A passzív infra mozgásérzékelő (PIR) működése
A ma használatos mozgásérzékelők legnagyobb csoportját a passzív infravörös (Passive Infra Red = PIR) érzékelők adják. Népszerűségüket viszonylag alacsony áruknak valamint széles felhasználási lehetőségeiknek köszönhetik. Egy jól kiválasztott és megfelelően telepített mozgásérzékelő önmagában is képes egy teljes helyiség tér- és/vagy tárgyvédelmére. Egy félreértést el kell oszlatni: az infráknak érzékelési szempontból semmi közük a kamerákhoz, bár az igaz, hogy mindkettőnek van optikája. A kamerák képeket és tényleges mozgást látnak, míg az infrák csak a hőt, illetve annak a változását érzékelik. A köznyelv mozgásérzékelőknek nevezi ezeket az eszközöket, pedig a mozgást csak közvetve képesek érzékelni.
A passzív infra riasztás vagy működés során semmilyen sugárzást nem bocsát ki magából, hanem passzívan figyeli a teret – ahogy ezt a neve is jelzi. Feladata tulajdonképpen az, hogy a megfigyelt terület infravörös tartományba eső sugárzását, különösen az emberi testmelegből származó hősugárzást érzékelje, és egy optikai rendszer segítségével egy pontra fókuszálja. A fókuszpontban egy piroelektromos elven működő szenzor található, amelynek feladata, hogy a védett területen mozgó ember által kiváltott infrasugárzás szintjének – a környezet alap jelszintjéhez viszonyított – megváltozását villamos jelváltozássá alakítsa. A villamos jelek változását egy jelfeldolgozó áramkör kiértékeli és szükség esetén egy relé működtetésével riasztást vált ki.
A passzív működési elv az energiatakarékosságon kívül még egy előnnyel jár. Az infrák nem befolyásolják egymás működését, ezért nincs semmi akadálya annak, hogy több érzékelő kerüljön felszerelésére egy helyiségen belül, amennyiben azt a helyiség mérete, tagoltsága vagy a bútorzat szükségessé teszi. Ugyanakkor számolni kell azzal a ténnyel, hogy az infra nem lát át a falakon, a szilárd testeken, a bútorzaton, a növényzeten, de még az üveg is jelentősen csökkenti az érzékelését. Ezt a tényt nemcsak a riasztórendszer telepítőjének kell figyelembe vennie, hanem a rendszer felhasználójának is, különösen akkor, amikor a védett helyiség bútorzatát, térelválasztóit esetleg áthelyezi.
Ne feledkezzünk meg arról sem, hogy a megnövő növények is csökkenthetik a mozgásérzékelő látóterét, ezzel növelve a biztonsági kockázatot.
Az infravörös sugárzás
Az infravörös sugárzás (Infrared, IR) az elektromágneses sugárzás egy fajtája. Hullámhossza a látható fénynél nagyobb, de a mikrohullámnál és a rádióhullámnál kisebb. Az infravörös sugárzás elsősorban hősugárzást jelent. Minden anyag, aminek a hőmérséklete az abszolút nulla fok felett van, infravörös sugárzást bocsát ki magából.
Az infra latin eredetű szó, jelentése: alatt, az infravörös jelentése pedig: vörös alatti. Az elnevezést William Herschel (1738-1822) német-angol csillagász adta, aki 1799-ben kezdte el a napfényt tanulmányozni, különféle prizmákkal és színszűrőkkel különítve el egymástól a színeket. Ekkor fedezte fel, hogy az egyes színek egyben, eltérő hőmérsékletűek is, különösen a lilától a vörösig tapasztalt melegedést, illetve a vörös alatti sötét tartományban érezte a legmelegebbet. Ezzel bizonyította, hogy a Napból a hőt nem a látható fény sugarai továbbítják, hanem a láthatatlan sugarak. A napsugárzás energiájának mintegy fele esik az infravörös tartományba.
