Датчики движения

дом (СИД) и т.д. Пассивные детекторы  регистрируют излучение среднего и  даль-

него ИК диапазона спектра от объектов, имеющих более высокие  температуры по

сравнению с окружающей средой. Оба  вида детекторов для обнаружения  объектов

используют оптическую контрастность. В настоящее время оптоэлектронные уст-

ройства применяются, в основном, для качественного, а не количественного обна-

ружения присутствия движущихся объектов. Другими словами, оптоэлектронные

детекторы очень полезны для  индикации состояния объекта: движется он или сто-

ит, но они не могут отличить один движущийся объект от другого, поэтому они

никогда не используются для точного  определения расстояния до объекта  и изме-

рения его скорости. Основные области  применения оптоэлектронных датчиков

движения — охранные системы (для  обнаружения грабителей), устройства управле-

ния подачей энергии (включение и выключение света), а также, так называемые,

«умные дома», в которых они  управляют различными бытовыми приборами: кон-

диционерами, фенами, проигрывателями и т.д. Также они могут быть использова-

ны в роботах, игрушках и т.д. Основными достоинствами оптоэлектронных детек-

торов движения являются простота и  низкая стоимость.

6.5.1. Структуры датчиков 

Основная структура оптоэлектронного детектора движения показана на рис. 6.9А.

Вне зависимости от типа применяемого чувствительного элемента обязательными 

компонентами детектора являются: устройство фокусировки (линза или  фокусиру-

ющее зеркало), светочувствительный элемент и пороговый компаратор. Оптоэлек-

тронный детектор движения похож на фотокамеру. Его система фокусировки  так-

же создает на фокальной плоскости  изображение поля наблюдения.

Роль пленки в нем играет светочувствительный элемент.

Этот элемент преобразует сфокусированный  свет в электрический сигнал. Рассмотрим детектор движения, смонтированный в комнате. Фокусирующая

линза создает на фокальной плоскости, где расположен светочувствительный  эле-

мент, изображение комнаты. Если комната  пустая, изображение является стати-

ческим, и выходной сигнал этого элемента является постоянным. Когда злоумыш-

ленник проникает в комнату  и перемещается в ней, его изображение  на фокаль-

ной плоскости также движется. В  определенный момент времени тело злоумыш-

ленника попадает в зону, расположенную  под углом а к оси линзы, и его изобра-

жение перекрывает часть светочувствительного элемента. Здесь необходимо по-

нять, что на выходе детектора сигнал появляется только тогда, когда изображение

объекта попадает на чувствительную поверхность датчика: нет перекрытия — нет 

сигнала обнаружения. Назначение ком-

паратора — преобразование аналогового сигнала V в двухуровневый дискретный

сигнал, в котором 0 соответствует  отсутствию движения объекта, а 1 —  обнаруже-

нию движущегося объекта. Из рис. 6.9. видно, что оптоэлектронный детектор обладает довольно узкой

зоной наблюдения. Если злоумышленник  продолжит свое движение в одном  на-

правлении, его изображение никогда  больше не попадет на чувствительный эле-

мент, и хотя он будет еще находится  в помещении, на выходе компаратора  будет 

нулевой сигнал.

6.5.1.1. Составные датчики 

В фокальной плоскости фокусирующего  зеркала или линзы располагается  не-

сколько детекторов. При этом каждый детектор отслеживает узкую зону на-

блюдения, а все вместе они охраняют довольно большую площадь. Все де-

текторы либо поочередно подключаются к логическому устройству, либо име-

ют внутренние соединения друг с  другом, обеспечивающие их согласован-

ную работу.

6.5.1.2. Датчики со сложной  формой чувствительного элемента 

Если площадь чувствительного  элемента детектора недостаточно велика для на-

блюдения за всей требуемой территорией, он может быть оптически разбит на

несколько меньших частей. При этом будет получен эквивалент схемы  составно-

го датчика. Например, светочувствительный элемент может иметь форму, пока-

занную на рис. 6.10А. Каждая часть такой структуры ведет себя как отдельный

детектор излучения. При движении объекта его изображение перемещается вдоль

поверхности сложного светочувствительного элемента, попеременно пересекая  его 

рабочие и нерабочие участки. В  результате этого с выхода детектора  снимается пе-

ременный сигнал v. Площадь каждого  участка светочувствительного элемента дол-

жна быть сравнима с величиной изображения объекта.

6.5.1.4. Фасетный фокусирующий элемент

Другой способ расширения поля обзора при использовании детектора  малой пло-

щади заключается в применении составных фокусирующих элементов. Для этого 

линза или фокусирующее зеркало  делятся на несколько маленьких  зеркал или линз

со скошенными гранями, называемых фасетами. Каждый фасет создает свое соб-

ственное изображение, как показано на рис. 6.11А. При движении объекта его изоб-

6.5 Оптоэлектронные детекторы движения 

ражение будет также перемещаться по чувствительному элементу, в результате чего

на его выходе сформируется переменный сигнал. Комбинируя различные фасеты,

можно получить любую желательную  форму зоны наблюдения, как в вертикаль-

ной, так и в горизонтальных плоскостях. Комбинируя фасеты, можно реализовать линзу, охватывающую большую площадь наблюдения (рис 6 11Б), в которой каждый фасет ответственен за сравнительно узкий участок охраняемой территории Все фасеты проектируют изображе-

ние объекта на один и тот же чувствительный элемент При движении объекта он

пересекает границы разных зон, в результате чего происходит модуляция  выходно-

го сигнала датчика.

