Оптоэлектронные детекторы движения

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

РЕФЕРАТ

На тему: «Оптоэлектронные детекторы движения»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание.

1. Введение.
2. Структуры сенсоров.
3. Детекторы движения, работающие в дальнем ИК диапазоне.
4. Составные датчики.
5. Датчики со сложной формой чувственного элемента
6. Искажение изображения
7. Фасетный фокусирующий элемент
8. Список используемой литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Оптоэлектронные детекторы  движения являются самыми популярными  датчиками, используемыми в охранных системах. Они используют электромагнитные излучения в оптическом диапазоне  длин волн: 0.4...20 мкм. Этот диапазон включает в себя видимую, ближнюю ИК и часть  дальней ИК областей спектра. Основное назначение оптоэлектронных детекторов — обнаружение двигающихся людей и животных. Такие детекторы работают на расстоянии до нескольких сотен метров и в зависимости от конкретных условий применения могут иметь либо узкое, либо широкое поле наблюдения.

Принцип действия оптических сенсоров движения основан на детектировании излучений (либо видимых, либо нет), исходящих  от поверхности движущегося объекта  в окружающую среду. Таким излучением может быть либо собственное излучение  объекта, либо отраженный от него свет внешнего источника. В первом случае речь идет о пассивном детекторе, во втором — об активном. Очевидно, что активный датчик нуждается в дополнительном источнике излучений, который может быть дневным светом, электрической лампой, ИК светоизлучающим диодом (СИД) и т.д. Пассивные детекторы регистрируют излучение среднего и дальнего ИК диапазона спектра от объектов, имеющих более высокие температуры по сравнению с окружающей средой. Оба вида детекторов для обнаружения объектов используют оптическую контрастность.

Оптоэлектронные и ультразвуковые детекторы, а также микроволновые  датчики имеют разные области  применения. В настоящее время  оптоэлектронные устройства применяются, в основном, для качественного, а  не количественного обнаружения  присутствия движущихся объектов. Другими  словами, оптоэлектронные детекторы  очень полезны для индикации  состояния объекта: движется он или  стоит, но они не могут отличить один движущийся объект от другого, поэтому  они никогда не используются для  точного определения расстояния до объекта и измерения его  скорости. Основные области применения оптоэлектронных сенсоров движения — охранные системы (для обнаружения  грабителей), устройства управления подачей энергии (включение и выключение света), а также, так называемые, «умные дома», в которых они управляют различными бытовыми приборами: кондиционерами, фенами, проигрывателями и т.д. Также они могут быть использованы в роботах, игрушках и т.д. Основными достоинствами оптоэлектронных детекторов движения являются простота и низкая стоимость.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Структуры сенсоров.

Вне зависимости от типа применяемого чувственного элемента обязательными  компонентами детектора являются: устройство фокусировки (линза или фокусирующее зеркало), светочувствительный элемент  и пороговый компаратор. Оптоэлектронный детектор движения похож на фотокамеру. Его система фокусировки также создает на фокальной плоскости изображение поля наблюдения. Хотя в нем нет механического затвора, роль пленки в нем играет светочувствительный элемент. Этот элемент преобразует сфокусированный свет в электрический сигнал.

Рассмотрим детектор движения, смонтированный в комнате. Комбинируя различные фасеты, можно получить любую желательную форму зоны наблюдения, как в вертикальной, так и в горизонтальных плоскостях. Применяя правила геометрической оптики, можно определить местоположение каждого фасета линзы или зеркала, их фокусные расстояния, количество фасетов и шаг между ними (расстояние между оптическими осями двух соседних фасетов).

А — фасетная линза создает вокруг чувственного элемента серию изображений, Б — охраняемая зона сложной конфигурации, созданная составной фасетной линзой

Комбинируя фасеты, можно  реализовать линзу, охватывающую большую  площадь наблюдения, в той каждый фасет ответственен за сравнительно узкий участок охраняемой территории Все фасеты проектируют изображение объекта на один и тот же чувствительный элемент При движении объекта он пересекает границы разных зон, в результате чего происходит модуляция выходного сигнала датчика.

