Устройство пироэлектрических датчиков ИК излучения

Пироэлектрический эффект

Ещё в далёком XIX веке немецкий физик Вильгельм Рентген занимался изучением пироэлектрического эффекта. Пироэлектрический эффект – это генерация электрических зарядов в кристалле под действием теплового (инфракрасного) излучения.
Современные технологии позволили искусственно синтезировать чувствительные пироэлектрические кристаллы. В отличие от природных кристаллов (турмалин, кварц) в которых пироэлектрический эффект проявляется слабо, искусственные пироэлектрические кристаллы обладают повышенной чувствительностью.

На основе пироэлектрических кристаллов были созданы пироэлектрические инфракрасные датчики. В настоящее время такие датчики применяют практически повсеместно.

Вот наиболее распространённые сферы применения :

Системы охранной сигнализации. Инфракрасные датчики движения обнаруживают движение человека в охраняемой зоне. Каждый человек излучает в окружающую среду тепло. Это и используется для обнаружения человека в охраняемом пространстве.

Автоматически открывающиеся входные двери в крупных супермаркетах, залах, студиях, магазинах и т.п. В таких системах также используются пироэлектрические датчики движения.



В последнее время в продаже появились автоматические выключатели освещения. Применение таких приборов в быту довольно оправдано, это сокращает затраты на электроэнергию.



Автоматические системы противопожарной сигнализации. Пироэлектрический датчик служит своеобразным электронным термометром и сигнализирует о превышении допустимой температуры в помещении.

Кроме всего прочего пироэлектрические датчики служат для дистанционного измерения температуры.

Наиболее продвинувшейся в производстве пироэлектрических датчиков является фирма Murata Manufacturing Co (Япония).

Устройство простейшего пироэлектрического датчика

Пироэлектрический датчик состоит из пластины пироэлектрика (кристалла) по бокам которого нанесены металлические обкладки, которые образуют своеобразный конденсатор. На одну из обкладок нанесено вещество, принимающее электромагнитное тепловое излучение. Излучение вызывает пироэлектрический эффект и напряжение между обкладками растёт, причём строго определённой полярности. Полученное напряжение приложено к участку затвор – исток полевого транзистора, встроенного в датчик.



В результате сопротивление канала транзистора VT1 изменяется. Транзистор VT1 нагружен на внешний нагрузочный резистор (не показан на рисунке), с которого и снимается сигнал.

Резистор R1 служит для разрядки обкладок конденсатора пироэлектрического датчика.

Датчики некоторых серий снабжают несколькими чувствительными элементами, соединёнными последовательно с чередующейся полярностью. Это позволяет сделать приборы нечувствительными к равномерному фоновому облучению.

Пироэлектрический кристалл – довольно инерционный чувствительный элемент.

Для различных электронных систем применяются пироэлектрические датчики с разной спектральной чувствительностью. Спектральная чувствительность датчика формируется за счёт поглощающей способности материала, которым покрыты пластины пироэлектрика.

Для противопожарных систем используются пироэлектрические датчики со спектральной характеристикой под номером 1.



На графике видно, что датчики с данной характеристикой чувствительны к излучению с длиной электромагнитной волны 4 – 5 мкм (микрометров).

Для охранных систем, а также систем автоматики используются пироэлектрические датчики с характеристикой 2 и 3. Пироэлектрики с такой спектральной характеристикой более подходит для фиксации движения человека.

Пироэлектрические датчики со спектральной характеристикой под номером 4 наиболее подходят для дистанционных измерителей температуры. Видно, что характеристика под номером 4 более равномерна, следовательно, показания датчика с такой характеристикой будут наиболее точны.

Пироэлектрические датчики нашли широкое применение в системах “умный дом”.