Bár az emberi szem számára az infravörös sugárzás nem látható, számos állat, elsősorban a rovarok és a madarak képesek érzékelni ennek a tartománynak egy részét.
Az infravörös sugárzásnak több tartománya van:
| megnevezés | hullámhossz | alkalmazási terület |
| közeli infravörös sugárzás (NIR, IR-A) | 0,75-1,4 µm | optikai kommunikáció, éjjellátó szemüvegek |
| rövid hullámhosszú infravörös sugárzás (SWIR, IR-B) | 1,4-3 µm | telekommunikáció |
| közepes hullámhosszú infravörös sugárzás (MWIR, IR-C) | 3-8 µm | önirányítású rakéták, |
| hosszú hullámhosszú infravörös sugárzás (LWIR, IR-C) | 8-15 µm | passzív infrák, hőkamerák, infravörös termográfia (hőtérképes vizsgálat) |
| távoli infravörös sugárzás (FIR) | 15-1000 µm | hőgyógyászat, infraszaunák |
A passzív infra érzékelők felépítése
A PIR érzékelők az alábbi elemekből épülnek fel:
- érzékelőelem
- optikai rendszer
- jelfeldolgozó áramkör
Érzékelőelem
Az alábbi felvételeket az Oktel Kft. munkatársai készítették.
Az érzékelőelem a környezet hősugárzását, pontosabban annak változását érzékeli és az infravörös sugárzást villamos jelekké alakítja át.
A PIR szenzora egy piroelektromos elven működő tranzisztor, amelynek az érzékenysége az emberi testre is jellemző 10 µm-es infravörös hullámhossznál a legnagyobb. Az érzékelő (a hagyományos tranzisztoroknál is alkalmazott) fémtokban helyezkedik el, amelynek a tetején egy infraszűrővel ellátott kis ablak van. A gyártók arra törekszenek, hogy a PIR elsősorban a gyors hőmérsékletváltozásokra reagáljon, amit egy kúszó, sétáló vagy futó ember okoz. A szenzort gyakran kis műanyagból vagy szivacsból álló védőgyűrűvel vagy védőtokkal látják el a rovar- és porvédelem miatt.
Optikai rendszer
Az optikai rendszer feladata, hogy a környezet által kibocsátott és visszavert infravörös energiát az érzékelő elemre fókuszálja. A passzív infrák optikai rendszere lehet tükrös vagy Fresnel-lencsés. Az előbbinél egy műanyag lapon kialakított fényvisszaverő réteg, az utóbbinál a lencse kialakítása határozza meg az érzékelési tartomány karakterisztikáját (nagyságát, formáját), vagyis végső soron az érzékelő látószögét.
Az infraérzékelő látótere felülnézetből úgy néz ki, mintha több, egymás alá helyezett legyezőt fognánk össze ujjainkkal, ahol a lencserendszer fókuszpontja a legyezők töve, az érzékelőnyalábok pedig a legyező kiterjesztett részei lennének. Ezeket a legyezőnyalábokat úgy kell elképzelni, hogy egymás felett elhelyezkedve rétegeket alkotnak, üres mezőket is hagyva maguk között. A legyezőt alkotó gúlaszerű nyalábok olyan sávokat hoznak létre, amelyek a védett helyiséget érzékeny és érzéketlen zónákra bontják. Az érzékeny zónákban az infra érzékeli a hőmérsékletváltozást, az érzéketlen szektorokban viszont nem.
Mint mindennek, a helyiség berendezésének is van hőkibocsátása, de az többnyire alacsonyabb, mint az emberi test hője – kivéve a működő fűtőtest környékét. Amikor egy ember átmegy a védett helyiségen, merőlegesen metszve a nyalábokat, felváltva lép be érzékeny és érzéketlen zónákba. Az érzékeny zónában tartózkodás megemeli az érzékelt alaphőmérsékletet, az érzéketlen zónában tartózkodás változatlanul hagyja azt. Ez a hőmérséklet-változáson alapuló mozgásérzékelés alapja.
