Пассивные ИК датчики движения: современное состояние, проблемы и перспективы развития. Принцип действия и особенности функционирования инфракрасных пассивных охранных извещателей Настенные объемные ИК извещатели

Указанные охранные извещатели используются для обнаружения движения внутри охраняемого помещения, дополнительной блокировки поверхностей, проходов, открытых площадок, наружных периметров. Иначе их еще называют датчик движения . Начнем с классификации. Рассматриваемые здесь извещатели классифицируются по:

типу зоны обнаружения - объемная, поверхностная, линейная
принципу действия - инфракрасный (ИК), радиоволновый, ультразвуковой.
исполнению - настенный, потолочный, для наружной, внутренней установки

Любой конкретный извещатель одновременно характеризуется каждой из указанных категорий.

ИЗВЕЩАТЕЛЬ ИНФРАКРАСНЫЙ (ИК) ОБЪЕМНЫЙ, ПАССИВНЫЙ

Зона обнаружения - объемная, см. рис 1. Следует отметить, что подобная объемная зона обнаружения присуща извещателю настенного исполнения. Вверху- вид сбоку (вертикальная плоскость), внизу- вид сверху (горизонтальная плоскость).

Сигнал тревоги формируется при пересечении объектом, имеющим температуру, отличную от температуры помещения, секторов, определяющих конфигурацию, размеры зоны обнаружения. Поэтому характеристики указывают - объемный, инфракрасный (т.е. тепловой). А пассивными такие извещатели называются потому, что работают только "на прием", ничего не излучая. Соответственно - исполнение одноблочное. Вообще то любой инфракрасный объемный извещатель является пассивным.

ИЗВЕЩАТЕЛЬ ИНФРАКРАСНЫЙ (ИК) ПОВЕРХНОСТНЫЙ, ЛИНЕЙНЫЙ

Помимо объемной, охранные ИК извещатели могут иметь также поверхностную зону обнаружения "штора", линейную- "луч". Поверхностный охранный инфракрасный датчик имеет зону обнаружения, приведенную на рисунке 2 (все аналогично рис. 1). Для линейной зоны диаграммы не привожу- луч он и есть луч, что сверху, что сбоку- примерно как внизу рисунка 2.

Принцип действия поверхностных, линейных инфракрасных датчиков аналогичен ИК объемным извещателям. Кроме того, ряд линейных извещателей имеют активный принцип действия, т.е. состоят из двух охранных блоков- излучателя и приемника. Сигнал тревоги будет формироваться приемником при пересечении посторонним объектом ИК луча, формируемого излучателем.

Подводя итоги сказанному об охранных инфракрасных извещателях отметим следующие их особенности, которые можно отнести к недостаткам:

Охранный инфракрасный датчик критичен к жесткости несущей конструкции. Если она подвержена вибрациям может формировать ложные сигналы тревоги. Охранные инфракрасные (ИК) датчики следует устанавливать на капитальных конструкциях.
При нахождении в зоне обнаружения инфракрасного датчика конвекционных (тепловых) потоков или источников света переменной интенсивности также возможны самопроизвольные сработки. Устанавливая инфракрасные объемные датчики, следует учитывать расположение калориферов, окон.
Любые предметы, находящиеся в зоне обнаружения ИК объемного извещателя, образуют за собой (со стороны противоположной извещателю) "теневую зону", где обнаружение движущегося объекта невозможно. Как следствие, например перестановка мебели, вызовет изменение конфигурации зоны обнаружения. Выход- применение ИК объемных извещателей потолочного (по способу установки) исполнения.
Могут отслеживать животных, находящихся в зоне обнаружения. Но существуют объемные датчики, защищенные от этого фактора
Могут реагировать на попавших внутрь мелких насекомых. Выход- герметизировать все вводы в датчик, периодически проводить соответствующую санобработку помещений

Выбирая тип охранного инфракрасного извещателя следует учитывать угол раскрыва зоны обнаружения (измеряется в градусах), дальность действия инфракрасного извещателя. Обратите внимание - дальность действия инфракрасного объемного датчика указывается вдоль главной оси, по боковым осям она меньше. Еще, если планируется эксплуатировать инфракрасный извещатель в неотапливаемом помещении, выберите соответствующий рабочий температурный диапазон.

ОХРАННЫЕ РАДИОВОЛНОВЫЕ, УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ИЗВЕЩАТЕЛИ

Зона обнаружения - объемная, этакое сплошное объемное веретено. Принцип действия объемных радиоволновых и объемных ультразвуковых датчиков одинаков, основан на эффекте Доплера, а именно- звуковая или радиоволна, отражаясь от движущегося предмета изменяет свою частоту (или, если угодно, длину). Таким образом, эти охранные объемные извещатели тоже предназначены для обнаружения движения внутри защищаемого помещения. Хочу заметить, что все рассматриваемые здесь охранные извещатели (инфракрасные, радиоволновые, ультразвуковые, объемные, линейные), имеющие соответствующее климатическое исполнение могут устанавливаться вне помещений.

Как следует из названия- радиоволновый охранный датчик излучает и принимает радиоволны, а ультразвуковой объемный извещатель - ультразвук. В отличие от ИК охранных извещателей, эти безразличны к свету, теплу, сквознякам, но, однако, имеют свои недостатки:

первое, объемный радиоволновый извещатель излучает радиоволны достаточно высокой частоты (порядка 1 гГц) для которых стены, окна, двери - прозрачны. При неправильном выборе размера зоны обнаружения радиоволнового датчика объема, он будет реагировать на то, что делается за пределами охраняемого помещения. (Ультразвуковой- нет).
второе, (касается радиоволнового) возможные помехи другим радиоэлектронным устройствам
третье, при нахождении рядом нескольких объемных радиоволновых извещателей, они могут наводить взаимные помехи. Выход- использование приборов с разными частотными литерами. Но литер мало, большого количества радиоволновых извещателей рядом поставить нельзя.
четвертое, нахождение в одном помещении с работающими извещателями подобных типов хоть не смертельно, но не очень полезно. Выход- при постоянном нахождении рядом людей отключать питание датчиков.
пятое, поверхностную зону обнаружения не формируют.