Детекторы движения, работающие в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра

Большинство объектов (за исключением  очень горячих) излучают электромагнитные волны только дальнего ИК спектрального  диапазона Поэтому для работы рассматриваемой подгруппы 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 специальных излучателей Разработка детекторов, работающих в диапазоне видимого света, началось в 1932 году, когда радаров еще не было, а потребность обнаружения летающих объектов (аэропланов) уже появилась Один из первых детекторов аэропланов был реализован в виде фотокамеры, фокусирующая линза той, выполненная из стекла, была направлена в небо Изображение летящего самолета фокусировалось на селеновый фотодетектор, реагирующий на изменение оптической контрастности образа неба Естественно, что такой детектор мог работать только в дневное время и при отсутствии облаков Такие ограничения явно не способствовали широкому распространению этих детекторов Другой тип детекторов движения, работающих в видимом спектральном диапазоне, был разработан для устройств контроля освещения в помещениях и управления интерактивными игрушками. Для отключения света в комнате при отсутствии в ней людей можно использовать детектор движения видимого диапазона (к примеру, Motion Switch, выпускаемый Intermatic, Inc, IL) в комбинации с таймером и мощным бесконтактным реле Детектор работает, когда комната освещена Видимый свет переносит достаточно большую энергию, и поэтому может быть обнаружен при помощи фотогальванических 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. 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 которых равна 0 2 мм. Такая линза теоретически обладает бесконечно крупным диапазоном глубины фокусировки, что позволяет располагать фотодетектор на любом расстоянии от нее. Как правило, это расстояние определяется исходя из максимального перемещения объекта и размеров используемого фоторезистора. Применяемый фоторезистор имеет серпантинную конфигурацию чувственного элемента. Он подключается к схеме, реагирующей только на переменную составляющую выходного сигнала. Когда комната освещена, датчик работает как миниатюрная фотокамера: изображение зоны обзора формируется на поверхности фоторезистора. Перемещение людей в комнате меняет оптическую контрастность этого изображения, что приводит к изменению сопротивления 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, сбрасывающие 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 движения в темноте не работает.

 

 

 

Простой оптический детектор движения, используемый в системах отключения света и интерактивных  игрушках А -чувствительная поверхность фоторезистора, Б — ровное зеркало и точечная линза формируют изображение на поверхности фоторезистора, В — точечная линза

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Детекторы движения, работающие в дальнем ИК диапазоне.

Другая разновидность  детекторов движения работает в оптическом диапазоне тепловых излучений, который  также называется дальним ИК диапазоном Такие детекторы реагируют на изменение теплового потока, поступающего на чувствительный элемент, возникающее при движении объекта. Фокусирующая линза создает на фокальной плоскости, где расположен светочувствительный элемент, изображение комнаты. Если комната пустая, изображение является статическим, и выходной сигнал этого элемента является постоянным. Когда злоумышленник проникает в комнату и перемещается в ней, его изображение на фокальной плоскости также движется. В определенный момент времени тело злоумышленника попадает в зону, расположенную под углом а к оси линзы, и его изображение перекрывает часть светочувственного элемента. Здесь необходимо понять, что на выходе детектора сигнал появляется только тогда, когда изображение объекта попадает на чувствительную поверхность датчика: нет перекрытия — нет сигнала обнаружения. Считаем, что тело злоумышленника создает изображение, электромагнитный поток излучения от того отличен от потока в стационарном режиме. Тогда выходной сигнал светочувственного элемента изменится на величину V. Другими словами, для того чтобы обнаружить движущийся объект, его оптическая контрастность должна отличаться от контрастности окружающих предметов.

На рисунке отображен процесс сравнения выходного сигнала с двумя пороговыми напряжениями, выполняемый на оконном компараторе. Назначение компаратора — преобразование аналогового сигнала V в двухуровневый дискретный сигнал, в котором 0 соответствует отсутствию движения объекта, а 1 — обнаружению движущегося объекта. В большинстве случаев сигнал V, снимаемый с чувственного элемента, перед подачей на компаратор необходимо предварительно усиливать. В момент, когда изображение движущегося объекта попадает на светочувствительный элемент, напряжение на его выходе К пересекает один из уровней компаратора. На выходе компаратора при этом вырабатывается положительное напряжение, соответствующее «1», что означает обнаружение движущегося объекта в зоне наблюдения. Принцип действия этой схемы такой же как у пороговых устройств, применяемых в других типах детекторов присутствия, описанных ранее.

