Tecnologie della rilevazione

Sensore a infrarossi passivo

Un sensore ad infrarossi passivo (PIR sensor, acronimo di Passive InfraRed) è un sensore elettronico che misura i raggi infrarossi (IR) irradiati dagli oggetti nel suo campo di vista. Questi sensori sono molto usati come rilevatori di movimento.

Principi di funzionamento

Tutti gli oggetti con temperatura superiore allo zero assoluto emettono energia sotto forma di radiazioni luminose. La maggior parte delle volte queste radiazioni sono invisibili all’occhio umano, poiché a frequenza inferiore a quella della luce dello spettro visibile, ma possono essere rilevate tramite specifici dispositivi elettronici progettati a tal scopo.

Il termine passivo si riferisce al fatto che i PIR non emettono energia in nessuna forma ma lavorano esclusivamente rilevando l’energia sprigionata dagli oggetti.

Costruzione

Le radiazioni infrarosse vengono acquisite tramite la parte frontale del sensore, chiamata ‘faccia del sensore’. All’interno di un PIR è presente un sensore o una serie di sensori, fatti con materiali piroelettrici – materiali che generano energia se esposti a calore. Solitamente, tali sensori interni sono grandi approssimativamente 40 mm2 ed hanno la forma di piastrine sottilissime. I materiali comunemente usati nei sensori PIR includono nitruro di Gallio (GaN), nitrato di Cesio (CsNO3) e polivinilfluoruro. Il sensore è spesso fabbricato come parte di un circuito integrato.

Rilevatori di movimento basati sui PIR

Un rilevatore di movimento che implementa i PIR, è usato per rilevare il movimento di persone, animali, o altri oggetti. Sono spesso usati in antifurti e sistemi di illuminazione automatizzati. Sono comunemente chiamati “PIR” o, qualche volta, “PID”, acronimo di ‘passive infrared detector’.

Funzionamento

In pratica, un sensore PIR non rileva autonomamente un movimento; tuttavia, rilevano brusche variazioni di temperatura che modificano lo stato che il PIR aveva “memorizzato come normale”. Quando qualcosa o qualcuno passa di fronte a uno sfondo, ad esempio un muro, precedentemente “fotografato” dal PIR come stato normale, la temperatura in quel punto si innalza bruscamente, passando dalla temperatura della stanza a quella del corpo. Questo rapido cambiamento attiva il rilevamento. Lo spostamento di oggetti di temperatura identica, com’è prevedibile, non innesca alcuna rilevazione.

I PIR possono possedere più sensori al loro interno così che, con le appropriate aggiunte elettroniche, si possa ricavare, dal rilevamento sequenziale dei sensori, la direzione del movimento. In tal modo si riducono falsi allarmi o semplicemente per raccogliere informazioni su direzioni di movimento di un apparato di monitoraggio.

I PIR sono disponibili in molte configurazioni per una gran varietà di applicazioni diverse. I più comuni sono quelli che implementano le cosiddette lenti di Fresnel, o lenti a specchio, con un range di rilevamento di, al massimo, 10-12 metri e un campo che può arrivare a 300 gradi. Esistono anche modelli con un angolo di 360 gradi che vengono solitamente applicati al soffitto. Alcuni PIR, più grandi, sono in grado di rilevare variazioni di temperatura fino a circa 30 metri. Altri PIR sono stati progettati con sensori schermabili al fine di modellare il campo di rilevamento.

Rilevamento differenziale

Alcuni PIR vengono costruiti con coppie di sensori collegati in ingresso ad amplificatori differenziali. Ciò consente al dispositivo di resistere a false indicazioni di cambiamento dovute al rilevamento di istantanei lampi di luce o alla larghezza dal campo. Inoltre, così vengono minimizzati i disturbi agenti sul dispositivo, derivanti da campi elettrici vicini.