6.5.2. Детекторы движения, работающие в видимом 

и ближнем ИК диапазонах спектра 

Большинство объектов (за исключением  очень горячих) излучают электромагнит-

ные волны только дальнего ИК спектрального диапазона Поэтому для работы

рассматриваемой группы детекторов, как правило, необходим дополнительный

источник света, освещающий объект Свет отражается от объекта в направлении 

фокусирующего устройства, входящего  в состав детектора Источниками  света 

могут быть солнечный свет или невидимый  свет ближнего ИК диапазона от спе-

циальных излучателей. работающих в видимом спектральном диапазоне, был разра-

ботан для устройств контроля освещения в помещениях [5] и управления инте-

рактивными игрушками.

Для отключения света в комнате  при отсутствии в ней людей  можно исполь-

зовать детектор движения видимого диапазона (например, Motion Switch, выпус-

каемый Intermatic, Inc, IL) в комбинации с таймером и мощным бесконтактным

реле Детектор работает, когда комната  освещена Видимый свет переносит  дос-

таточно большую энергию, и поэтому может быть обнаружен при помощи фото-

гальванических элементов или  фоторезисторов, обладающих довольно хорошей 

чувствительностью Поэтому оптическая система таких детекторов, как  правило,

значительно проще, чем в других оптоэлектронных датчиках В детекторе  Motion

Switch фокусирующее устройство реализовано в виде точечной линзы (рис 6 12В)

Такая линза представляет собой  крошечное отверстие в непрозрачной фольге Для 

предотвращения дифракции световых волн диаметр этого отверстия  должен быть

значительно больше самой длиной детектируемой  длины волны На самом деле

детектор Motion Switch имеет линзу с тремя отверстиями, апертура каждого из ко-

торых равна 0 2 мм (рис 6 12В) Такая линза теоретически обладает бесконечно

большим диапазоном глубины фокусировки, что позволяет располагать фотоде-

тектор на любом расстоянии от нее Как правило, это расстояние определяется

исходя из максимального перемещения  объекта и размеров используемого  фото-

резистора Применяемый фоторезистор имеет серпантинную конфигурацию

чувствительного элемента (рис. 6.12А). Он подключается к схеме, реагирующей 

только на переменную составляющую выходного сигнала. Когда комната  освеще-

на, датчик работает как миниатюрная  фотокамера: изображение зоны обзора фор-

мируется на поверхности фоторезистора. Перемещение людей в комнате меняет

оптическую контрастность этого  изображения, что приводит к изменению  сопро-

тивления фоторезистора, а, следовательно, и к модуляции электрического тока,

проходящего через него. Этот модулированный сигнал усиливается и подается на

компаратор, где сравнивается с  заранее установленным пороговым  уровнем. При 

превышении этого уровня компаратор вырабатывает электрические импульсы, сбра-

сывающие таймер, установленный на 15 мин. Если в течение 15 минут не было

обнаружено никаких движений, таймер отключает свет в комнате. После  этого свет

может быть включен только ручным способом, поскольку данный детектор движе-

ния в темноте не работает

6.5.3. Детекторы движения, работающие в дальнем ИК диапазоне 

Другая разновидность детекторов движения работает в оптическом диапазоне  теп-

ловых излучений, который также называется дальним ИК диапазоном Такие де-

текторы реагируют на изменение теплового потока, поступающего на чувстви-

тельный элемент, возникающее при  движении объекта [7-9]. В этом разделе  будет 

обсуждаться метод обнаружения  двигающихся людей, хотя при небольших  дора-

ботках этот способ применим и для горячих, и для холодных объектов. В следующих разделах будут описаны два типа детекторов движе-

ния дальнего ИК диапазона. Первый из них реализован на основе пассивного ИК

датчика, а второй использует активные ИК элементы.

6.5.3.1. Детекторы движения на основе  пассивных ИК элементов 

Такие детекторы часто применяются  в охранных системах и устройствах  управле-

ния освещением. Пассивные ИК (ПИК) чувствительные элементы реагируют на

излучения дальнего ИК спектрального  диапазона с длинами волн в  интервале 4.. .20

мкм. Этот интервал соответствует  тепловому излучению человеческого  тела. В 

таких детекторах могут принципиально  использоваться три типа чувствительных

элементов: терморезисторы, термоэлементы  и пироэлектрики. Но благодаря сво-

ей простоте, низкой стоимости, высокой  чувствительности и широкому динами-

ческому диапазону, в детекторах движения чаще всего применяются пироэлект-

рические элементы. Пироэлектрические материалы вырабатывают электрические заряды в ответ ни

тепловой поток, проходящий через  них. В упрощенном виде можно считать, что пи-

роэлектричество появляется вследствие теплового расширения материалов (рис. 6.13).

Поглощенное тепло заставляет расширяться  переднюю часть чувствительного  эле-

мента.

Помимо чувствительных элементов  в состав ИК детекторов движения входят

фокусирующие устройства. Такими устройствами могут быть параболические зер-

кала и пластиковые линзы  Френеля (раздел 4.6 главы 4). Популярность последних в 

настоящее время увеличивается, что  связано с их низкой стоимостью, возможнос-

тью придания им заданной формы и тем, что помимо фокусировки они выполняют

функции окон, защищающих внутренние части детектора от влаги и  загрязнений.

На рис. 6.15А показан детектор движения, реализованный на основе поли-

этиленовой многогранной выпуклой линзы Френеля и чувствительного  элемента

из PVDF пленки [7].