© 2010-2019 г.г.. Все права защищены.
Материалы, представленные на сайте, имеют ознакомительно-информационный характер и не могут использоваться в качестве руководящих документов

Как обмануть ИК-детектор
Изначальный недостаток ИК-пассивного метода обнаружения движения: человек должен явно отличаться по температуре от окружающих предметов. При температуре в комнате 36,6º никакой детектор не отличит человека от стен и мебели. Хуже того: чем ближе температура в комнате к 36,6º, тем хуже чувствительность детектора. Большинство современных устройств частично компенсируют этот эффект, повышая усиление при температурах от 30º до 45º (да, детекторы успешно работают и при обратном перепаде – если в комнате +60º, детектор легко обнаружит человека, благодаря системе терморегуляции человеческий организм сохранит температуру около 37º). Так вот при температуре на улице около 36º (что часто встречается в южных странах) детекторы очень плохо открывают двери, либо, наоборот, из-за предельно поднятой чувствительности реагируют на малейшее дуновение ветра.
Более того, от ИК-детектора легко загородиться любым предметом комнатной температуры (листом картона) или надеть толстую шубу и шапку, чтобы не высовывались руки и лицо, и, если ходить достаточно медленно, ИК-детектор не заметит столь маленьких и медленных возмущений.
В интернете ходят и более экзотические рекомендации, типа мощной ИК-лампы, которая, если ее медленно включить (обычным диммером), загонит ИК-детектор в зашкал, после чего перед ним даже без шубы можно ходить. Тут, правда, следует отметить, что хорошие ИК-детекторы в таком случае выдадут сигнал неисправности.
Наконец, наиболее известная проблема ИК-детекторов – маскирование. Когда система снята с охраны, днем в рабочие часы, вы как посетитель приходите в нужное помещение (в магазин, например) и, поймав момент, пока никто не смотрит, загораживаете ИК-детектор бумажкой, заклеиваете непрозрачной самоклеющейся пленкой или заливаете краской из баллончика. Особенно это удобно человеку, который сам там работает. Кладовщик днем аккуратно загородил детектор, ночью влез в окно, все вынес, а потом убрал все и вызвал милицию – ужас, обокрали, а сигнализация не сработала.
Для защиты от такого маскирования существуют следующие технические приемы.
1. В совмещенных (ИК + микроволновый) датчиках есть возможность выдать сигнал неисправности, если микроволновый датчик обнаружил большой отраженный радиосигнал (кто-то подошел очень близко или протянул руку непосредственно к извещателю), а ИК-датчик при этом перестал выдавать сигналы. В большинстве случаев в реальной жизни это означает вовсе не злой умысел преступника, а халатность персонала – например, высокий штабель ящиков загородил извещатель. Впрочем, вне зависимости от злого умысла если извещатель загородили, это непорядок, и такой сигнал «неисправность» очень уместен.
2. В некоторых приборах приемно-контрольных есть алгоритм контроля, когда после снятия извещателя с охраны он обнаруживает движение. То есть отсутствие сигнала считается неисправностью, пока кто-то не пройдет перед датчиком и он не выдаст нормальный сигнал «есть движение». Эта функция не очень удобна, ведь нередко снимают с охраны все помещения, даже те, в которые сегодня никто входить не собирается, а получится, что вечером, чтобы поставить помещения снова на охрану, придется зайти во все комнаты, где никого днем не было, и помахать руками перед датчиками – ППК убедится, что датчики работоспособны, и милостиво разрешит поставить систему на охрану.
3. Наконец, есть функция под названием «ближняя зона», которая однажды была включена в требования отечественного ГОСТа и которую нередко ошибочно называют «антимаскинг». Суть идеи: у извещателя должен быть дополнительный датчик, глядящий прямо вниз, под извещатель, или отдельное зеркало, или специальная хитрая линза, в общем, чтобы не было мертвой зоны внизу. (Большинство извещателей имеют ограниченный угол обзора и в основном смотрят вперед и градусов 60 вниз, так что непосредственно под извещателем есть небольшая мертвая зона, на уровне пола примерно метр от стены.) Считается, что хитрый враг как-то сможет попасть в эту мертвую зону и оттуда загородить (замаскировать) линзу ИК-датчика, а потом уже нагло ходить по всей комнате. В реальности извещатель обычно устанавливают так, что в эту мертвую зону нет никакой возможности попасть, минуя области чувствительности датчика. Ну разве что сквозь стену, но против преступников, проникающих сквозь стену, не помогут дополнительные линзы.

Радиопомехи и прочие помехи
Как я уже говорил, ИК-датчик работает близко к пределу чувствительности, особенно при температуре в помещении, приближающейся к 35º С. Конечно, при этом он весьма подвержен влиянию помех. Большинство ИК-извещателей могут выдать ложную тревогу, если рядом с ними положить сотовый телефон и позвонить на него. На этапе установления связи телефон выдает мощные периодические сигналы с периодом, близким к 1 Гц (именно в этом диапазоне лежат типичные сигналы от человека, идущего перед ИК-датчиком). Несколько ватт радиоизлучения вполне сопоставимы с микроваттами теплового излучения человека.
Помимо радиоизлучения могут быть и оптические помехи, хотя линза ИК-датчика, как правило, непрозрачна в видимом диапазоне, но мощные лампы или 100 Вт автомобильные фары в соседнем спектральном диапазоне опять же вполне могут дать сигнал, сравнимый с микроваттами от человека в нужном диапазоне. Основная надежда при этом на то, что посторонние оптические помехи, как правило, плохо фокусируются и потому одинаково воздействуют на оба чувствительных элемента ИК-датчика, таким образом, извещатель может обнаружить помеху и не выдать ложный сигнал тревоги.