Progettazione

Il sensore PIR è tipicamente montato su un circuito stampato con l’elettronica necessaria ad interpretare i segnali dal sensore stesso. Il gruppo completo è contenuto all’interno di un involucro, montato in una posizione dalla quale il sensore può coprire un’area da monitorare. Gli involucri sono solitamente finestre di plastica attraverso le quali la radiazione infrarossa può entrare. Nonostante sia di materiale traslucido alla luce visibile, la radiazione infrarossa è in grado di raggiungere il sensore perché la plastica utilizzata è fatta con materiali trasparenti alla radiazione infrarossa. La finestra di plastica riduce la possibilità che corpi estranei (polvere, insetti, ecc) oscurino il campo di vista del sensore, danneggino il meccanismo e/o causino falsi allarmi. La finestra può essere utilizzata come filtro per limitare le lunghezze d’onda di 8-14 micrometri, che è più vicina alla radiazione infrarossa emessa dal corpo umano. Essa può anche servire come un meccanismo di messa a fuoco.

Applicazioni antifurto

Quando usato come parte di un antifurto, viene tipicamente implementata l’elettronica del PIR atta a controllare un piccolo relè. Il sistema di solito è progettato in modo tale che, se non viene rilevato il movimento, il contatto del relè è chiuso. Se viene rilevato un movimento, il relè si apre, facendo scattare l’allarme.

Posizionamento

I produttori consigliano un attento posizionamento dei loro prodotti per evitare falsi allarmi (rilevazioni non causate da un intruso). Essi suggeriscono un montaggio dei PIR in modo tale che non abbiano la possibilità di rilevare movimenti al di fuori della zona che si vuole monitorare: ad esempio, fuori da una finestra. Sebbene la lunghezza d’onda della radiazione infrarossa a cui i chip sono sensibili non penetri facilmente il vetro, una forte sorgente infrarossa (ad esempio la luce solare) può sovraccaricare il sensore e causare un falso allarme. Raccomandano, inoltre che non si collochi il PIR in posizione prossima a un sistema di riscaldamento (condizionatore): anche se l’aria ha un’emissione di infrarossi molto bassa, l’aria che soffia sull’involucro di plastica del PIR potrebbe cambiare la temperatura dello stesso fino far scattare un falso allarme.

(fonte: wikipedia.org)

 

Rivelatore a Microonda

I Sensori di Rilevamento di un Impianto Antintrusione, rappresentano elementi di primaria importanza di una Centrale di Allarme. Facendo un paragone con il corpo umano, svolgono lo stesso ruolo di quegli organi tramite il quale, il cervello umano acquisisce dati dall’esterno, in modo da elaborarli, ed infine risponde ad essi in base al tipo di informazione acquisita.  Ma visto che la Centrale di Allarme deve effettuare un operazione di “controllo”, i suoi  ”sensi” devono essenzialmente acquisire informazioni di movimento e/o di spostamento di oggetti e/o persone nell’intorno del sensore stesso.

Nel caso di Sensori Volumetrici (PIR, a Microonda, a Doppia Tecnologia) l’informazione è ottenuta sfruttano principi legati alle onde elettromagnetiche, ed in particolare a quelli legate alle Microonde e/o agli Infrarossi. Anche altri sensori  sfruttano tali principi (Barriere a microonde), mentre altri fanno riferimento ad onde di vibrazione che si propagano in un materiale sotto controllo.

Analizzeremo qui i principi legati alle Microonde.

Una Microonda è un radiazione elettromagnetica (natura ondulatoria e corpuscolare) la cui forma d’onda dipende dal dispositivo che l’ha emessa. In genere, considerando lo spettro delle radiazioni, vengono definite “microonde” radiazioni che presentano una lunghezza d’onda  che va da 1mm a 10cm (ossia quelle che hanno frequenze compresa tra 3GHz a 300GHz). Di seguito viene mostrata un onda elettromagnetica (TEM).