Оптоэлектронный детектор обладает довольно узкой зоной наблюдения. Если злоумышленник продолжит свое движение в одном направлении, его изображение никогда больше не попадет на чувствительный элемент, и хотя он будет еще находится в помещении, на выходе компаратора будет нулевой сигнал. Величина зоны наблюдения определяется площадью чувственного элемента, а ее можно менять только в ограниченных пределах, поэтому для большинства случаев требуется применение сенсоров, имеющих другие структуры, описанные далее.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Составные датчики.

В фокальной плоскости  фокусирующего зеркала или линзы  располагается несколько детекторов. При этом каждый детектор отслеживает  узкую зону наблюдения, а все вместе они охраняют довольно большую площадь. Все детекторы либо поочередно подключаются к логическому устройству, либо имеют  внутренние соединения друг с другом, обеспечивающие их согласованную работу.

 
Датчики со сложной формой чувственного элемента.

Если площадь чувственного элемента детектора недостаточно велика для наблюдения за всей требуемой  территорией, он может быть оптически  разбит на несколько меньших частей. При этом будет получен эквивалент схемы составного датчика. к примеру, светочувствительный элемент может иметь форму, отображенную на рисунке. Каждая часть такой структуры ведет себя как отдельный детектор излучения. Все эти детекторы соединяются либо последовательно, либо параллельно для формирования единой серпантинной структуры, с выхода той и снимается сигнал (к примеру, напряжение v), подаваемый в последующие логические устройства. При движении объекта его изображение перемещается вдоль поверхности сложного светочувственного элемента, попеременно пересекая его рабочие и нерабочие участки. В результате этого с выхода детектора снимается переменный сигнал v. Площадь каждого участка светочувственного элемента должна быть сравнима с величиной изображения объекта.

А — светочувствительный  элемент со сложной формой, Б —  маска для деления изображения

Искажение изображения.

Вместо того чтобы усложнять  форму чувственного элемента, можно  разделить изображение всей наблюдаемой  зоны на несколько частей. Для этого  перед достаточно крупным чувствительным элементом помещают специальную  маску. Маска является непрозрачной, поэтому изображение на поверхности  детектора будет появляться только в местах, где ее нет. Принцип действия такого устройства такой же как у датчика со сложной формой чувственного элемента. 

Фасетный фокусирующий элемент.

Другой способ расширения поля обзора при использовании детектора  малой площади 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 собственное изображение. При движении объекта его изображение будет  также перемещаться по чувствительному  элементу, в результате чего на его  выходе сформируется переменный сигнал. В этом сайте будет обсуждаться  метод обнаружения двигающихся  людей, хотя при небольших доработках этот способ применим и для горячих, и для холодных объектов.

Принцип теплового метода детектирования движущихся объектов основан  на физической теории излучения электромагнитных волн телами, температура которых  превышает уровень абсолютного  нуля. Для этого метода важно, чтобы  температура поверхности объекта  отличалась от температуры окружающей среды, т.е. необходимо, чтобы существовал  температурный контраст. Интенсивность  теплового излучения, выделяемого  с поверхности любых объектов, определяется законом Стефана-Больцмана. Если температура объекта выше температуры  окружающей среды, его тепловое излучение  смещается в сторону коротких длин волн и интенсивность его  усиливается. Многие из объектов, движения которых необходимо обнаруживать, являются неметаллами, поэтому излучаемая ими  тепловая энергия распределяется достаточно равномерно в виде полусферы. Более того, почти все диэлектрические объекты обладают высокой излучающей способностью. Кожа человека является одним из лучших излучателей, ее коэффициент излучения превышает 90%. Большинство тканей также имеют высокую излучающую способность — 0.74.. .0.95. В следующих разделах будут описаны два типа детекторов движения дальнего ИК диапазона. Первый из них реализован на основе пассивного ИК датчика, а второй использует активные ИК элементы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемой литературы.

1. Датчики и сенсоры – онлайн журнал  - http://datchikisensor.narod.ru/064.html
2. Оптические датчики – википедия  - http://ru.wikipedia.org/wiki/оптические_датчики
3. Научно-производственное предприятие 
   "Центральная лаборатория автоматизации измерений" - http://lab-centre.ru/mess165.htm