A fény a 380 nm-től 780 nm-ig terjedő, látható tartományú elektromágneses sugárzásnak fényérzetet létrehozó hányada, ugyanis az emberi szem különböző érzékenységgel reagál az eltérő hullámhosszúságú sugárzásokra. Ennek mértékét fejezi ki a láthatósági tényező, vagy spektrális fényhatásfok, amelynek hullámhossz szerinti eloszlása a V(λ) vagy láthatósági függvény.
Az emberi szem érzékelését világosban látás esetére a V(λ) görbéje (folytonos vonal); sötétben látás esetére a V’(λ) görbe (szaggatott vonal) mutatja.
A rövidebb hullámhosszúságú, 100 nm – 380 nm-es tartomány az ultraibolya (UV), a 780 nm-től 1 mm-ig terjedőt pedig infravörös (IR) sugárzásnak nevezik
Az optikai sugár tengelyén áthaladó valamely síkra illeszkedő azon két képzeletbeli egyenes egymással alkotott hajlásszöge, amelyek a lámpa elülső felületének középpontját összekötik azokkal a pontokkal, amelyekben a fényerősség a középponti sugárerősség 50 %-a (0,5*Imax), ahol a középponti sugárerősség a fényerősségnek az optikai sugár tengelye mentén mért értékét jelenti. A sugárzási szög fogalma az alábbi ábrával szemlélthető.
A lámpatestek és egyes fényforrások fényeloszlását részletesen a fényeloszlási görbékkel adják meg. A teljes fényeloszlás egy olyan térbeli testtel jellemezhető, amelynek a felületét úgy kaphatjuk meg, hogy a tér egyes irányaiba mutató és az abba az irányba kibocsátott fényerősség nagyságával arányos hosszúságú vektorok végpontjait összekötjük. A fényeloszlási görbék ennek a térbeli testnek az egyes síkmetszetei. A fényeloszlás megadására a legáltalánosabban használt rendszer az úgynevezett C-gamma koordináta rendszer. Ebben a rendszerben az egyes síkok egy egyenesben, a lámpatest optikai tengelyében metszik egymást. A C síkok helyzetére a lámpatest keresztirányú tengelyétől számított szög jellemző, a gamma szögek pedig az adott C síkban az optikai tengely és a kérdéses irány között bezárt szögek. (Az A-alfa és B-béta koordinátarendszereket ritkán használják, az egyes síkok itt a lámpatest hossz-, ill. keresztszimmetria tengelyében metszik egymást.) A C-gamma koordinátarendszert az alábbi ábra szemlélteti.
Mi az a mozgásérzékelő?
A passzív infravörös, vagy "PIR" szakkifejezés gyakran kötődik a mozgásérzékelők technológiájához, melyek működése tulajdonképpen az emberi test hő kibocsátásának érzékelésén alapul. A passzív infravörös érzékelők napjainkban népszerűek pl. a világítás automatikus működtetésére, használhatóak riasztó berendezések érzékelőiként, vagy akár ajtók, kapuk kinyitásához is. De a gyakorlati jellemzőik megismerése előtt lássuk, hogy pontosan mi is a működésük alapja.
Elméleti alapok
Az infravörös sugárzás valójában olyan elektromágneses sugárzás, melynek hullámhossz tartománya a látható fény hullámhossz tartományán kívülre, 700nm és 300µm közé esik. Fontos, hogy infravörös sugárzást minden élőlény és az azokat körülvevő tárgy egyaránt kibocsájt. Az infravörös (PIR) érzékelők lelke tulajdonképpen egy fotoelektromos szenzor, mely átmenetileg feszültséget generál az infravörös sugárzás változása esetén. Az infravörös sugárzás állandósulása esetén, a generált feszültség megszűnik. A pontosabb és hatékonyabb működés érdekében egy Fresnel lencsét (lásd: 1. ábra) helyeznek az érzékelő elé, mely segít a téves kapcsolások megelőzésében, egyenletesebbé teszi a szenzor érzékenységét, valamint kiterjeszti az érzékelés látószögét.
