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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Capteurs infrarouges pyroélectriques. Donnée de référence
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Les références Aujourd’hui, peu de gens sont surpris par la porte d’une institution ou d’un magasin qui s’ouvre automatiquement devant un visiteur. Dans la plupart de ces cas, l'approche d'une personne est « ressentie » par un appareil suspendu au-dessus de la porte, équipé d'un capteur pyroélectrique (récepteur) de rayonnement IR. Ces capteurs sont très sensibles, durables et faciles à utiliser. Ils sont largement utilisés, notamment dans les systèmes de sécurité et d’alarme incendie, ainsi que dans les compteurs de température à distance. L'effet pyroélectrique (pyros en grec - feu) - la génération de charges électriques dans les cristaux sous l'influence de la chaleur - est connu depuis très longtemps ; le célèbre physicien allemand Wilhelm Roentgen l'a étudié au XIXe siècle. L'effet est similaire à celui du piézoélectrique ; de plus, les pyroélectriques ont généralement également des propriétés piézoélectriques. Dans les cristaux d'origine naturelle (quartz, tourmaline), l'effet pyroélectrique est assez faiblement exprimé, mais la possibilité de l'existence de substances avec un coefficient pyroélectrique arbitrairement grand - le rapport de l'augmentation de la charge électrique à l'augmentation de la température qui l'a provoquée - a été théoriquement démontré. Relativement récemment, de telles substances appartenant à la classe des ferroélectriques ont été synthétisées et des capteurs sensibles ont été créés sur leur base. Un circuit de capteur typique est illustré à la Fig. 1. L'élément sensible B1 est une sorte de condensateur - une plaque pyroélectrique avec des plaques métalliques. Une couche d'une substance capable d'absorber le rayonnement électromagnétique (thermique) est appliquée sur l'une des plaques. En raison de l'absorption d'énergie, la température de la plaque du condensateur augmente et une tension de polarité strictement définie apparaît entre les plaques. Appliqué à la section grille-source du transistor à effet de champ intégré VT1, il provoque une modification de la résistance de son canal. Le signal de sortie provient d'une résistance de charge externe connectée au circuit de drain du transistor.
Après un certain temps, que le rayonnement thermique continue d'agir sur le capteur ou non, le condensateur se décharge à travers la résistance de fuite R1 - le signal de sortie tombe à zéro. Souvent, les capteurs sont équipés de plusieurs éléments de détection connectés en série avec une polarité alternée. Cela garantit que l'appareil est insensible à l'irradiation de fond uniforme et obtient une tension de sortie alternative lors du déplacement de l'image focalisée d'un objet le long de la surface sensible du capteur. La sensibilité d'un capteur pyroélectrique est généralement mesurée à l'aide d'une configuration représentée schématiquement sur la Fig. 2. Un simulateur de corps noir est utilisé comme source de rayonnement thermique. Le flux est périodiquement, avec une fréquence de 1 Hz, bloqué par un amortisseur-rupteur entraîné par un moteur électrique. Les impulsions IR arrivent sur l'élément sensible du capteur et provoquent l'apparition d'impulsions de tension sur la résistance de charge externe R1. Il est facile de voir que le transistor à effet de champ du capteur est connecté ici en source suiveuse.
Comme le montrent les mesures, la sensibilité du capteur diminue presque proportionnellement à l'augmentation de la fréquence des impulsions de rayonnement qu'il reçoit. La raison en est l'inertie thermique importante de l'élément sensible. Les capteurs conçus pour fonctionner sous des changements importants de température ambiante sont équipés de deux éléments sensibles connectés en contre-série : un élément de travail et un élément de compensation. L'élément de compensation peut être fermé au flux de rayonnement externe, mais se trouve dans les mêmes conditions de température que celui de fonctionnement. Les caractéristiques de sensibilité spectrale du capteur sont déterminées par la capacité d'absorption du matériau de revêtement de la plaque pyroélectrique dans une gamme de fréquences particulière du rayonnement électromagnétique. Il est enfin constitué à l'aide de filtres optiques installés devant l'élément sensible. Les caractéristiques typiques de la sensibilité spectrale de différentes versions de capteurs pyroélectriques sont présentées sur la Fig. 3.
Les capteurs de caractéristique 1 sont conçus pour détecter les flammes, 2 et 3 sont les mieux adaptés pour enregistrer les mouvements humains. La caractéristique 4 est optimale pour une utilisation dans les compteurs de température à distance. Des capteurs pyroélectriques à des fins diverses sont produits par plusieurs sociétés. Ci-dessous, nous parlerons en détail des produits de l'un d'eux - Murata Manufacturing Co (Japon). Les capteurs sont logés dans un boîtier métallique cylindrique avec trois (ou quatre) fils métalliques étamés rigides (Fig. 4). A l'extrémité plate du boîtier opposée aux bornes se trouve une fenêtre carrée, rectangulaire ou ronde recouverte d'un filtre transparent aux rayons IR. La même figure montre le brochage des appareils.