Fentiekből következik, hogy a PIR érzékenyebb a nyalábokra merőleges irányú mozgásra, mint a velük párhuzamos irányúra. Felvetődhet a kérdés, hogy ha a betörő nem merőlegesen, hanem két nyaláb közti holt térben mozog, akkor észrevétlen maradhat-e? Nos, semmi esetre sem. A védett térbe belépő ember nem tudhatja, hogy a helyiség mely részein helyezkednek el az érzékeny és érzéketlen zónák. Persze teszteléssel ki lehet deríteni: sétatesztnek hívják a telepítők ellenőrzési módszerét, de ez betörés idején kivitelezhetetlen, hiszen egy rossz mozdulat már riasztást generál. Ráadásul a szűkülő nyalábok között nincs is akkora rés, hogy egy ember azon belül mozogni tudjon.
Az emberi test infravörös hőképe
Az emberi szervezet megfelelő működéséhez 35-38 °C szükséges. Ennek a hőmérsékletnek a fenntartásáról a gének gondoskodnak, a központi hőszabályozást pedig a hypothalamus (köztiagy) végzi. Az emberi test hőmérséklete normál körülmények között magasabb, mint a környezeté. A test belseje szintén magasabb hőmérsékletű, mint a bőr vagy a végtagok, ezáltal a testfelszínhez közelebb lévő belső szervek miatt egyes bőrfelületek, illetve a mélyből a felszín felé keringő vér szintén melegebbek. A szervezet ezt a hőt infravörös sugárzás formájában folyamatosan leadja a környezetének. Mérések szerint ez a leadás 21°C-on, 40 %-os páratartalom mellett egy fedetlen emberi test teljes hőtermelésének 70 %-a. Ez az úgynevezett „hulladék hő”.
Az optikai rendszer alapján a passzív infra fajtái:
- tükrös mozgásérzékelő
- műanyag lencsés, más néven Fresnel-lencsés mozgásérzékelő
Mindegyik típus azonos elven működik. Lencsés érzékelők esetében egy lencsesorokból álló lencserendszer kerül az érzékelő elem elé, tükrös érzékelők esetében pedig az érzékelő elem mögé, és mindkét megoldás egy pontba gyűjti a hősugárzást. A környezetet ugyanúgy figyelik: a teret legyezőszerűen aktív és passzív részekre osztják fel. Ha a passzív tartományból az aktívba kerül egy meleget kibocsátó test, akkor a hőmérséklet ugrásszerű változásának hatására riasztás történik. Mivel ezek az érzékelők hasonlóan néznek ki, ezért egy laikus kívülről nem tudja megkülönböztetni, hogy az adott területre tükrös vagy Fresnel-lencsés érzékelőt szereltek-e fel.
Bár elvi működésüket tekintve azonos ez a két érzékelő fajta, nézzük meg kicsit alaposabban, hogy mi is a különbség a kettő között, mik az előnyei és a hátrányai az egyes típusoknak!
Tükrös érzékelők
A házán kialakított „ablak” egy műanyag lap, ami átengedi a környezet infravörös sugárzását és biztosítja a burkolat zártságát, de emellett csak fehérfény szűrést végez. Az ilyen érzékelők esetében a tükör egy szegmentált, homorú, műanyag felület, amelyen fényvisszaverő réteget képeznek ki, például galvanizálással felvitt krómréteggel. Ez a kifelé néző tükör több szektorra van felosztva. A parabolikus íven egymás mellett elhelyezkedő tükörszegmensek gyűjtőoptikaként viselkedve a nyomtatott áramköri lap pirotranzisztorára fókuszálják a sugarakat. Ez a kialakítás szabja meg a passzív és az aktív sugarak eloszlását.