A szenzor elé helyezett Frenel lencse egymástól kis távolsággal eltolt legyező formák sorozatához hasonlítható alakban terjeszti ki a szenzor érzékelési tartományát (lásd: 1. ábra). A zónák (legyező formák) között fellépő mozgást a szenzor felhasználói jelenlétként értelmezi. A szenzor az egyes zónák közötti oldalirányú mozgásra, illetve teljes alakos mozgásra a legérzékenyebb, egészen akár 12m-ig. A diszkrétebb mozgások, mint pl. kézmozdulatok esetében azonban már lényegesen kisebb, csak 3m körüli megközelítési érzékenységre lehet számítani (lásd: 2. ábra).
1. ábra: Fresnel lencse
2. ábra
Előnyök
Az infravörös érzékelőket mozgásérzékelőként már régóta alkalmazzák a magasfokú megbízhatóságuk miatt, ami főként a téves kapcsolások elkerülésére vonatkozik. Egyéb más érzékelőkkel szemben (mint pl. ultrahangos szenzorok), a légáramlatok nem befolyásolják a működésüket. A passzív működés miatt, az infravörös mozgásérzékelők energia fogyasztása rendkívül alacsony, ezért pl. alkalmasak akkumulátoros üzemre is.
Hátrányok
Az előnyös tulajdonságok mellett, az infravörös mozgásérzékelőknek van azért néhány megfontolandó hátrányos tulajdonságuk is. Legfontosabb, hogy az érzékelőnek akadálytalanul kell látnia a megfigyelt területet, azaz semmilyen tárgy nem kerülhet elé, ami esetleg zavarná a kilátásban. Természetesen nem képesek különbséget tenni pl. egy ember és egy kisállat között sem. Emellett a megfigyelt területen előfordulhatnak olyan holtterek, ahol az érzékelő nem képes a mozgás észlelésére. Továbbá nem képesek az észlelt felhasználó távolságának meghatározására sem.
Történeti áttekintés
A '60-as évek végén növekvő igény mutatkozott a térfogat mérésekhez használható biztonságtechnikai érzékelőkre, melynek kapcsán az ultrahangos és mikrohullámú mozgásérzékelők alternatíváiként, egyéb érzékelési módok kerültek a kutatások előterébe. A passzív infravörös érzékelők a költségek csökkentése és a kevesebb téves riasztás szempontjából ígéretesnek tűntek, de további 10 évre volt szükség ezen célok tényleges eléréséhez.
A technológia alapjai egyrészről a kaliforniai Optical Coating Laboratory vállalatnál kerültek kifejlesztésre, mely cég érintkező mentes hőmérséklet mérő (piroelektromos) eszközök fejlesztésére specializálódott, másrészről pedig a Barnes Engineering vállalatnál, akik katonai infravörös eszközök fejlesztésében tevékenykedtek.
Herbert Berman-t illeti az elismerés, aki 1970-ben feltalálta azt a fémgőzölt műanyagból készült szegmentált tükröt, ami térbeli modulációhoz hatékonyan felhasználható optikai eszköznek bizonyult és így alkalmassá vált a megfigyelt területen áthaladó felhasználó által generált jel felfogására. A térbeli moduláció alapelvének megtalálása, más szóval különálló érzékelési zónák létrehozása, kulcsfontosságú volt a passzív infravörös érzékelők gyakorlati alkalmazásában.
Az USA-ban a Barnes Engineering vállalatnál Frank Schwartz igazi úttörőként elsőként alkalmazott differenciál érzékelőket. Európában Heimann kínált a piacon elsőként olyan betörésjelző rendszert, amely a térbeli moduláció elvén működő piroelektromos érzékelőket használt.
1975-ig kevés olyan passzív infravörös érzékelőkkel működő riasztórendszer volt a piacon, amit ezerszámra gyártottak volna.
