FIZIČKO-TEHNIČKA MERENJA: SENZORI …nobel.etf.bg.ac.rs/studiranje/kursevi/of3ftm/materijali...FIZIČKO-TEHNIČKA MERENJA 2012, Marko Barjaktarović UVOD • Najčešći senzori

FIZIČKO-TEHNIČKA MERENJA:SENZORI DETEKCIJE PRISUSTVA I KRETANJA

FIZIČKO-TEHNIČKA MERENJA 2012, Marko Barjaktarović

UVOD• Detektori prisustva utvrđuju da li su se u definisanoj zoni pojavili jedan ili više

objekata.• Senzori pokreta (kretanja) reaguju samo u slučaju kada objekat menja položaj.• Oba tipa senzora se koriste u zaštiti objekata od provale, detekciji prisustva lica u

nedozvoljenoj zoni (npr. aerodromi), sprečavanju da operatar bude ugroženi pri radu sa opasnim alatima (ulaz u zonu cirkularne testere), uštedi energije (automatsko paljenje svetla pri ulasku osobe u prostoriju i gašenju svetla pri napuštanju prostorije), u radu novijih kućnih aparata i igračaka, i drugo.

• Najčešći senzori detekcije prisustva i kretanja:– Senzori promene pritiska vazduha – detektuju promenu u vazdušnom pritisku

prilikom otvaranja vrata ili prozora.– Kapacitivni – detektuju kapacitivnost koju poseduje ljudsko telo.– Akustični – detektuju zvuk koji proizvode ljudi pri kretanju.– Fotoelektrični – presek svetlosnog snopa prolaskom objekta.– Optoelektrični – detekcija varijacije osvetljenja i optičkog kontrasta u zaštićenoj

oblasti.– Prekidači pritiska – duge niti osetljive na pritisak koje se postavljaju ispod poda

kako bi se utvrdilo nedozvoljeno prisustvo.


UVOD• Najčešći senzori detekcije prisustva i kretanja:

– Senzori naprezanja – merne trake koje se postavlju na stepeništa, pragove i druge lokacije gde se očekuje nedozvoljeni prolazak.

– Magnetni prekidači – beskontaktne verzije prekidača pritiska.– Detektori vibracija – detektuju vibracije zidova ili drugih struktura u zgradama,

mogu se montirati na prozore i vrata kako bi detektovali vibracije usled prolaska osobe.

– Detektori lomljenja stakla – reaguju na opseg frekvencija koje se javljaju pri pucanju stakla.

– IC detektori kretanja – osetljivi na promenu toplotnog fluksa koja se javlja usled kretanja toplih ili hladnih objekata.

– Mikrotalasni detektori – aktivni senzori koji detektuju prisustvo na osnovu reflektovanog EM talasa.

– Video senzori pokreta – sistem koji poredi trenutnu sliku sa slikom osmatrane zone koja se čuva u memoriji i u slučaju odstupanja aktivira se alarm.

– Laserski – slično kao fotoelektrični, stim što je izvor svetlosti laser.– Triboelektrični – detekcija statičkog naelektrisanja koju nosi pokretni objekat.


MIKROTALASANI DETEKTORI KRETANJA

• Glavna prednost u odnosu na druge tipove detektora kretanja je što mogu pokriti veću oblast i veća rastojanja, pri čemu funkcionišu u širem temperaturnom opsegu, a njihovom ispravnom radu ne smeta vlaga, magla, vetar, prašina.

• Princip rada se zasniva na emitovanju elektomagnetnog talasa u radio frekvencijskom opsegu (RF) u pravcu zaštićene zone. Najčešće su frekvencije 10.525 GHz (X opseg) i 24.125 GHz (K opseg). Talasna dužina u X opsegu od λ = 3 cm omogućava prolazak kroz sve sitne čestice (vodena para, prašina), a dovoljno je kratka da se odbija na većim objektima.

• Pored oscilatora, potrebna je i antena koja se bira na osnovu aplikacije (fokusirajuća svojstva). Ubočajeno je da su široko ugaone antene značajno kraće od antena sa uskim uglom emitovanja. Oscilator radi ili u sinusnom ili u impulsnom režimu. Impulsni režim se koristi da bi se smanjila potrošnja energije.

• Deo signala oscilatora se koristi kao referenca, dok se veći deo emituje antenom. Nakon refleksije od objekta upoređuje se fazna razlika između referentnog i detekovanog signala. Fazna razlika je u direktnoj vezi sa rastojanjem objekta. Za detekciju kretanja, najčešće se koristi Doplerov efekat.


MIKROTALASANI DETEKTORI KRETANJA• Doplerov efekat – ako izvor emituje talas frekvencije f0 nakon refleksije od objekta

dolazi do promene frekvencije. Ako se objekat kreće ka izvoru frekvencije raste, u suprotnom opada. Efekat je prvobitno otkriven za zvučne talase. Ukoliko je brzina objekta ka izvoru v, frekvencija reflektovanog talasa (za male brizine) iznosi:

00

0

1 /1 /r

v cf f

v c

0 00 0

2 2/ 1r

vf f f fc v

• Predhodna jednačina važi kada se objekat kreće normalno u odnosu na detektor. U slučaju kada je ugao između kretanje objekta i normale na detektor θ, promena frekvencija iznosi:

02 cosvf


MIKROTALASANI DETEKTORI KRETANJA• U slučaju kada je potrebno detektovati samo prisustvo objekta, pri ulasku objekta u

zaštićenu zonu i pri uglu θ = 90°, dolazi do nagle promene intenziteta reflektovanog signala i utvrđuje se nedozvoljeno prisustvo.