A tükrös érzékelők előnyei közé tartozik a precizitásuk, mivel pontosan fókuszálnak, pontosan tartják a jelerősség és jeltávolság arányát, és kicsi az energiaelnyelésük. Ez utóbbi azt jelenti, hogy a bejövő energiának a 90-93 %-át magára az érzékelőelemre továbbítják. Hátrányuk viszont az, hogy az optikai ablakok száma kevesebb és áruk magasabb, mint a műanyag lencsés változatoké.
Fresnel-lencsés érzékelők
Az érzékelő házának ablaka a műanyag lencse maga. Ezeknél az érzékelőknél a rugalmas, vékony műanyagba vannak belepréselve a különböző mennyiségű és formájú lencsék. A hagyományos Fresnel-lencse egy sík vagy enyhén ívelt lapként kerül le a gyártósorról és csak az érzékelő műanyag házába történő beszerelés során veszi fel azt az ívet, amelynek eredményeképpen az egyes lencseszegmensek a piroszenzorra vetítik és fókuszálják a sugarakat. Minden lencse legalább három szektorra van osztva, így külön-külön érzékeli a közeli, a közepes távolságú és a távoli jeleket.
Ezek a műanyag lencsék könnyen cserélhetők, akár a lefedési karakterisztika módosítási igénye, akár a lencse meghibásodása miatt, ellentétben a tükrös infrákkal, melyeknél ilyen esetekben egész érzékelőt le kell cserélni. A műanyag lencsék könnyebben deformálódnak, illetve el is mozdulhatnak a nem megfelelő rögzítés következtében. Ez kedvezőtlenül hat az érzékelés pontosságára. A lencsés érzékelők hátránya ezen felül, hogy sokkal több energiát nyelnek el, mint a tükrös infrák, valamint az, hogy a lencsék kialakítása csak igen szigorú gyártástechnológiával lehet kellően precíz; nem könnyű az optikai ablakok éles elválasztását és a pontos fókuszálást elérni. Utóbbi érdekében fejlesztették ki a teljesen domború (szférikus) lencséket, melyek már merevebb műanyagból készülnek, és alkalmazásuk nemcsak pontosabb fókuszálást, hanem kisebb torzítást is eredményez. Sajnos az energia elnyelődés ennél a lencsetípusnál nőtt.
A fenti két képen a hagyományos és a szférikus (vagy gömb) lencsék képalkotása látható. Természetesen ez csak illusztráció, hiszen ezek az infrák csupán hőképeket látnak, de jól mutatja a két ábra, hogy a szférikus lencsék képalkotása mennyivel jobb és pontosabb a hagyományos lencsékéhez képest.
A folyamatos technológiai fejlődésnek köszönhetően a Fresnel-lencsék a felsorolt hátrányok ellenére már-már kiszorítják a tüköroptikát, hiszen a tükörfelülettel viszonylag kevés zóna hozható létre (a régebbiek csak 15 zónával rendelkeznek, a modernebb tüköroptikák elérik az 52 zónát),a Fresnel-lencsék pedig közel 300 zónát is meg tudnak különböztetni. A zónaszám különösen fontos, ugyanis ez azt is jelenti, hogy hány részre osztja az érzékelő az általa megfigyelt teret. Minél magasabb a zónaszám, annál több és kisebb területre van osztva a védett tér, így annál nagyobb az esélye a behatolás észlelésének.
A régebbi vagy gyengébb minőségű Fresnel-lencsék esetében gyakran előfordult, hogy nem egységes lefedési alakzatot adtak. Előfordultak különösen érzékeny vagy túl gyenge pontok, illetve lyukak, ahol egyáltalán nem érzékelt. Az újabb típusoknál azonban minden érzékelési nyaláb azonos alakú és méretű, ezáltal mindegyik ugyanazt a jelet szolgáltatja az érzékelőfej számára. Az érzékelési terület szélénél és közvetlenül az érzékelő előtti területen is egységesen érzékelnek, nincsenek lyukak, kiemelkedően erős vagy gyenge részek. A mozgó testekről pedig mindenhol egyforma erősségű jeleket vesz le az infra.