Пути совершенствования ИК-датчиков
Уже лет десять почти все охранные ИК-извещатели содержат достаточно мощный микропроцессор и потому стали менее подвержены воздействию случайных помех. Извещатели могут анализировать повторяемость и характерные параметры сигнала, долговременную стабильность фонового уровня сигнала, что позволило существенно повысить устойчивость к помехам.
ИК-датчики, в принципе, беззащитны против преступников за непрозрачными экранами, зато подвержены влиянию тепловых потоков от климатического оборудования и посторонней засветке (через окно). Микроволновые (радио) датчики движения, наоборот, способны выдавать ложные сигналы, обнаруживая движение за радиопрозрачными стенами, вне защищаемого помещения. Они также более подвержены влиянию радиопомех. Совмещенные ИК + микроволновые извещатели могут использоваться как по схеме «И», что значительно снижает вероятность ложных тревог, так и по схеме «ИЛИ» для особо ответственных помещений, что практически исключает возможность их преодоления.
ИК-датчики не могут отличить маленького человека от большой собаки. Существует ряд датчиков, в которых значительно снижена чувствительность к движениям небольших объектов за счет применения 4-площадочных сенсоров и специальных линз. Сигнал от высокого человека и от низкой собаки в таком случае можно с некоторой вероятностью различить. Надо хорошо понимать, что стопроцентно отличить пригнувшегося подростка от вставшего на задние лапы ротвейлера, в принципе, невозможно. Но тем не менее вероятность ложной тревоги может быть существенно снижена.
Несколько лет назад появились еще более сложные сенсоры – с 64 чувствительными площадками. Фактически это простой тепловизор с матрицей 8 х 8 элементов. Оснащенные мощным процессором, такие (обозвать их «извещатель» совсем язык не поворачивается) способны определять размер и расстояние до движущейся теплой цели, скорость и направление ее движения – еще лет 10 назад такие сенсоры считались верхом технологии для самонаводящихся ракет, а теперь применяются для защиты от банальных воров. Видимо, скоро ИК-датчиком мы привыкнем называть небольших роботов, которые разбудят вас ночью словами: «Извините, сэр, но воры, сэр, они хотят чаю. Должен ли я подать им чаю сейчас или попросить подождать, пока вы умоетесь и возьмете ваш револьвер?»

Одним из наиболее востребованных элементов систем безопасности является объёмный пассивный ИК извещатель. Объясняется это весьма широким спектром применения таких приспособлений. Они могут быть использованы как для контроля внутреннего объема помещений, так и для организации охраны периметра. Компания «Синтез Безопасности» предлагает вам купить такое оборудование у нас. Мы гарантируем высокое качество, а также то, что цена продукции будет вполне доступной.

Как работают пассивные ИК извещатели

Функционирование таких приспособлений основано на регистрации изменений инфракрасного температурного фона исходящих из разнообразных нагретых объектов и, в первую очередь, живых тел. В зависимости от принципа действия датчики делятся на активные и пассивные. У последних потоки инфракрасной энергии поступают через линзу чувствительный пироэлемент.

Срабатывают пассивные ИК извещатели в том случае, если при обследовании секторов контролируемой области происходит обнаружение температурных перепадов. Они указывают на наличие движения в зоне работы датчика. Существует несколько типов такого оборудования, различающегося способностью фиксировать определенную скорость движения.

После того, как встроенный микропроцессор проанализировал поступившие данные, происходит размыкание или замыкание сети контактов. Это приводит к формированию тревожного извещения, поступающего на пульт охраны. В зависимости от типа зоны обнаружения выделяют:

линейный;
поверхностный;
объёмный пассивный ИК извещатель.

Какие преимущества имеет объемный ИК извещатель пассивный

Это оборудование считается одним из самых эффективных и имеет целый ряд достоинств по сравнению с поверхностными и линейными моделями. Причина этого заключается в том, что при сканировании помещений приспособление проводит их изучение не только в вертикальном направлении (от пола до потолка), но и в горизонтальной плоскости. В результате надежность системы существенно возрастает.

Объемные датчики относятся к пассивным устройствам. Чаще всего их используют для обеспечения безопасности внутри помещений. При проектировании систем с использованием такого оборудования, необходимо учитывать тот факт, что для устройств этого типа любое препятствие является непрозрачным. В результате появляются своеобразные «мертвые» зоны. Эта особенность не обязательно расценивается как недостаток. Благодаря ей можно избежать реакции на движущийся объект за пределами охраняемой площади.

Если вы выбираете такие приспособления, компания «Синтез Безопасности» рекомендует вам учитывать ряд параметров. К ним можно отнести:

угол раскрытия зоны обнаружения;
дальность работы датчика.

Причем следует учесть, что параметр дальности оборудования указывается по главной оси. По боковым осям этот показатель будет ниже. Кроме того, при настройке системы необходимо также правильно указать температурный диапазон. Он существенно различается в отапливаемых и неотапливаемых помещениях, например. Грамотный выбор вам поможет сделать компания «Синтез Безопасности». Обращайтесь к нам, излагайте свои пожелания, а остальное мы возьмем на себя.

У нас вы сможете купить ИК пассивные по низкой цене - в каталоге 40 шт., сравнивайте, изучайте характеристики.

Для целей охраны имущества используется большая номенклатура разнообразных технических средств, среди которых особое место занимают охранные извещатели.

Охранные извещатели - это своего рода «чувствительные рецепторы» системы охранной сигнализации, которые призваны обнаружить преступника в охраняемом помещении, сформировать сигнал тревоги и передать его в охранную систему для принятия мер реагирования.