Qui si  mostra la definizione della lunghezza d’onda dell’onda, e si mostra la relazione che lega tale grandezza alla frequenza dell’onda e alla velocità della luce. In particolare, l’onda presenta una velocità di propagazione (nel vuoto) che è pari a c ( velocità della luce).

Vediamo come tali radiazioni vengono utilizzate nei sensori volumetrici.

In genere  tale radiazione viene emessa da un generatore ad alta frequenza posto sulla scheda elettronica. Un esempio è l’utilizzo del  Diodo Gunn come emettitore (e che può essere usato anche come ricevitore) . Il Diodo Gunn è composto da un semiconduttore (Arseniuro di Gallio) a due terminali, drogato  con materiale di tipo N (impurità che presentano un maggior numero di elettroni di conduzione). Esso presenta due zone drogate in modo pesante (N+)  vicino ai terminali, mentre in modo debole nel centro. Per tutta una serie proprietà legate alla meccanica quantistica,  applicando una tensione continua, si genera una radiazione a microonde. Tali radiazioni si distribuiscono nelle vicinanze del sensore.

Per quanto riguarda le tecniche di rilevazione, esse possono essere diverse.

La tecnica tradizionale cerca di saturare l’ambiente sotto controllo impiegando una certa quantità di energia e mantenendo quindi una situazione di equilibrio nell’ambiente. Tale “riempimento” si verifica in fase di accensione del sensore. Nel momento in cui  si registra una variazione di questo stato di equilibrio di energia (movimento all’interno dell’area), il circuito cerca di ripristinare questo stato di quiete immettendo maggior energia, richiedendo un maggior consumo. In questo caso viene rilevata l’intrusione.

Un’altra tecnica è quella che sfrutta l’effetto Doppler.  In questo caso si ha un trasmettitore ed un ricevitore a bordo del sensore.

Il principio base è il seguente.

Il sensore emette la radiazione. La radiazione raggiunge un oggetto. L’oggetto riflette  parte del segnale. Se l’oggetto è fermo, il segnale di ritorno verso il sensore, presenta la stessa frequenza. Ma se l’oggetto si muove lungo la congiungente tra sensore e l’oggetto, cosa accade?.  Effetto doppler.

Ossia, poiché le radiazioni  viaggiano alla velocità della luce nel vuoto, entra in gioco la teoria relativistica, e si considerano le trasformazioni di Lorentz per descrivere tale fenomeno. Ossia si considera il fatto che l’oggetto è in movimento, e che la nuova sorgente di radiazioni (radiazioni riflesse prodotte “dall’oggetto” che è in movimento) invia verso il sensore una radiazione che presenta delle caratteristiche leggermente diverse… la frequenza è “leggermente” cambiata rispetto a quella emessa dal sensore!! In particolare, se l’intruso (“l’oggetto”) si muove verso il sensore , la frequenza della radiazione che ritorna è  più alta, mentre se l’intruso si allontana, è più bassa.

Questa tecnica permette anche di discriminare alcuni falsi allarmi: nel caso di applicazioni all’esterno, permette di distinguere situazioni dovuti ad oscillazioni di  rami e foglie di un albero, da una vera intrusione.

Uno degli aspetti da considerare durante la scelta e l’installazione di un volumetrico e che riguardano l’aspetto delle microonde è la frequenza. Questo perché le microonde hanno la capacità di attraversare muri, porte, … . Ma questo dipende dalla frequenza che a sua volta dipende dalla lunghezza d’0nda dell’onda.  Più uso frequenze più alte,  più la lunghezza d’onda diminuisce, e più la microonda perde questa capacità. Questo è un bene se dobbiamo controllare una stanza e non ciò che è esterno ad essa. E’ vero anche che sensori a doppia tecnologia sfruttano la combinazione  degli infrarossi e della microonda. Ma nel caso della possibilità di metterli in OR (ossia ho un allarme se almeno una delle due tecnologie va in allarme) è bene sempre considerare tale aspetto.

(fonte: https://blog.atik.it)

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