть не ощущается непосредственно). К примеру, отпугиватели для собак и тараканов функционируют в указанном диапазоне.

Итак, ультразвуковые и радиочастотные датчики движения заэкранировать намного сложнее.

Томографические сенсоры движения

Слово напоминает медицинское оборудование, по словам разработчиков, означает наличие в системе сетки из активных передатчиков. Комплекс работает в разрешённом диапазоне 2,4 Гц, где функционируют модемы WiFi, микроволновые печи и ряд устройств. Что немедленно накладывает ограничения: в поле зрения системы полагается ограничить употребление перечисленных выше изделий.

Эффект основан на общеизвестном поглощении излучения частоты 2,4 Гц молекулами воды. В тело живого существа самая распространённая жидкость на планете входит с избытком, делая возможным построение картины внутри помещения. Волны 2,4 Гц сравнительно легко проходят через стены, удается покрыть относительно большие площади сложной конфигурации. На местности монтируется сеть приёмопередатчиков, наподобие точек доступа WiFi.

Сложная компьютерная система анализирует распределение поля. Подразумевается этап обучения, когда оцениваются условия распространения волн в конкретно взятом помещении. В дальнейшем по специальным алгоритмам система способна указать местоположение любых тел в пространстве. Удаётся засечь и неподвижные живые тела. Когда биологическая форма жизни попадает в область действия волн, сила их начинает затухать по определённым законам. Энергия переходит в тепло, как происходит в микроволновой печи. В результате становится возможным выработать сигнал тревоги.

Излучатели не опасны для человека, а рабочая мощность нормируется согласно законодательству. Местному администратору предлагается, начиная с некоторого размера, систему зарегистрировать в установленном порядке. Сенсоры дороже прочих из представленных в обзоре. Допплеровские тоже стоят немало.

Видеокамеры в качестве датчиков

Сегодня большая часть цифровых видеокамер обнаруживает опцию фиксации движения. Появляется возможность записи сигнала на регистратор, подача тревоги в установленном порядке. Датчика вполне хватит для нужд организации. Процесс регистрации, начало и окончание фиксации событий определяется возможностями отдельно взятого оборудования.

Большой плюс системы в возможности действовать в автоматическом режиме и в шансе записать противоправные действия в случае необходимости. Единственным препятствием считается закон о частной жизни граждан. Предлагается чётко отличать противоправные действия от прочих. И не распространять полученные сведения в обход закона.

Для работы в темноте используются регистраторы инфракрасного диапазона с непременной подсветкой окружающего пейзажа. В интернете найдутся руководства, где предлагается изготовить инфракрасный регистратор из видоискателя камеры для ночной съёмки. Подсветка собирается на базе обычных диодов инфракрасного диапазона. Дальность съёмки в этом случае сильно зависит от мощности инфракрасных лучей. С целью усиления рекомендуется применять рефлекторы.

Использование датчиков движения

Часто применение датчиков движения наталкивается на определённые ограничения. Пассивные инфракрасные сенсоры в этом плане простейшие, их применение ничем не нормируется. Где начинаются ультразвук и радиоволны — предлагается тщательно просчитать последствия. Лазеры небезопасны, предупреждающая табличка на лазерном принтере не шутка. Когерентное излучение прожигает сетчатку не хуже бумаги, становясь причиной серьёзной травмы.

Тесно связаны с датчиками движения системы определения наличия дыма в помещении. В этом случае используются явления изменения условий прохождения излучения, плюс эффект Допплера. Чисто химические методики достаточно редки.

Датчики движения применяются в системах:

• сигнализации и охраны;
• управления дверьми;
• развлекательных комплексов;
• иллюминации.

Спектр применения зависит только от фантазии авторов, поэтому зарубежные производители и выпускают интегральные системы с возможностью встраивания их в более сложные. Так, для покрытия некоторой площади, допустимо набирать набор датчиков подобно конструктору. Наибольшей гибкостью в этом плане обладают томографические системы, но и стоят дороже. Простейшие инфракрасные сенсоры больше годятся для управления единичными объектами, допустим, дверями.

Инфракрасный датчик движения

Что такое датчик движения

Датчик (детектор) движения – инфракрасный (тепловой) датчик, который обнаруживает перемещение живых объектов и управляет освещением. В датчике движения используется в качестве сенсора пироэлектрический датчик, принцип работы которого основан на повышении напряжения на его выходе при повышении уровня инфракрасного излучения по сравнению с фоновым.

Для включения света используется внутреннее реле датчика.

Кстати, если зимой мимо датчика пройдет хорошо одетый человек, датчик может его и “не заметить”, хотя в теплое время сработает четко. Это можно объяснить тем, что окружающая температура и температура одежды человека почти равны.

Назначение инфракрасного датчика движения

Можно сказать, что датчик движения служит двум целям.

1. Несомненно, важное назначение датчика движения – экономить электроэнергию при освещении. Свет горит только тогда, когда это действительно необходимо.
2. Эффект присутствия. Датчики движения ставят на улице перед воротами, в подъезде, на окнах первых этажей. В таком применении функция датчика движения – включить освещение и показать (сымитировать), что “кто-то есть дома”.

Некоторым людям датчик действует на нервы. Кому-то присутствие детектора движения нравится и успокаивает – не надо заботиться о невыключенном свете, не надо искать и щелкать выключателем.

Параметры ик датчиков движения

• Напряжение питания – 220 – 240 В, 50 Гц.
• Время включения (таймер задержки) – от 2 секунд до 8 минут. Желаемое время, в течение которого свет будет гореть после срабатывания датчика. Устанавливается регулятором.