Elterjedtsége miatt a következő fejezetekben, amikor lencséről vagy lencserendszerről beszélünk, alapvetően a Fresnel-lencsét értjük alatta. Az alábbi ábrák azt illusztrálják, hogy az alacsonyabb árú lencsék nem egységes karakterisztikát adnak, lyukakkal, erősebb és gyengébb érzékelési nyalábokkal ábrázol, míg a jobb minőségűek azonos alakú és méretű nyalábokat, egységes karakterisztikát adnak.
Fresnel-lencsék
Augustin-Jean Fresnel (1788- 1827) francia mérnök és fizikus nevéhez fűződik a Fresnel-lencse feltalálása, melyet eredetileg világítótornyok számára, a tükrök helyettesítésére hozott létre. Ez egy speciális kialakítású gyűjtőlencse, amit úgy kell elképzelni, mintha a hagyományos gyűjtőlencsét koncentrikus körben elhelyezkedő lencsemetszetekre szeletelnénk, amiből csak a görbületi sugárnak megfelelő részt tartanánk meg, a többi homogén részt pedig elhagynánk. A lencsemetszetek több sorban, egy síkban, sűrűn egymás mellett helyezkednek el. Egy lencsemetszet az infra egy nyalábpárjával azonos.
Maga a lencse egy rugalmas, a hősugárzást áteresztő speciális műanyag (általában polietilén) lap. Ezt felmelegítik, belepréselik a lencsemintázatot, majd az érzékelő házába pattintják.
A domború lencsék már fröccsöntéssel készülnek. Egyik fele sima, a másik felére a koncentrikus barázdák kerülnek. A lencsemintázat, vagyis a bordázat mindig az infra belseje felé néz. Ha nem így lenne, akkor a bordákban megtelepedő por és szennyeződés idővel „megvakítaná” a mozgásérzékelőt.
Lefedési alakzat szerinti lencse-, illetve infratípusok
Az optikai rendszer különféle érzékelési területeket vagy lefedési alakzatokat tud létrehozni, attól függően, hogy milyen típusú lencsével van ellátva. Az alábbiakban négy mozgásérzékelő típust mutatunk be, amelyek azonos formájú házban, de különböző lencsék segítségével alkotnak a felhasználói igényeknek megfelelő lefedési karakterisztikájú infrát.
Térlátó vagy nagy nyílásszögű lencsével ellátott infra:
80°-tól 180°-ig terjedő látószögű (a piacon dominánsan jelen levő infrák látószöge ezen belül inkább csak 85°-110°). Általában 10-15 méter hatótávolsággal rendelkezik. A leggyakrabban alkalmazott típus.
Folyosólencsével ellátott infra:
Keskenyebb látószöggel és nagyobb hatótávolsággal rendelkezik. Hosszú, egyenes terek, folyosószakaszok figyelésére alkalmas. Az ún. fősugarak hatótávolsága a térlátó lencsés kialakítás dupláját is eléri.
Függönylencsével ellátott infra:
Kiterjedése kétdimenziós, mintha a védendő területet egy függönnyel zárnánk le. Különböző terek egymástól való elválasztására, illetve nyílászárók mögötti területek, valamint kerítések védelmére használható. Alkalmazzák vízszintes és függőleges függönyvédelemként is.
Kisállat-védett (pet alley) lencsével ellátott infra
Ott alkalmazzuk, ahol kisállatok miatt gyakori lenne a téves riasztás. A vízszintes függönyinfrához hasonló karakterisztikával rendelkezik, nincsenek lefelé néző nyalábjai.
Megjegyzés: A kisállatvédelem ugyanakkor más optika (esetleg quad vagy kettős duál érzékelő) alkalmazásával, valamint a jelfeldolgozó elektronika megfelelő működési algoritmusának kialakításával is elérhető.
