Впервые о пироэлектрическом эффекте писал еще древний ученый Теофрастус в 314 г. до н. э. Он заметил, что нагретые кристаллы турмалина притягивают к себе соломинки и частички пепла. Однако разобраться в физике замеченного явления древний грек не смог. А потому свойства турмалина были открыты вновь в 1707 г. немецким ученым Иоганном Георгом Шмидтом.
Кроме турмалина, в природе существует еще ряд кристаллических диэлектриков, которые обладают самопроизвольной (спонтанной) поляризацией. При изменении температуры величина поляризации таких пироэлектриков изменяется, что вызывает появление электрического поля. Так в том же турмалине при изменении температуры на 1 °C возникает поле Е ~ 400 В/см.
К сказанному можно добавить, что изменение спонтанной поляризации и появление электрического поля в пироэлектриках может происходить не только при изменении температуры, но и при механической деформации. Поэтому все пироэлектрики являются пьезоэлектриками (но не наоборот), а потому их можно использовать еще и в качестве датчиков давления. Подобные датчики часто используются на раздвижных дверях, открывающихся автоматически при приближении человека.
Обычно датчик движения, который работает в инфракрасном диапазоне, действует следующим образом. После его включения сенсор делает инфракрасный снимок, например, пустой комнаты. Через 1–2 с после такой инициализации датчик готов к работе. Теперь он будет сигнализировать о любом движении в охраняемой комнате.
Дело в том, что сигнал на выходе датчика плавно зависит от уровня инфракрасного (ИК) излучения, усредненного по полю зрения датчика. При появлении человека (или другого объекта с температурой, большей, чем температура фона) в пироэлектрическом датчике повышается напряжение. Для того чтобы определить, движется ли объект, в датчике имеется оптическая система в виде линзы Френеля или система вогнутых сегментных зеркал.
Сегменты оптической системы (линзы или зеркала) фокусируют ИК-излучение на пироэлементе, выдающем при этом электроимпульс. По мере перемещения источника ИК-излучения оно улавливается и фокусируется разными сегментами оптической системы, что формирует несколько последовательных импульсов. При этом срабатывает реле.
В датчиках, используемых для управления освещением, обычно применяют твердотельные выключатели на основе тиристоров или симисторов. Мощность нагрузки, коммутируемая датчиком движения для управления освещением, порядка 500-1000 Вт. В сторожевых системах она и того меньше.
Можно ли обмануть датчик движения? Сенсор обнаруживает только изменения инфракрасного фона, то есть неподвижный объект не будет обнаружен. В одном детективе описано, как главный герой повествования обманул такой датчик и проник в охраняемое помещение, раздевшись практически догола и облившись водой комнатной температуры. Однако на практике успех такого мероприятия кажется сомнительным. Надежнее, пожалуй, надеть теплоизоляционный скафандр, наружная поверхность которого будет такой же, как и в помещении. Но и в этом случае человек в скафандре при своем перемещении может перекрыть излучение какого-то стационарного объекта. Общая панорама изменится, и датчик подаст сигнал тревоги.
А поскольку такие датчики стоят порядка 300–400 руб. или даже меньше, имеют небольшие размеры и массу, их применяют довольно часто. Достоинством такого детектора является и тот факт, что на выходе с сенсора мы получаем цифровой сигнал типа «да — нет». Пока движения нет, сигнальный контакт видит логическую единицу. Как только фиксируется движение, сигнальный контакт устанавливается в логический ноль на небольшой промежуток времени.
Схемы подключения датчиков движения.
Датчик подключается к управляющей электронике тремя проводами. При подключении к Arduino удобно использовать Troyka Shield, поскольку шлейф для подключения уже включен в комплект.
Иногда датчиками движения ошибочно называют еще и акселерометры. На самом деле акселерометры реагируют только на ускорение и не могут почувствовать прямолинейное равномерное движение.
В последнее время все чаще в системах автоматического управления освещением, охранной сигнализации, автоматизированных системах управления используют мультисенсоры. В таком датчике имеются сразу инфракрасный сенсор движения, фотоэлемент освещенности и ИК-приемник.