От того, какие извещатели используются в системе охраны офиса или квартиры, напрямую зависит безопасность имущества клиента, а в отдельных случаях - безопасность его жизни и здоровья.

Действие извещателей основано на использовании различных физических принципов. Можно выделить 2 основных типа извещателей:

1. Пассивные извещатели, которые сами не являются источниками волн различной физической природы (электромагнитных, акустических, пр.).

2. Активные извещатели, являющиеся источниками таких волн.

Очевидные преимущества пассивных извещателей - это их экологическая чистота и низкое энергопотребление. Однако в ряде случаев, в частности для повышения достоверности формируемого извещателем сигнала тревоги и минимизации числа ложных срабатываний, используют извещатели второго типа. При этом в современных извещателях, как правило, активный и пассивный способ работы совмещаются в одном приборе.

По физическому принципу действия извещатели можно подразделить на следующие группы.

Инфракрасные - извещатели, которые обнаруживают тепловое (инфракрасное) излучение человеческого тела и формируют сигнал тревоги в случае, когда источник теплового излучения движется.

Ультразвуковые - извещатели, излучающие ультразвуковые колебания и принимающие сигнал, отраженный от окружающих предметов. Формирование тревожного сигнала происходит в случае возникновения движения в контролируемой зоне.

Радиоволновые - извещатели, излучающие в диапазоне ультракоротких радиоволн. Их принцип работы аналогичен принципу ультразвуковых извещателей.

Барометрические - извещатели, формирующие сигнал тревоги при скачкообразном падении атмосферного давления в охраняемом помещении, которое может произойти в случае открытия двери или окна.

Акустические - извещатели, формирующие сигнал тревоги при регистрации в охраняемой зоне характеристического звука. Чаще всего это звук разбития оконного стекла.

Сейсмические - извещатели, устанавливаемые на стену или другую конструкцию и формирующие сигнал тревоги в случае регистрации в этой конструкции характеристических колебаний, возникающих при попытке разрушения преграды известными способами и инструментами (отбойный молоток, абразивный инструмент, газовый резак, «кислородное копье», взрывчатка, т.п.).

Инерционные - извещатели, в которых сигнал тревоги формируется с использованием инерционных свойств предметов и как правило при механическом воздействии на охраняемый объект, например автомобиль (покачивание, толчки). К группе инерционных относятся вибрационные и ударноконтактные извещатели.

Пьезоэлектрические - различные извещатели, использующие в своей работе пьезоэлектрические материалы, которые обладают свойством наведения разности потенциалов на противоположных сторонах пьезоэлектрического кристалла при его деформации. К пьезоэлектрическим относятся контактные извещатели контроля разбития стекла, извещатели контроля неподвижности установленных (скульптура) или подвешенных (картины) предметов и т.д.

Магнитоконтактные - извещатели, формирующие сигнал тревоги при размыкании геркона вследствие удаления от него магнитного элемента.

Устанавливаются как правило на окна и входные двери.

Электроконтактные - извещатели, которые формируют сигнал тревоги при размыкании электрического контакта. В настоящее время используются как правило в системах тревожной сигнализации и работают в ручном режиме.

Комбинированные - извещатели, которые сочетают в себе два или более физических принципа действия (инфракрасный и ультразвуковой, инфракрасный и радиоволновой, акустический и магнитоконтактный и пр.). Использование двух физических принципов действия зачастую позволяет повысить помехозащищенность извещателя, исключить ложные срабатывания.

Ультразвуковые и радиоволновые извещатели относятся к активному, а все остальные - к пассивному типу извещателей.

Кроме указанных существуют извещатели, использующие иные физические принципы действия: емкостные, индуктивные, электромагнитные и пр.

К изложенному необходимо добавить, что инфракрасные и радиоволновые извещатели могут быть однопозиционными (для контроля движения в определенном объеме) и двухпозиционными (для контроля движения через ограждение). Двухпозиционные извещатели состоят из конструктивно обособленных передатчика и приемника электромагнитных волн и используются для охраны периметров; формирование тревожного сигнала в них происходит при пересечении человеком инфракрасного или радиолуча. В данном случае мы имеем дело с активным инфракрасным извещателем.

В настоящей статье будут рассмотрены принцип работы и конструктивные особенности пассивных инфракрасных извещателей, которые по праву пользуются большой популярностью у потребителей и являются наиболее распространенными.

Пассивные инфракрасные извещатели предназначены для обнаружения человека, находящегося в пределах зоны чувствительности. Основная задача извещателя - обнаружить инфракрасное излучение человеческого тела. Как видно из рисунка 1, тепловое излучение человеческого тела находится в пределах спектрального диапазона электромагнитного излучения с длинами волн 8-12 микрон. Это так называемое равновесное свечение человеческого тела, максимум длины излучения которого полностью определяется температурой и для 37°С соответствует приблизительно 10 микронам. Существует целый ряд физических принципов и соответствующих устройств, которые применяются для регистрации излучения в указанном спектральном диапазоне. Для пассивных инфракрасных извещателей следует использовать чувствительный элемент с оптимальным соотношением чувствительность/стоимость. Таким чувствительным элементом является пироэлектрический фотоэлемент.

Рис. 1. Спектральная зависимость интенсивности свечения: солнца, флюоресцентной лампы, лампы накаливания, человеческого тела и спектра пропускания ряда блокирующих видимый свет фильтров: кремниевый фильтр, просветленный кремниевый фильтр, фильтр с длиной волны среза 5 мкм и фильтр с длиной волны среза 7 мкм.

Явление пироэлектричества состоит в возникновении наведенной разности потенциалов на противоположных сторонах пироэлектрического кристалла при его неравновесном кратковременном нагревании. Со временем электрические заряды из внешних электрических цепей и перераспределение зарядов внутри кристалла приводят к релаксации наведенного потенциала. Из вышесказанного следует:

частота прерывания (Гц).