• Pri brzini od 0.6 m/s, u X opsegu, Doplerov pomeraj frekvencije iznosi Δf = 40 Hz, zbog čega se pri procesiranju signala mora voditi računa o mrežnom naponu (50 Hz) i uticaju neonskih lampi (100 Hz). Pomenute frekvencije je potrebno izbaciti (notch filtar).

• Najčešće se zahteva se da srednja snaga predajnika bude ispod 10 mW/cm2 u periodu od 0.1 h.

• Snaga na prijemu mora biti dovoljna za detekciju:2

02 44r

P A aP

r

• P0 – transmitovana snaga, r rastojanje do objekta, ρ refleksivnost objekta, a površina mete, A apertura antene, potrebno je da λ2 ≤ a za ispravnu detekciju.

• Refleksivnost predstavlja bitan parametar. Provodni materijali i dobri dielektrici odlično reflektuju EM zračenje, za razliku od plastike i keramike koje su transparentne. Takođe, i ugao pod kojim zračenje pada na površinu se mora uzeti u obzir. Pri uglu od 45 zračenje se ne vraća ka detektoru, i objekat nije moguće detekovati (Stealth tehnologija).


KAPACITIVNI DETEKTORI PRISUSTVA• Ljudsko telo je provodnik sa visokom dielektričnom konstantom usled čega se stvara

kapacitivna sprega sa okolinom koja zavisi od veličine tela, odeće, tipa okolnih objekata, vremenskih uslova i drugo. Tako nastali kondenzatori imaju kapacitivnost od pF do nF. Kada se osoba kreće, kapacitivnost se menja, usled čega se može utvrditi da li se osoba kreće ili ne.

• Kapacitivnost između zemlje i test ploče iznosi C1, a u prisustvu osobe javljaju se dodatna dva kondenzatora Ca i Cb. Rezultujuća kapacitnost C se povećava:

1a b

a b

C CC C

C C


KAPACITIVNI DETEKTORI PRISUSTVA• Kapacitivni sigurnosti sistem za automobile – jedna ploča se postavlja u sedište u

toku izrade i u obliku je mreže ili je u pitanju provodna tkanina. Druga ploča se postavlja ili u pod ili je predstavlja telo automobila.

• Cx se koristi za nulovanje sistema kada, tada oba RC kola imaju istu vremensku konstantu.

• Upredene parice smanjuju uticaj šuma.• U prisustvu osobe, povećava se kapacitivnosti, a time i vremenska konstanta, usled

čega napon ep sporije raste i na izlazu iz komparatora javlja se impuls.• U pitanju je aktivni senzor.


TRIBOELEKTRIČNI DETEKTORI PRISUSTVA• Triboelektrični efekat – razdvajanje naelektrisanja na objektu usled trenja pri kretanju.• Sva električna kola sadrže kondenzatore. Ukoliko nisu shield-ovani javlja se

kapacitivna sprega sa okolnim objektima. Kod triboelektričnih senzora dodaje se velika elektroda (pickup) kako bi se povećalo kapacitivno sprezanje.

• Za razliku od kapacitivnih pretvarača ne meri se promena kapacitivnosti, većpromena naelektrisanja nastala na pickup elektrodi.

• Ukoliko nema kretanja elektrostatičko polje u okolini detektora je skoro konstantno.• U slučaju kretanje dolazi do promene elektrostatičkog polja E.• Promena E izaziva promenu nalektrisanja na C0, a time i promenu napona na R1,

signal se potom pojačava i vodi na senzor.• Za razliku od kapacitivnog detektora, triboelektrični detektor prisustva je pasivni

senzor.


OPTOELEKTRONSKI DETEKTORI KRETANJA• Najpopularnije detektori kretanja. • Pokrivaju oblast talasnih dužina od 0.4 do 20 µm.• Mogu pokriti rastojanja i do nekoliko stotina metara. U zavisnosti od primene,

određuje se ugao vidnog polja (FOV – filed of view).• Princip rada zasnovan na detekciji svetlosti koja je ili reflektovana od, ili emitovana

sa poktrenog predmeta.• Pasivni – blisko ili daleko IC zračenje samog predmeta.• Aktivni – LED, dnevna svetlost, sijalice, itd.• Mogu detektovati da li postoji kretanje, ali ne mogu razlikovati predmete, niti

meriti rastojanje.• Za sigurnosne sisteme i uštedu energije – pametne kuće.• Niska cena i jednostvanost.