Кстати, в большинстве простейших моделей движение “не накапливается”. То есть, если человек всё время включения бегал перед датчиком, а перед выключением замер, для включения надо шевелиться опять. Чтобы такого неприятного эффекта не происходило, в случаях непрерывного движения выход датчика надо закорачивать дополнительным выключателем.

• Светочувствительность – от 2 до 1000 Люкс. Обычно устанавливается переключателем (в дешевых моделях, 2-3 положения) или регулируется плавно. Параметр показывает, при какой внешней освещенности работает датчик. При установке освещенности до 100 Люкс прибор будет работать только ночью. При установке максимальной внешней освещенности датчик будет работать в любое время суток.
• Дистанция обзора (расстояние обнаружения) – до 15 метров.
• Скорость срабатывания – от 0,5 до 1,5 м/с. Если детектируемый объект будет двигаться очень медленно, его температура будет сливаться с общим температурным фоном, не вызывая срабатывания. Если быстро – датчик не успеет сработать, и объект уйдет из зоны охвата.
• Максимальный коммутируемый ток . В зависимости от области применения может быть разным. В системах охранной сигнализации ток небольшой, и используются нормально замкнутые контакты. В применениях для освещения в датчиках применяется с основном электромагнитное реле, которое и определяет мощность нагрузки. Бытовые датчики в основном выпускаются на ток от 1000 до 1500 Вт.
• Зона улавливания (угол обзора). В потолочных датчиках этот угол обычно равен 360 градусов. Но при этом очевидно, что зона охвата будет определяться и высотой. Настенные датчики имеют угол обзора от 120 до 180 градусов.

Применение

В последнее время инфракрасные датчики движения устанавливают для “умного” и экономного включения света в местах общего пользования – лестничные площадки, дворы. В квартирах и домах ИК-датчики устанавливают в коридорах, туалетах и т.п. Иными словами, применяются ИК-датчики в местах, где освещение требуется только в присутствии людей, но ставить обычный выключатель не целесообразно.

Схемы ИК-датчиков

Устройство датчика движения ДД

Ниже приведу несколько фото внутреннего устройства инфракрасного датчика движения ДД-024 торговой марки ИЕК.

Установка датчика движения

Вариант установки датчика движения ДД-009 показан ниже на фото.

Изменение состояния электромагнитного поля, передающееся в пространстве, называется электромагнитным излучением. Есть несколько видов такого излучения. Перечислим их: видимый свет, ультрафиолетовое излучение, радиоволны, рентгеновское излучение, гамма-излучение, терагерцевые волны, а также инфракрасное излучение. Последнее также часто называют «тепловым» - поговорим о нем подробнее.

Инфракрасное излучение было открыто в 1800 году британским астрономом немецкого происхождения Фредериком Уильямом Гершелем. Оно занимает область спектра между красным «концом» видимого света, у которого длина волны 0,74 микрометра и частота 430 ТГц, и микроволновым излучением (у него, в свою очередь, длина волны 1-2 мм, а частота 300 ГГц).

Тепловым инфракрасное излучение называют по той причине, что от нагретых предметов человек его ощущает как тепло на коже. Лампы накаливания, газоразрядные лампы, некоторые лазеры и т.д. испускают инфракрасное излучение. Отметим, что длина волны инфракрасного излучения действительно зависит от температуры нагревания: чем выше эта температура, тем короче длина волны и интенсивнее излучение.

Считается, что человеческий глаз не способен видеть инфракрасное излучение. Однако оно широко применяется в астрономии - инфракрасную астрономию даже выделяют в отдельный раздел. Также излучение используют и в медицине. На этом принципе работают датчики потока крови. Инфракрасное излучение обладает рядом полезных свойств на клеточном уровне и поэтому применяется в физиотерапии. По инфракрасным спектрам поглощения можно установить строение молекул как органических, так и неорганических веществ.

Кроме того, люди научились использовать это излучение не только в научных, но и в более утилитарных целях. Самый простой пример - инфракрасный обогреватель, который отдает тепло посредством излучения, а не при помощи конвекции. С помощью него можно также сушить лакокрасочные поверхности. Также на инфракрасных диодах и фотодиодах работают пульты управления, системы автоматики и охранные системы.

В какой-то момент достаточная распространенность инфракрасных светодиодов, лазеров и фотодиодов привела к изобретению и использованию беспроводного оптического метода передачи данных. Сейчас он используется в компьютерной технике для взаимодействия с периферийными устройствами. Плюс такого вида связи - низкая чувствительность к электромагнитным помехам. Минусов заметно больше: на оборудовании нужны специальные оптические окна, скорость передачи данных обычно низкая, технику надо правильно расположить рядом друг с другом, трудно защитить передаваемую информацию.

И конечно, инфракрасное излучение широко применяется военными. Тут и инфракрасные головки самонаведения ракет, и приборы ночного видения, и тепловизоры.

Инфракрасные датчики бывают пассивными и активными. Работает пассивный датчик так: реагирует на изменение интенсивности фонового теплового излучения в радиусе его действия. Для этого внутри датчика есть пироприемники, которые распознают собственно инфракрасное излучение, а также мультилинза, состоящая из множества мелких линз. Каждый такой сегмент мультилинзы фокусирует инфракрасное излучение и передает на пироприемник. Когда источник такого излучения перемещается, излучение собирает уже другая линза и фокусирует на другом пироприемнике. Тогда датчик подает сигнал на электронную схему управления. Чем больше линз в датчике, тем выше его чувствительность. Активные инфракрасные датчики сами оборудованы инфракрасными излучателями, импульсный сигнал которых улавливается пироэлементами. Когда объект пересекает зону действия такого сигнала, датчик перестает воспринимать излучение и сообщает об этом.

Принцип работы инфракрасного датчика можно продемонстрировать ребенку не только в пульте от телевизора, но и в умной игрушке (например, в ).