Les principales caractéristiques techniques des capteurs pyroélectriques de la série IRA de Murata sont présentées dans le tableau.
Les capteurs IRA-E710ST0, IRA-E910ST1, IRA-E420S1 et IRA-E420QW1 sont dotés de condensateurs de dérivation intégrés entre les broches de grille et de source, ainsi que les broches de grille et de drain des transistors à effet de champ. Le corps de l'appareil IRA-E940ST1 contient deux capteurs avec chacun deux éléments sensibles. Le dispositif possède une borne commune et une borne de drain combinée, les bornes source des transistors sont séparées. Un schéma typique de l'utilisation d'un capteur pyroélectrique dans un dispositif d'alarme de sécurité est illustré à la Fig. 5. Les condensateurs C1 et C2 servent à supprimer les interférences haute fréquence aux bornes du capteur B1 et doivent être installés à proximité immédiate de celui-ci. Ces condensateurs ne sont pas nécessaires si le capteur appliqué en possède déjà des intégrés.
Le transistor à effet de champ interne du capteur B1 est connecté selon le circuit source suiveur. Sa charge est la résistance R1. Les fluctuations de tension qui se produisent lorsqu'un objet chauffé se déplace dans une zone sensible sont amplifiées par deux amplificateurs opérationnels - DA1.1 et DA1.2. Leur gain global culmine à 7500 2 à 3 Hz, diminuant de 0,5 dB aux points de fréquence de 5,5 et 0,06 Hz. Cependant, l'inertie du capteur lui-même abaisse considérablement la bande passante globale du système capteur-amplificateur - jusqu'à 1,2...XNUMX Hz. Dès que l'amplitude du signal à la sortie de l'ampli-op DA1.2 dépasse 0,8 V, le comparateur DA2.1 se déclenche si la surtension est positive, ou DA2.2 si elle est négative, par rapport à une certaine valeur proche à la moitié de la tension d'alimentation (elle est déterminée par les valeurs de résistance R10 et R12). Les sorties des comparateurs (collecteur ouvert) sont connectées en parallèle, donc lorsque l'un d'entre eux est déclenché, le niveau logique à l'entrée du microcontrôleur change. À la suite du traitement de la séquence d'impulsions reçue (mesure de leur durée, comptage du nombre pendant une certaine période de temps), le microcontrôleur génère un signal de commande qui active l'actionneur ou l'unité d'alarme. Pour augmenter la zone de sensibilité spatiale du capteur, une lentille est généralement installée devant sa fenêtre optique qui focalise les rayons IR sur une plaque pyroélectrique. Pour obtenir une forme en éventail du secteur de visualisation sensible, similaire à celle représentée simplifiée sur la Fig. 6a, une lentille de Fresnel zonée est utilisée. Il se compose de nombreuses sections de focalisation distinctes, chacune formant son propre faisceau sensible provenant d'une direction spécifique. De ce fait, lorsqu’un objet en mouvement passe d’un faisceau à un autre, le capteur génère une tension alternative.
Un éventail de rayons similaire se forme également dans le plan vertical (Fig. 6,b). En utilisant des lentilles de Fresnel de structure particulière, il est possible de faire varier la forme des pétales afin d'obtenir les meilleures conditions de détection d'un objet dans un champ de vision donné. En plus des capteurs de la série IRA, Murata produit les modules pyroélectriques IMD-B101-01 et IMD-B102-01. Outre le capteur lui-même, un tel module contient un amplificateur et un shaper d'impulsions adaptés pour alimenter les entrées d'éléments logiques standards (nœud A3). Le schéma fonctionnel du module est présenté sur la Fig. 7, et le dessin du boîtier est sur la Fig. 8.
Le brochage des modules diffère peu. Les deux ont la broche 1 – une broche d’alimentation commune négative ; broche 3 - broche d'alimentation positive ; broche 4 - sortie numérique. Mais pour le module IMD-B101-01, la broche 2 est la sortie analogique de l'amplificateur de signal du capteur, et pour l'IMD-B102-01, c'est l'entrée du signal de déclenchement du commutateur. Les principales caractéristiques des modules :
Dans les systèmes qui allument automatiquement l'éclairage lorsqu'un mouvement est détecté dans la pièce, l'entrée stroboscopique du module IMD-B102-01 est généralement alimentée par un signal provenant d'une photorésistance qui répond à l'éclairage général. Cela empêche le système de fonctionner pendant la journée. Auteur : A. Sergeev, Moscou d'après des documents du site murata.com.
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