A PIR érzékelők a kis hőmérséklet változások érzékelése érdekében mindig használnak hőmérséklet érzékelőket. Berman erre a célra termisztorokat használt, melyek sokkal több jelet produkáltak , mint egyéb más hőelemek.
A téves riasztások száma elég magas volt a termisztorok instabilitása, illetve az alkalmazott erősítő áramkörökben fellépő zaj miatt. A problémákra a megoldást Berman második szabadalma hozta, melyben olyan kétcsatornás rendszert alkalmazott, ami csak akkor ad jelet, amikor mindkét csatorna egyszerre produkál jelet. Ez a drágább, de megbízható módszer gyakran volt használatos a '80-as évek elejéig, magas fokú megbízhatóságú riasztó rendszerek érzékelőinél.
Már a kezdetekkor felismerésre került, hogy az elektromágneses interferencia téves riasztásokat okozhat, éppen ezért a passzív infravörös érzékelők bemenő áramköreit árnyékolással és szűrőkkel látták el. Később sajnos néhány gyártó megfeledkezett ennek fontosságáról és emiatt az általuk gyártott olcsó érzékelők nem voltak megbízhatóak és meglehetősen negatív hatással voltak a PIR érzékelők hírnevére.
Felhasználás
Mint ahogy már korábban szót ejtettünk róla, a PIR érzékelők leggyakrabban pl. világítás automatikus működtetésére, riasztó berendezések érzékelőiként, vagy akár ajtók, kapuk kinyitásához használatosak.
Világítási alkalmazásoknál manapság népszerűek pl. a PIR érzékelőkkel egybeépített kültéri lámpatestek. Beltéren leggyakrabban irodaházak, ipari létesítmények, vagy akár vendéglátó helyek folyosóinak, mellékhelyiségeinek a világítását működtetik PIR érzékelőkkel.
Világítási alkalmazások esetében a kényelmi megfontolások mellett a mozgásérzékelőket elsősorban az energia felhasználás csökkentése érdekében építik be, ugyanis sok esetben a felhasználók észre sem veszik, hogy a világítás feleslegesen akkor is be van kapcsolva, ha az adott helyiségben nem tartózkodik senki. Mivel az érzékelők a felhasználókkal ellentétben biztosan nem felejtik el lekapcsolni a világítást, így alkalmazásukkal akár jelentős energia költség takarítható meg.
Irodai világítás működtetése esetén joggal merülhet fel olyan igény is, hogy az érzékelőnek nemcsak a nagyobb, pl. egészalakos mozgásokat kellene érzékelnie, hanem kisebb mértékű, akár pl. apróbb kézmozdulatokat is. (pl. ülő munkát végző személy). Ez esetben egy nagyobb érzékenységű PIR érzékelőre, ún. jelenlét érzékelőre van szükség, ami képes az egészen apró mozdulatok érzékelésére is. Nyilvánvalóan nem lenne elfogadható, hogy a világítás folyamatos biztosítása érdekében a felhasználóknak pl. fel kelljen állni az asztaltól. Az ilyen jellegű ülő tevékenység megfigyelésére csak a jelenlét érzékelők képesek.
Vásárlási útmutató
Mozgásérzékelő vásárlásakor számos szempontot kell figyelembe vennünk annak érdekében, hogy a feladatra legjobban alkalmas érzékelőt válasszuk ki.
Ha pl. az érzékelőt kültérre szereljük, mindenképpen olyan érzékelőt érdemes választanunk, mely az UV sugárzásnak ellenáll. Az esztétikai indokok mellett ez a kérdés elsősorban azért fontos, mert amennyiben az érzékelőbe szerelt Fresnel lencse nem UV stabil anyagból készül, a lencse idővel veszít a fényáteresztő képességéből, melynek következtében a korábban beállított megvilágítási küszöb érték megváltozik és az érzékelő esetlegesen nappali viszonyok között is működtetni fogja a világítást. Az UltraTech® mozgásérzékelők mindegyike UV stabil Fresnel lencsével és műanyag házzal készülnek, kiküszöbölve ezzel a fent leírt problémát.