Рис. 2. Зависимость величины сигнала отклика пироэлемента от частоты прерывания регистрируемого теплового ИК-сигнала.

1. Для эффективной пироэлектрической регистрации теплового излучения необходимо применять прерыватель с оптимальной частотой прерывания излучения около 0,1 Гц (рис. 2). С другой стороны это означает, что если используется безлинзовая конструкция пироэлектрического элемента, он сможет зарегистрировать человека лишь при его входе в пределы диаграммы направленности (рис. 3, 4) и при выходе из нее со скоростью 1 - 10 сантиметров в секунду.

Рис. 3, 4. Форма диаграммы направленности спаренного корпусированного пироэлектрического элемента в горизонтальной (Рис. 3.) и вертикальной (Рис. 4.) плоскостях.

2. Для повышения чувствительности пироэлектрического элемента к величине перепада температур (разница между фоновой температурой и температурой тела человека) необходимо сконструировать его, выдержав минимально возможные размеры, с целью уменьшения количества тепла, необходимого для заданного повышения температуры чувствительного элемента. Размеры чувствительного элемента нельзя чрезмерно уменьшать, так как это приведет к ускорению релаксационных характеристик, что эквивалентно уменьшению чувствительности. Существует оптимальный размер. Минимальная чувствительность обычно находится на уровне 0,1°С для пироэлемента размером 1 х 2 мм и толщиной несколько микрон.

3. Для повышения термостабильности работы извещателя и отсечки влияния медленно меняющейся температуры окружающей среды чувствительный элемент изготавливается в виде парной конструкции электрически встречно включенных элементов, расположенных на общей подложке. Внешний вид чувствительного пироэлемента приведен на рис. 5. Как видно из рисунка, чувствительный элемент изготавливается в типовом корпусе обычного полупроводникового электронного элемента. В корпусе формируется окно из материала, не пропускающего извне излучения с длиной волны менее 1 - 7 микрон в зависимости от типа используемого фильтрующего материала (см. рис. 1). Мировым лидером по производству пироэлектрических элементов является фирма HAMAMATSU (Япония). В Украине пироэлементы производит СКТБ Института физики НАН Украины.

Рис. 5. Внешний вид чувствительного элемента пироэлектрического пассивного ИК-извещателя.

Можно четко сформулировать условия обнаружения человека с помощью инфракрасного извещателя. Инфракрасный извещатель предназначен для обнаружения движущихся объектов с температурой, отличной от фонового значения. Диапазон регистрируемых скоростей перемещения: 0,1 - 1,5 м/сек. Таким образом инфракрасный извещатель не регистрирует неподвижные объекты, даже если их температура превышает уровень фона (неподвижный человек) или если объект с температурой, отличной от фона, перемещается таким образом, что не пересекает чувствительных зон извещателя (например перемещается вдоль чувствительной зоны).

Естественно, что высокая чувствительность инфракрасного извещателя достигается путем применения линзовой системы концентрации входящего излучения (рис. 6). В инфракрасном извещателе линзовая система выполняет две функции.

Рис. 6. Варианты формирования диаграммы направленности ИК-извещателей в зависимости от типа линзовой системы.

Во-первых, линзовая система служит для фокусировки излучения на пироэлектрическом элементе.

Во-вторых, она предназначена для пространственного структурирования чувствительности извещателя. При этом формируются пространственные зоны чувствительности, которые как правило имеют форму «лепестков», а их количество достигает нескольких десятков. Объект обнаруживается при каждом входе и выходе из чувствительных зон.

Обычно различают следующие виды диаграммы чувствительности, которую называют также диаграммой направленности.

1). Стандартная - веерная по азимуту и многоярусная по углу места (рис. 6а).

2). Узконаправленная - одно- или двухлучевая дальнодействующая по азимуту и многоярусная по углу места (рис. 6б).

3). Штороподобная - узконаправленная по азимуту и веероподобная по углу места (рис. 6в).

Существует также круговая диаграмма направленности (в частности, для извещателей, устанавливаемых на потолке помещения), а также ряд других.

Рассмотрим варианты конструктивного исполнения системы формирования диаграммы направленности (рис. 7). Эта оптическая система может быть либо линзовой, либо зеркальной. Изготовление обычной линзовой системы с учетом требования формирования пространственно структурированной диаграммы направленности является дорогостоящей задачей, поэтому обычные линзы в пассивных инфракрасных датчиках не применяются. Применяются так называемые линзы Френеля. В обычной линзе для направленного отклонения света (фокусировки) используется специальная сферическая форма поверхности, материал линзы имеет коэффициент оптического преломления, отличный от коэффициента преломления окружающей среды. В линзе Френеля используется явление дифракции, которое проявляется в частности в отклонении светового луча при прохождении через узкую щель. Линза Френеля изготавливается методом штамповки и поэтому стоит дешево. Недостатком применения линзы Френеля является неизбежная потеря половины энергии излучения в результате его дифракционного отклонения линзой в направлении, отличном от направления на пироэлектрический элемент.

Рис. 7. Конструктивные варианты исполнения охранных пассивных ИК-извещателей: с линзой Френеля и с зеркальной фокусирующей системой.

Зеркальная линза более эффективна по сравнению с линзой Френеля. Она изготавливается из пластической массы методом штамповки с последующим покрытием структурированной поверхности светоотражающим покрытием, не изменяющим своих свойств со временем (до 10 лет). Наилучшим покрытием является золото. Отсюда и более высокая, приблизительно в два раза, стоимость пассивных инфракрасных извещателей с зеркальной системой по сравнению с линзовой. Кроме того извещатели с зеркальной системой имеют большие габариты по сравнению с извещателями, оснащенными линзами Френеля.

