Sensori piroelettrici a infrarossi per la sicurezza

sensori piroelettrici a infrarossi o Pir (Pyroelectric Infrared) sono ampiamente utilizzati per lo sviluppo di un gran numero di progetti in ambito commerciale e domestico che prevedono il rilevamento del movimento: sistemi di sicurezza e di illuminazione smart sono alcuni esempi tipici. Componente critico, benchè di ridotte dimensioni, il nucleo del sensore è un elemento di rilevamento alloggiato in un contenitore metallico circolare ermeticamente sigillato. Solitamente esso è montato su una scheda Pcb di ridotte dimensioni insieme al circuito di supporto. Sulla parte esterna è presente una lente di Fresnel in plastica, solitamente montata sul contenitore principale, progettata in modo da soddisfare uno specifico criterio di rilevamento, come ad esempio angoli di rilevamento nel piano x/y, pattern di rilevamento e distanza. L’aspetto più critico di questo sensore, utilizzato in migliaia di installazioni di allarme e di sicurezza, è quello legato alle prestazioni in fase di rilevamento. Un sensore Pir deve essere in grado di rilevare in maniera affidabile i movimenti che si verificano all’interno dell’area di rilevamento, scartare tutti le rilevazioni false e integrare funzionalità di auto-diagnostica (self-check) in grado di segnalare al sistema di allarme principale che un test diagnostico non è andato a buon fine. L’installazione di sensori che non soddisfano i requisiti tipici di un sistema di sicurezza e allarme professionale non solo potrebbe rappresentare un inconveniente per coloro che si trovano all’interno di un ufficio che i sensori stessi dovrebbero proteggere, ma potrebbero anche comportare sanzioni comminate dai servizi di emergenza per le false chiamate. Ciò si traduce in un danno per l’immagine sia dell’installatore del sistema di allarme sia del produttore del sensore. Inoltre bisogna anche prendere in considerazione le normative ma prima di esaminare questo aspetto è utile analizzare il comportamento del sensore.

Il comportamento dei sensori Pir

L’estremità superiore del contenitore sigillato prevede due fessure rettangolari realizzate con un materiale che permette il passaggio della radiazione infrarossa. Dietro queste fessure si trovano due elettrodi a infrarossi bilanciati: uno produce un’uscita positiva e l’altro un’uscita negativa. Quando non vi è nulla da rilevare ciascun sensore riceve la medesima quantità di radiazione infrarossa che viene irradiata dalla struttura (ad esempio i muri delle stanze) e non produce alcune segnale di uscita (Fig. 1). Nel momento in cui si verifica il passaggio di una sorgente di energia a infrarossi, come ad esempio una persona o un animale, il primo elettrodo del sensore fornisce un segnale di uscita e nel momento in cui la sorgente continua a muoversi, il secondo elettrodo del sensore produce un altro segnale di uscita. A causa dell’impulso dei segnali (positivi e negativi) così generati, il pin di uscita del sensore sarà impostato sullo stato logico alto. Un esempio di sensore di questo tipo è il dispositivo IRA-S210ST01 di Murata. Questo dispositivo a tre pin può operare con tensioni di alimentazione comprese tra 2 e 15 Vdc e integra un dispositivo Jfet. Questo transistor, caratterizzato da livelli di rumore molto bassi, è utile per adattare l’impedenza delle uscite dell’elettrodo e garantire adeguati livelli logici di uscita. Il campo visivo, ovvero il massimo angolo sotto il quale entrambi gli elettrodi possono vedere lo stesso oggetto, è pari a 45°. Tra le altre caratteristiche di rilievo da segnalare l’elevata immunità in presenza di sorgenti esterne di rumore come vibrazioni e interferenze prodotte da radio frequenza.

La conformità agli standard

I progettisti di sistemi di sicurezza e di allarme devono garantire la conformità con numerosi standard riconosciuti a livello internazionale per poter commercializzare i loro prodotti: uno di questi, l’En50130, definisce in maniera specifica i criteri relativi al test di rilevamento che i prodotti destinati ad applicazioni di sicurezza devono superare. Lo standard En50131, in particolare, definisce i criteri relativi ai rilevatori Pir. La conformità ai requisiti che riguardano la compatibilità elettromagnetica, che fanno riferimento allo standard En61000, rappresenta uno dei test più impegnativi dal punto divista tecnico per i rilevatori Pir. Questo standard stabilisce infatti i livelli dei segnali interferenti wireless e di rumore bianco che il sensore deve essere in grado di “respingere” per poter essere utilizzato nei sistemi di sicurezza professionali. Lo standard En50131-2-2 definisce un gran numero di criteri utili per stabilire le prestazioni, come ad esempio il “walking test” che permette di verificare il funzionamento del sensore e l’area di copertura, dare le dimensioni fisiche dell’oggetto in movimento e la temperatura di cinque differenti punti del corpo distribuiti su tutta l’altezza (dalla testa ai piedi). Altri test si occupano dell’immunità del sensore in presenza di funzionamenti anomali e al numero di auto-diagnosi che il sensore deve eseguire per verificare la correttezza del proprio funzionamento. In queste operazioni sono comprese il rilevamento di qualsiasi tentativo di manomissione o di intrusione all’interno dell’alloggiamento del sensore. I collaudi di immunità includono i test pass/fail quando il rilevatore è esposto a flussi forzati di aria calda, la reiezione di una sorgente di luce visibile e l’assenza di reazione in presenza di una luce fluorescente o di fari di un’automobile. Sebbene non faccia espressamente parte dei compiti di un progettista elettronico, anche il design della lente è, nel suo complesso, un elemento fondamentale nello sviluppo del sensore nel suo complesso. Sfruttando il concetto alla base della lente di Fresnel, che di fatto concentra la luce e mostra un’area di maggiori dimensioni al sensore, come mostrato in Fig. 3, è possibile adattare l’area e il pattern di rilevamento in modo da soddisfare le esigenze di applicazioni specifiche. L’aspetto innovativo nel progetto della lente è rappresentato dal fatto di suddividere un’area di rilevamento di grandi dimensioni in un certo numero di aree di dimensioni minori utilizzando più lenti di Fresnel.

La scheda di valutazione

Nel momento in cui ci si appresta allo sviluppo di un progetto che prevede l’uso di un sensore Pir è utile prendere in considerazione un sensore un grado di fornire un’uscita analogica. Un approccio di questo tipo assicura la massima flessibilità per quanto riguarda lo sviluppo dello stadio di amplificazione e l’integrazione di differenti filtri utilizzati per l’elaborazione del segnale. La disponibilità di una scheda di valutazione, inoltre, contribuisce a semplificare le fasi di creazione, prototipazione e collaudo di un progetto e che precedono l’approvazione finale. Nel caso del dispositivo di rilevamento Pir, Murata propone la scheda di valutazione IMX-037-80. La scheda comprende un circuito di amplificazione per un’uscita analogica che fornisce un guadagno di 80 dB con un filtro passa-basso a 1,46 Hz e un filtro passa-alto a 0,48 Hz e un circuito comparatore che fornisce un’uscita digitale. I sistemi di allarme/sicurezza devono integrare un dispositivo di rilevamento Pir professionale per garantire un funzionamento affidabile e sicuro. La scelta di un sensore Pir in grado di rispettare, se non addirittura superare, i requisiti previsti dai vari standard è un elemento di importanza fondamentale per il buon esito del progetto.

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