OPTOELEKTRONSKI DETEKTORI KRETANJA• Sastoje se od fokusirajućeg elementa (sočiva), detektora svetlosti i komparatora.• Detektuje se promena kontrasta, tj. objekata mora biti uočljiv u odnosu na okolinu.• Detekcija nastaje u trenutku kada se slika objekta formira na detektoru svetlosti.• Komparator služi samo za dobijanje logičkog signala – kretanje postoji ili ne.

• Problem – uzak ugao vidnog polja. Moguće više rešenja:

– nekoliko senzora,– kompleksna realizacija detektora

svetlosti,– deformacija slike pomoću maske.


OPTOELEKTRONSKI DETEKTORI KRETANJA• Detektori kretanja u dalekoj IC oblasti – potrebno je da je objekat topliji ili hladniji od

okoline kako bi promena IC zračenja mogla biti otkrivena. Veliki broj objekata čije je prisustvo potrebno detektovati su nemetali, odlični su dielektrici i imaju veliku emisivnosti. Za ljudsko telo ε ≈ 0.95.

• Najzastupljeniji senzor kretanja u dalekoj IC oblasti je PIR (passive infrared) senzor.• λ od 4 od 20 µm (od 28 °C do 37 °C).• Sistemi zaštite i energetske efikasnosti.• Najzastupljeniji PIR su piroelektrični senzori zbog jednostavnosti, niske cene, dobre

osetljivosti, brzog odziva. Postoje još dva tipa PIR senzora: termopajl i bolometar.

• Toplotni zračenje izaziva širenje prednje (ozračene) strane senzora, javlja se naprezanje što rezultuje pojavom viška naelektrisanja (piezoelektrični efekata) na elektrodama.

• Problem – naelektrisanje koje potiče od mehanički izazvane deformacije senzore – npr spoljašnji pritisak.

• Rešenje – dva senzora u simetričkoj konfiguracije.


OPTOELEKTRONSKI DETEKTORI KRETANJA – PIR SENZORI• Dualni piroelektrični senzor. Senzori su tako povezani da na identičnu pobudu

proizvode signal fazno pomeren za π, pa je izlazni signal 0. Pri pojavi identične mehanički izazvana pobude detektor ne reaguje.

• Sočivo fokusira svetlost samo na jednu od osvetljenih elektroda. Druga je maskirana.• Nakon generisanja naelektrisanja, ono se kreća sa jedne ka drugoj elektrodi i struja

postoji kroz otporni R (i ~ 1 pA, za v ~ 50 mV, potrebno 50 GΩ). Pomoću JFET-a napon se prenosi na izlazni otpornik.

• Kao piroelektrični pretvarač se koristi keramika ili filmovi od polyvinylidene fluoride(PVDF). Keramika je osetljivija, ali PVDF je fleksibilniji i može se proizvesti u različitim oblicima.

• Za fokusiranje se uglavnom koristi Frenelovo sočiva, a ređe i parabolično ogledalo.


OPTOELEKTRONSKI DETEKTORI KRETANJA – PIR SENZORI• Česta realizacija PIR detektora:

– Jedna elektroda je zajedniča dok je druga podeljenja na delove.

– Svaki segment elektrode se nalazi u žiži Frenelovog sočiva – širok FOV.

– Signal se vodi na diferencijalni pojačavač.

– Sočiva je premazano antirefleksivnim organiskim filmom za opseg λ od interesa.

• Samo deo fluksa koji polazi od objekta stiže do detektora.

• Kada je objekat blizu detektora, slika predmeta se ne fokusira na senzoru, zbog čega realna osetljivost opada.


DETEKTOR KRETANJA NA BAZI PROMENE PRITISKA• Prilikom otvaranja vrata ili prozora dolazi do veoma male promene pritiska, reda

nekoliko Pa ili mm H20.• Nije pogodno koristi standardne senzore pritiska – razlika pritiska koje je potrebno

detektovati mnogo je veća od opsega standardnih pretvarača i bliska je šumu. Takođe, upotreba veliko pojačanja ne bi pojača samo signal već i šum.

• Rešenje – konstrukcija senzora koji ima veću ostljivost, ali umesto da reaguje samo na promenu pritiska, odziv se javlja samo kada postiji dinamička promena gradijenta pritiska. Olakšavajuću okolnost predstavlja potreba detekcije gradijenta, a ne i njegovog intenziteta.

• Kapacitivni pretvarač –membrana je elektroda od metalne folije debljine ~ 20 µm, velike pobršine ~ 20 mm2. Rastojanje izmđu elektroda ~ mm.

• Komora sa ventilom koji nedozvoljava trenutno izjednačavanje spoljašnjeg pritiska i pritiska u komori.


DETEKTOR KRETANJA NA BAZI PROMENE PRITISKA• Prilikom otvaranja vrata ili prozora dolazi do promene pritiska u prostoriji.• Promena pritiska u komori nije trenutna, već postoji kašnjenje.• Promena kapacitivnosti odgovara prvom izvodu promene pritiska prostoriji.

Documents

FIZIČKO-TEHNIČKA MERENJA: SENZORI …nobel.etf.bg.ac.rs/studiranje/kursevi/of3ftm/materijali...FIZIČKO-TEHNIČKA MERENJA 2012, Marko Barjaktarović UVOD • Najčešći senzori