Зачем применяют более дорогие извещатели с зеркальной системой концентрации входящего излучения? Важнейшей характеристикой извещателя является его чувствительность. Чувствительность практически одинакова в перерасчете на единицу площади входного окна извещателя. Это, в частности, означает, что если проектируют пассивный инфракрасный извещатель с повышенной чувствительностью, то вынуждены увеличивать размер зоны концентрации излучения - площадь входного окна, а, значит, и сам извещатель (максимальная чувствительность современных пассивных ИК-извещателей позволяет производить обнаружение человека на расстоянии до 100 метров). Если положить наличие потерь полезного сигнала за счет несовершенства линзы, то необходимо повысить коэффициент усиления электронной схемы обработки электрического сигнала, формируемого чувствительным элементом. При условии одинаковой чувствительности коэффициент усиления электрической схемы в зеркальном извещателе в два раза меньше, чем в извещателе с линзой Френеля. Это обозначает, что в извещателях с линзой Френеля выше вероятность ложного срабатывания, вызванная помехами в электронной схеме.

Еще раз вернемся к оптической схеме извещателя. Кроме линзовой системы и оптического «отрезающего» фильтра, установленного непосредственно в корпусе чувствительного элемента, для уменьшения ложных срабатываний, вызванных всевозможными источниками излучения, применяют различные оптические фильтрующие элементы («белый» фильтр, «черное» зеркало и т.п.), задача которых минимизировать попадание постороннего оптического излучения на поверхность пиро-электрического элемента.

Входное окно большинства ИК-извещателей выполнено в виде «белого» фильтра. Этот фильтр изготовлен из материала, рассеивающего видимый свет, но в то же время не влияющего на распространение инфракрасного излучения.

В извещателях с зеркальной системой концентрации входящего излучения дополнительный поглощающий фильтр размещается непосредственно на зеркале. Такое зеркало отлично отражает ИК-излучение и эффективно поглощает видимую часть спектра. Внешне оно имеет черный цвет, поскольку не отражает видимый свет, и поэтому называется «черным» зеркалом. Использование дополнительного, по отношению к непосредственно размещаемому на корпусе светочувствительного элемента, поглощающего фильтра позволяет уменьшить тепловую нагрузку на чувствительный элемент от поглощенной энергии падающего на него излучения, поскольку дополнительный поглощающий фильтр и чувствительный пироэлемент пространственно разнесены.

Совершенствуются и линзы Френеля. Прежде всего путем придания линзе сферической формы, минимизирующей аберрации по сравнению со стандартной цилиндрической формой. Кроме этого применяется дополнительное структурирование диаграммы направленности в вертикальной плоскости за счет мультифокусной геометрии линзы: в вертикальном направлении линза разделена на три сектора, каждый из которых независимо собирает излучение на один и тот же чувствительный элемент.

Весьма актуальной является проблема противодействия физическому экранированию извещателя, которое сводится к установке перед ним экрана, перекрывающего его «поле зрения» (так называемое «маскирование»). Технические средства противодействия маскированию составляют систему антимаскирования извещателя. Некоторые извещатели оснащаются встроенными ИК- светодиодами. В случае, если в зоне обнаружения извещателя, а следовательно в зоне действия светодиодов, возникает преграда, то отражение излучения светодиодов от преграды воспринимается извещателем как сигнал тревоги. Более того, периодически (в существующих моделях - один раз в 5 часов) происходит самотестирование извещателя на предмет наличия отраженного излучения ИК-светодиодов. В том случае, если при самотестировании на выходе электрической схемы не появится необходимый сигнал, то срабатывает схема генерации сигнала тревоги. Извещатели с функциями антимаскирования и самотестирования устанавливаются на наиболее ответственных объектах, в частности там, где возможно противодействие работе системы охраны.

Еще один путь повышения помехоустойчивости извещателя - это применение квадратичного чувствительного пироэлемента совместно с использованием микропроцессорной обработки сигнала. Разные фирмы решают проблему создания квадратичного элемента различным образом. Например фирма «OPTEX» применяет два обычных сдвоенных пироэлемента, расположенных рядом. Основная задача системы - выделить и «отсеять» события, вызванные одновременной засветкой обоих пироэлементов (например свет фар) или электрической помехой.

Фирма «ADEMCO» применяет специальную конструкцию счетверенного пироприемника, где четыре чувствительных элемента расположены в одном корпусе. При этом встречно включены пироэлементы, расположенные как в горизонтальной плоскости, так и в вертикальной. Такой извещатель не будет реагировать на мелких животных (мыши, крысы), которые зачастую бывают в складских помещениях и являются одной из причин ложных срабатываний (рис. 8). Использование разнополярного подключения чувствительных элементов в таком извещателе делает невозможным «шумовое» ложное срабатывавние.

Рис. 8. Работа многоканальной системы селекции шумовых импульсов на примере работы квадратичного охранного пассивного ИК-извещателя.

Фирма «ADEMCO» настолько уверена в совершенстве разработанного ею квадратичного извещателя, что объявила о выплате премии, если обладатель извещателя зафиксирует его ложное срабатывание.

Еще одной мерой предосторожности является применение проводящих пленочных покрытий, наносимых на внутреннюю поверхность входного окна для противодействия радиочастотным помехам.

Эффективным методом повышения помехоустойчивости извещателей является применение так называемой «двойной технологии», которая заключается в использовании комбинированного извещателя, реализующего пассивный инфракрасный и активный радиоволновой (иногда - ультразвуковой) принципы действия.

Радиоволновой (ультразвуковой) блок фиксирует наличие допплеровского сдвига в частотном спектре отраженного радиосигнала (ультразвука), обусловленного движением объекта. Применение таких извещателей наиболее эффективно при последующей микропроцессорной обработке поступающих сигналов. Эти извещатели не рекомендуется применять в помещениях, где находятся люди, так как излучение оказывает вредное влияние на здоровье.