Kültéren az UV stabilitás mellett az érzékelő idegen testekkel (pl. por) és nedvesség behatolásával szembeni védettsége (IP) is nagyon fontos. Az UltraTech® kültérre szánt mozgásérzékelői IP44-es védettségűek, mely por elleni és freccsenő víz elleni védettséget is jelent, tehát a poros környezet mellett, akár eső is érheti az érzékelőt.
Fontos, hogy a megvásárolni kívánt érzékelőn be tudjuk állítani, hogy milyen megvilágítási viszonyok esetén legyen aktív az érzékelő, illetve hogy a mozgás észlelése esetén milyen hosszú ideig működtesse pl. a világítást. Az UltraTech® érzékelői esetében mindkét érték előre beállítható. A megvilágítási küszöbérték 3-2000 lux közötti, míg a késleltetés ideje típustól függően 10 másodperc és 30 perc közötti értékekre állíthatóak be.
A működési paraméterek tekintetében nem utolsó sorban további fontos szempont a kapcsolási érzékenység, azaz, hogy milyen megközelítési távolság esetén képes a szenzor a felhasználó mozgását, illetve jelenlétét érzékelni. A 3. ábra példaként az UltraTech® termékkínálatában elérhető, UT-PS141WH típusjelű kombinált mozgás és jelenlét érzékelésre is képes érzékelőjének működését mutatja be. Ahogy az az ábrán jól látszik, az érzékelő a keresztirányú mozgásra a legérzékenyebb, azaz amennyiben a felhasználó a megfigyelt terület legkülső "A" érzékelési zónáját keresztezi, úgy az érzékelő ezt a mozgást képes a legtávolabbról észlelni. Amennyiben a felhasználó az érzékelő felé közelít, úgy az észlelési terület nagysága a "B" méretűre csökken. Ha egészen apró, pl. kézmozdulatok megfigyelése a cél, mint pl. ülő munka, az érzékenység a "C" területre korlátozódik. A tényleges érzékelési távolságok az 1. számú táblázatban láthatóak.
3. ábra
1. táblázat
A PIR érzékelők általában igen gyakori igénybevételnek vannak kitéve, pl. bevásárló központok mellékhelyiségeiben, stb. Éppen ezért fontos szempont, hogy az érzékelők élettartamuk során minél több ki-be kapcsolási ciklust legyenek képesek teljesíteni. Az UltraTech® összes mozgásérzékelője 100 000 ki-be kapcsolás teljesítésére képesek, mely rendkívül hosszú idejű élettartamot eredményez.
A jelenlét érzékelő és az infravörös mozgásérzékelő azonos fizikai elven, az infravörös technológia elvén működnek. A különbség csak annyi, a jelenlét érzékelőnek nagyobb a kapcsolási érzékenysége. Ezáltal alacsonyabb sebességű és intenzivitású mozgást is (pl. kézmozdulatok) képes érzékelni. Ennek köszönhetően alkalmazása széleskörű (pl.: irodákban, mosdókban és minden olyan helyiségben, ahol alacsonyabb sebességű és intenzivitású mozgás érzékelése szükséges).
Az ábra az UltraTech® termékkínálatában elérhető, UT-PS141WH típusjelű kombinált mozgás és jelenlét érzékelésre is képes érzékelőjének működését mutatja be. Ahogy az az ábrán jól látszik, az érzékelő a keresztirányú mozgásra a legérzékenyebb, azaz amennyiben a felhasználó a megfigyelt terület legkülső "A" érzékelési zónáját keresztezi, úgy az érzékelő ezt a mozgást képes a legtávolabbról észlelni. Amennyiben a felhasználó az érzékelő felé közelít, úgy az észlelési terület nagysága a "B" méretűre csökken. Ha egészen apró, pl. kézmozdulatok megfigyelése a cél, mint pl. ülő munka, az érzékenység a "C" területre korlátozódik. A tényleges érzékelési távolságok az alábbi táblázatban láthatóak.