Ha a mennyezetre vagy kültéren az épület sarkaira kell mozgásérzékelőt felszerelni, akkor az alábbiakban részletezett két lencsére, illetve infrára van szükségünk. Ezekhez az érzékelőkhöz azonban már nem elegendő pusztán a lencsék cseréje, ezek már az adott fajtához kialakított egyedi házakban kaphatóak.
Panorámalencsével ellátott mennyezeti infra:
360°-os látószöggel rendelkezik. Nagy belmagasságú helyiségek vagy holtterekkel tagolt területek védelmére alkalmazható. Előnyösen használható magas pultokkal tagolt ügyfélszolgálati irodákban, pénzintézetekben, valamint polcos raktárakban.
Saroklencsével ellátott infra:
Épületek sarkaira felszerelhető infra, melynek 270°-os a látószöge.
Jelfeldolgozó áramkör
A passzív infra harmadik lényeges alkotóeleme a jelfeldolgozó áramkör. Folyamatosan figyeli a változásokat, felerősíti és kiértékeli azokat a jeleket, amelyeket a szenzorok összegyűjtöttek. Amennyiben ezek a jelek egy meghatározott megszólalási szintet meghaladnak, akkor egy relé működtetésével riaszt.
A gyártók számára nem könnyű feladat olyan jelfeldolgozó eljárások kifejlesztése, amelyek az emberi mozgást jól el tudják különíteni a melegvérű állatok mozgásától, a huzattól és számos más zavaró jeltől. Az alsó árkategóriában még mindig megvan a létjogosultsága az analóg jelfeldolgozással működő érzékelőknek. Elsősorban ezeknél az analóg eszközöknél alkalmazzák az impulzusszámlálást a téves riasztások kiküszöbölésére. A beállítható impulzusszámláló segítségével az infra csak akkor riaszt, ha a jelzések száma adott idő alatt eléri a beállított értéket.
10-15 évvel ezelőtt az infrák elektronikája még hagyományos aktív és passzív alkatrészekből épült fel. Ma már teljesen általános a felületszerelt áramköri technológia és dominánsak a digitális mozgásérzékelők A digitális működésű mozgásérzékelők a piroszenzorról érkező analóg jelet egy analóg-digitális átalakító segítségével digitális jellé változtatják. A bináris jelsorozat sokkal több információt szolgáltat az érzékelő által észlelt hőmérsékletről és a mozgás jellegéről, mint az analóg jel. A legfejlettebb érzékelők pedig a jelfeldolgozást ún. ASIC áramkörökkel (alkalmazás specifikus integrált áramkörökkel) vagy mikroprocesszor alkalmazásával végzik el. Az intelligens mozgásérzékelők nemcsak a piroszenzor által észlelt jel szintjét figyelik, hanem a jel amplitúdóját, szélességét, csúcsszintjét, felfutási idejét, energiáját, formáját, valamint az egymást követő jelek időkülönbségét is. Minden jelet összevetnek a memóriájukban sablonszerűen tárolt „mozgás” és „nem mozgás” jelmintákkal és ennek alapján döntik el, hogy riasztási jelzést generálnak, vagy a jelzést tévesnek minősítik. Természetesen a legtöbb infra gyári érzékelési alapszintjét a telepítő módosítani tudja, amennyiben a telepítési körülmények ezt indokolttá teszik. Általában potenciométerrel vagy miniatűr kapcsolókkal lehet beállítani a kívánt szintet.
A jelfeldolgozó áramkör kimenete többnyire egy relére csatlakozik, melynek az érintkezője a riasztóközpont egyik zónájának áramkörét nyitja, így jelezve a riasztás tényét. A gyártók ma már többnyire nagy megbízhatóságú szilárdtest reléket alkalmaznak. A relékimenet egyben galvanikus leválasztást is biztosít.
Minden jog fenntartva. Copyright © Oktel Kft. 1998-2018