Извещатели «двойной технологии» используются при охране помещений, в которых имеются небольшие домашние животные: кошки, собаки, - а также при наличии в охраняемом помещении периодически включаемых неподвижных теплоизлучающих устройств: факсимильный аппарат, калорифер, вентилятор и т.п.

Мы рассмотрели основы работы и конструкцию пассивных инфракрасных охранных извещателей. В целом все конструктивные ухищрения, применяемые теми или иными фирмами, имеют одну цель - уменьшить вероятность ложного срабатывания извещателя, поскольку ложное срабатывание ведет к неоправданным затратам на реагирование по тревоге, а также влечет моральный ущерб для владельца охраняемого имущества.

Извещатели постоянно совершенствуются. На современном этапе основными направлениями совершенствования извещателей является повышение их чувствительности, уменьшение числа ложных срабатываний, дифференциация подвижных объектов по признаку санкционированного или несанкци-онированного пребывания в зоне обнаружения.

Как источник электрического сигнала, каждый чувствительный пироэлемент является также источником случайных шумовых сигналов. Поэтому актуальной является задача минимизации флуктуационных помех, решаемая схемотехническим путем. Используются разные методы борьбы с шумами.

Во-первых, в извещателе устанавливаются электронные дискриминаторы входного сигнала по верхнему и нижнему уровню, что минимизирует частоту появления помехи (рис. 9).

Рис. 9. Пороговая система двухстороннего ограничения уровня шумового сигнала охранного пассивного ИК-извещателя.

Во-вторых, применяется режим синхронного учета импульсов, поступающих по обоим оптическим каналам. Причем схема составляется таким образом, что полезный оптический сигнал на входе приводит к появлению положительного электрического импульса по одному каналу и отрицательного по другому. На выходе применяется схема вычитания. Если источником сигнала является шумовой электрический сигнал - он будет идентичен для двух каналов и на выходе результирующий сигнал будет отсутствовать. Если источником сигнала является оптический сигнал, то выходной сигнал будет суммироваться.

В третьих, применяется метод счета импульсов. Сущность этого метода состоит в том, что одиночный сигнал регистрации объекта не приводит к формированию сигнала тревоги, а устанавливает извещатель в так называемое «предтревожное состояние». Если в течении определенного времени (на практике это - 20 секунд) повторно не поступит сигнал регистрации объекта, происходит сброс предтревожного состояния извещателя (рис. 10).

Рис. 10. Работа системы счетчика импульсов.

Как правило все извещатели требуют подключения электрического питания 12 В постоянного тока. Ток потребления типового извещателя находится в пределах 15 - 40 мА. Сигнал тревоги формируется и передается на охранную централь посредством выходного реле с нормально замкнутыми контактами.

Промышленностью выпускаются извещатели для установки в помещении, а также на открытых площадках; последние имеют соответствующее климатическое исполнение. Типовой срок службы пассивных инфракрасных извещателей - 5 - 6 лет.

Инфракрасные извещатели являются одними из самых распространенных в системах охранной сигнализации. Объясняется это весьма широким спектром их применения.

Они используются:

для контроля внутреннего объема помещений;
организации охраны периметров;
блокировки различных строительных конструкций "на проход".

Помимо климатического исполнения (уличной и внутренней установки) они также подразделяются по принципу действия. Существует две большие группы: активные и пассивные. Кроме того, инфракрасные извещатели подразделяются по типу зоны обнаружения, а именно:

объемные;
линейные;
поверхностные.

Давайте рассмотрим по порядку для каких целей применяются те или иные их виды.

Пассивные инфракрасные извещатели.

Эти датчики имеют в своем составе линзу, "нарезающую" контролируемую область на отдельные сектора (рис.1). Срабатывание извещателя происходит при обнаружении температурных перепадов между этими зонами. Таким образом, мнение, что такой охранный датчик реагирует чисто на тепло ошибочно.

Если человек, находящийся в зоне обнаружения, будет стоять неподвижно извещатель не сработает. Кроме того, температура объекта, близкая к фоновой также влияет на его чувствительность в сторону уменьшения.

Тоже самое относится к случаям, когда скорость перемещения объекта ниже или выше нормируемой величины. Как правило, это значение лежит в пределах 0,3-3 метра/секунду. Для уверенного обнаружения нарушителя этого вполне достаточно.

Активные инфракрасные извещатели.

Устройства этого типа имеют в своем составе излучатель и приемник. Они могут быть выполнены отдельными блоками или совмещены в одном корпусе. В последнем случае при установке такого охранного прибора дополнительно используется элемент, отражающий ИК лучи.

Активный принцип действия характерен для линейных датчиков, которые срабатывают при пересечении инфракрасного луча. Ниже рассмотрены принципы действия и особенности применения основных типов ИК извещателей.

ОБЪЕМНЫЕ ИНФРАКРАСНЫЕ ИЗВЕЩАТЕЛИ

Эти устройства являются пассивными (что это такое см.выше) и используются, в основном для контроля внутреннего объема помещений. Диаграмма направленности объемного датчика характеризуется:

углом раскрыва в вертикальной и горизонтальной плоскостях;
дальностью действия извещателя.

Обратите внимание - дальность действия указывается по центральному лепестку диаграммы, для боковых она будет меньше.

Что характерно для любого инфракрасного датчика, в том числе объемного - любое препятствие для него является непрозрачным, соответственно создает мертвые зоны. С одной стороны - это недостаток, с другой - достоинство, поскольку полностью отсутствует реакция на движущиеся предметы за пределами охраняемого помещения.

