Устройство и принцип работы датчиков движения

Датчиком (сенсором, детектором) движения называется устройство, бесконтактно определяющее наличие движущихся предметов в зоне детектирования. Эти сенсоры в большинстве своем реагируют не на движение, а на появление новых объектов. Но название устоялось и широко применяется.

Области применения

Детекторы движения применяются в различных сферах автоматизации. В каждой области предпочтительны свои разновидности датчиков.

Системы охраны

Наиболее логичное применение детекторов движения – в системах охраны объектов. Датчик может обнаружить проникновение на охраняемую территорию или в помещение и подать сигнал тревоги или включить дополнительные устройства.

Включение дежурного освещения

В местах с нерегулярным пребыванием людей с помощью подобных сенсоров можно получить значительную экономию электроэнергии. К таким местам относятся подъезды жилых домов и производственных зданий, складские помещения и другие территории. Свет в них требуется включать лишь на время нахождения жильцов или персонала. Обнаружив движение, датчик генерирует сигнал на активацию осветительных приборов.

Системы «Умный дом»

В системах «Умный дом» для детекторов можно найти гораздо более широкую область применения, чем простое управление освещением. По сигналу от сенсора можно управлять системами отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха и другими инженерными системами. Режим работы изменяется в зависимости от наличия людей на контролируемой территории.

Разновидности сенсоров и технологии их работы

Сенсоры движения построены по разным принципам. Каждый вид датчиков движения имеет собственные плюсы и минусы, определяющие сферу применения приборов.

Инфракрасные датчики

Наиболее распространены датчики, улавливающие излучение ИК-диапазона. Относятся к пассивным сенсорам – контролируемое пространство не «подсвечивается» соответствующим сигналом. В простейшем случае состоит из двух линз, фокусирующих световое излучение (инфракрасное излучение имеет свойства света, хотя и невидимо невооруженным глазом) от двух зон контролируемого помещения. Направлены линзы так, что зоны не пересекаются между собой. В обычном режиме они получают излучение одинаковой интенсивности. Если в одной из зон появляется человек или другое теплокровное существо, уровень излучения возрастает, что «видит» один из датчиков – в чьей зоне находится объект. Схема сравнения видит разность интенсивности. При достижении определенного уровня генерируется сигнал тревоги.

На практике двух зон недостаточно для уверенной помехоустойчивой работы, и сектор обзора разбивается на большое число подсекторов с помощью нескольких линз. Фактически этот сенсор представляет собой датчик присутствия – он будет фиксировать нахождение человека, даже если он неподвижен. Недостатками такого прибора считают склонность к ложным срабатываниям из-за тепловых помех (струи нагретого воздуха, локальный нагрев вследствие изменения освещенности и т.п.).

Ультразвуковые детекторы

Принцип работы этого датчика движения основан на явлении эхолокации. Передатчик генерирует звуковые волны, неслышимые человеком. После серии посылок детектор переходит в режим приема. Если в секторе обзора нет движущихся объектов, то отраженный и вернувшийся к датчику ультразвуковой сигнал будет иметь ту же частоту, что и излученный. Если же сигнал отразится от движущегося предмета, то частота возвращенного ультразвука будет отличаться (эффект Доплера). Схема анализирует параметры и, при обнаружении движения, генерирует сигнал тревоги. Такой датчик более помехоустойчив за счет того, что он реагирует только на движущиеся предметы независимо от их природы и температуры. Но он неспособен обнаруживать медленно перемещающиеся предметы – они не будут сдвигать частоту в необходимых пределах.

Радиочастотные сенсоры

Эта разновидность датчиков также действует по принципу локатора, только работает на радиочастотах. Излучаемый сигнал должен иметь достаточно высокую частоту, чтобы обнаруживать предметы небольших габаритов. Эффект Доплера в таких условиях не используется – чтобы получить достаточный сдвиг, объекты должны перемещаться со скоростью, сравнимой со скоростью света. Поэтому сенсоры фиксируют только изменение интенсивности и также по факту являются датчиками присутствия. Такой детектор сработает при появлении (или исчезновении) в зоне объектов, отражающих сигнал независимо от того, движутся они или нет.

Плюсом является способность сигнала проникать через радиопрозрачные (деревянные, кирпичные и т.п.) стены и перегородки, поэтому их можно использовать для контроля больших помещений с несколькими комнатами. Минусом служит высокая стоимость устройства, а также невозможность детектирования предметов, не отражающих радиоволны. Еще одним ограничением к применению служит воздействие радиоизлучения на живые организмы. Уровень сигнала должен быть минимизирован.

Комбинированные системы

Для надежности можно объединять в одном сенсоре два или несколько принципов обнаружения нештатной ситуации. В охранных системах часто инфракрасный датчик комбинируют с детектором разбития стекла или акустическим реле. Это позволяет надежно зафиксировать несанкционированное проникновение в квартиру и избежать ложного срабатывания.

Другой вариант – комбинация сенсора движения и фотореле. Такая система при обнаружении человека включает свет в подъезде, но только ночью. Днем фотореле отключает детектор, чтобы не расходовать попусту электроэнергию в светлое время суток.

Популярностью пользуются камеры наружного наблюдения с датчиком обнаружения движения. Система включается лишь при попадании объекта в поле зрения комплекса. Этим достигается два преимущества:

• запись ведется только в нужные моменты, чем экономится место на устройстве хранения информации;
• облегчается просмотр и анализ записи из-за отсутствия необходимости просматривать длительные участки без событий.

Существуют и другие варианты комбинирования датчиков. Такой подход позволяет улучшить функционирование систем обнаружения объектов.

Параметры для выбора датчиков

Часть характеристик сенсора движения относится к любым приборам с питанием от электричества. Это степень защиты, напряжение питания, габариты, тип крепления и т.д. Но есть и специфические параметры, которые есть только у данной категории детекторов. Наиболее важно дать описание именно этих характеристик.

Угол обзора

Угол обзора зависит от конструкции сенсора. Потолочные датчики имеют диаграмму в 360 градусов и «видят» всю комнату.

Диаграмма настенных датчиков в силу конструкции имеет меньший угол раскрытия – от 120 до 180 градусов.

Непосредственно под датчиком находится зона невидимости. Злоумышленник может подкрасться к сенсору и повредить его, сделав систему обнаружения неработоспособной. Чтобы этого избежать, надо выбирать датчик с дополнительным сектором обзора – антиподкрадыванием или антивандалом.

Дальность обнаружения

Дальность действия зависит от конструкции сенсора. Но надо помнить, что расстояние, на котором сенсор может обнаружить движущийся объект, зависит от направления перемещения. Наибольшей чувствительностью большинство сенсоров обладают, если движение направлено по касательной к окружности, в центре которой стоит датчик (перпендикулярное расстояние). Наименьшей – если объект перемещается в направлении детектора (фронтальное или радиальное расстояние). В первом случае дальность будет больше. Для ультразвуковых приборов дело обстоит с точностью до наоборот. Это связано с различной степенью проявления эффекта Доплера при разном направлении движения. Производители не всегда указывают в характеристиках эту разницу, особенно для недорогих устройств. В спецификации можно найти одну цифру – и она на совести изготовителя.

В таблице приведено рабочее расстояние некоторых популярных сенсоров движения.

Тип устройства	Принцип работы	Заявленная дальность, м
ДД-024-W	Инфракрасный	6
Steinel US 360 COM2	Ультразвуковой	10 в радиальном направлении
MW32S Black	Микроволновый	6
MW03	Микроволновый	8
IEK ДД 008	Инфракрасный	12

Место использования

Место, где можно использовать оборудование, определяется, в основном, степенью защиты. В помещениях IP может быть минимально. На улице детекторы надо защищать от проникновения пыли и воды. Также на выбор места применения можно повлиять способ крепления.

Дополнительные функции

Для улучшения работы системы, повышения ее эффективности и исключения ложных срабатываний датчики могут иметь дополнительные функции. Уже упоминалось о фотореле, позволяющем выводить систему из работы в светлое время суток, а также о дополнительном сенсоре зоны подкрадывания. Но этим списком вспомогательные опции не исчерпываются.

Задержка отключения света

У датчиков, оборудованных реле освещенности, может иметься полезная функция. При исчезновении из поля зрения движущегося объекта освещение отключается не сразу, а с задержкой в несколько десятков секунд. Мизерный перерасход электроэнергии окупается удобством – человек может покинуть зону действия детектора, но не окончательно покинуть контролируемую зону. С помощью этой функции он сделает это не в темноте.

Защита от животных

Нередко несанкционированное срабатывание датчиков вызывают мелкие животные. При их появлении включение освещения излишне, как и реакция охраны. Поэтому в некоторые сенсоры изначально заложена нечувствительность к появлению небольших движущихся объектов. В инфракрасных датчиках эта функция выполнена в виде ограничения на минимальный размер теплового пятна.

Автономность

Если есть проблемы с организацией питания датчиков от бытовой электросети, хорошим выбором могут стать автономные устройства. Энергонезависимость обеспечивается за счет обычных батареек. Многие приборы от одного гальванического элемента работают по нескольку месяцев. В этом случае есть смысл выбирать сенсоры с беспроводной передачей сигнала – чтобы совсем избавиться от кабелей.

Детекторы движения являются универсальными приборами. На них можно строить различные системы охраны, предупреждения и регулирования. Возможно и нестандартное применение устройств – все ограничено только фантазией и инженерной смекалкой.