Также к недостаткам следует отнести возможность ложного срабатывание от таких факторов как:

конвекционные тепловые потоки, например, от систем отопления различного принципа действия;
засветки от движущихся источников света - чаще всего автомобильных фар через окно.

Таким образом, при монтаже объемного извещателя эти моменты игнорировать нельзя. По способу установки существует два исполнения "объемников".

Настенные объемные ИК извещатели.

Идеально подходят для офисов, квартир, частных домов. В таких помещениях мебель и другие предметы интерьера располагаются, как правило, вдоль стен, поэтому слепых зон не создают. Если учесть, что горизонтальный угол обзора таких датчиков составляет порядка 90 градусов, то, установив его в углу помещения, одним устройством можно практически полностью заблокировать небольшую комнату.

Потолочные объемные извещатели.

Для таких объектов как магазины или склады характерной особенностью является установка стеллажей или витрин по всей площади помещения. Установка потолочного датчика в таких случаях более эффективна, конечно, если указанные элементы имеют высоту ниже потолка.

В противном случае придется блокировать каждый образовавшийся отсек. Справедливости ради, нужно заметить, что такая необходимость возникает не всегда, но это уже тонкости проектирования сигнализации для каждого конкретного объекта с учетом всех его индивидуальных особенностей.

ЛИНЕЙНЫЕ ИНФРАКРАСНЫЕ ИЗВЕЩАТЕЛИ

По своему принципу действия они являются активными и формируют один или несколько лучей, отслеживая их пересечение возможным нарушителем. В отличие от объемных, линейные датчики устойчивы к различного рода воздушным потокам, да и прямая засветка, в большинстве случаев, им не повредит.

Принцип работы линейного однолучевого инфракрасного излучателя поясняется рисунком 2.

Дальность действия активных линейных устройств составляет от десятков до сотен метров. Наиболее характерные варианты их применения:

блокировка коридоров;
охрана открытых и огороженных периметров территории.

Для охраны периметра используются извещатели, имеющие более одного луча (лучше если их будет не менее трех). Это достаточно очевидно, поскольку снижает вероятность проникновения под или над контрольной зоной.

При установке и настройке инфракрасных линейных извещателей требуется точная юстировка приемника и передатчика для двухблочных устройств или отражателя и комбинированного блока (для одноблочных). Дело в том, что сечение (диаметр) инфракрасного луча сравнительно невелик, поэтому даже небольшое угловое смещение передатчика или приемника приводит к его значительному линейному отклонению в точке приема.

Из сказанного также вытекает необходимость крепления всех элементов таких извещателей на жестких линейных конструкциях, полностью исключающих возможные вибрации.

Должен заметить, что хороший "линейник" - удовольствие достаточно дорогое. Если стоимость однолучевых устройств с небольшой дальностью действия еще лежит в пределах нескольких тысяч рублей, то с увеличением контролируемой дальности и количества ИК лучей цена возрастает до десятков тысяч.

Объясняется это тем, что охранные извещатели такого типа являются достаточно сложными электромеханическими устройствами, содержащими, помимо электроники, высокоточные оптические устройства.

Кстати, пассивные линейные извещатели тоже существуют, но по максимальной дальности действия они ощутимо уступают своим линейным собратьям.

УЛИЧНЫЕ ИНФРАКРАСНЫЕ ИЗВЕЩАТЕЛИ

Вполне очевидно, что извещатель охранной сигнализации уличного исполнения должен иметь соответствующее климатическое исполнение. Это касается, в первую очередь:

диапазона рабочих температур;
степени пылевлагозащиты.

По общепринятой существующей классификации класс защиты уличного извещателя должен быть не ниже IP66. По большому счету, для большинства потребителей это не принципиально - вполне достаточно указания "уличный" в описании технических параметров прибора. На температурный же диапазон внимание обратить стоит.

Большего интереса заслуживают особенности применения такого рода устройств и факторы, влияющие на надежность охраны.

По характеру зоны обнаружения инфракрасные охранные извещатели, предназначенные для наружной установки могут быть любого типа (в порядке убывания популярности):

линейные;
объемные;
поверхностные.

Как уже говорилось, уличные линейные извещатели применяются для охраны периметра открытых площадок. Для этих же целей могут использоваться и поверхностные датчики.

Объемные устройства служат для контроля различного рода площадей. Стоит сразу заметить, что по дальности действия они уступают линейным датчикам. Вполне естественно, что цены на уличные извещатели значительно выше, чем на устройства, предназначенные для внутренней установки.

Теперь, что касается практической стороны эксплуатации в системах охранной сигнализации инфракрасных наружных извещателей. Основными факторами, провоцирующими ложные срабатывания установленных на улице охранных датчиков являются:

наличие на охраняемом участке различной растительности;
перемещение животных и птиц;
природные явления в виде дождя, снега, тумана и пр.

Первый момент может показаться непринципиальным, поскольку, на первый взгляд, является статичным и может быть учтен на стадии проектирования. Не стоит, однако, забывать, что деревья, трава и кусты растут и со временем могут стать помехой для нормальной работы охранного оборудования.

Второй фактор производители стараются компенсировать применением соответствующих алгоритмов обработки сигнала и эффект от этого есть. Правда, как не крути, если объект даже с небольшими линейными размерами переместится в непосредственной близости от извещателя, то, скорее всего, будет идентифицирован как нарушитель.

Что касается последнего пункта. Здесь все зависит от изменения оптической плотности среды. Говоря простым языком, сильны дождь, крупный снег или густой туман могут сделать инфракрасный извещатель полностью неработоспособным.

Так что, при принятии решения об использовании в сигнализации уличных охранных извещателей учтите все сказанное. Таким образом вы сможете избавить себя от многих неприятных сюрпризов при эксплуатации наружной охранной системы.

* * *

Материалы сайта имеют ознакомительный характер и не могут использоваться в качестве руководящих и официальных документов