CS236553B1

CS236553B1 - Pyro-electric deteector of infra-red radiation

Info

Publication number: CS236553B1
Application number: CS834673A
Authority: CS
Inventors: Antonin Glanc
Original assignee: Antonin Glanc
Priority date: 1983-06-24
Filing date: 1983-06-24
Publication date: 1985-05-15
Also published as: CS467383A1

Abstract

Pyroelektrický detektor je určen především k rozlišování pohybujících se zdrojů infračerveného záření od nepohyblivých objektů. Čidlo 1 pyroelektrického detektoru je · připojeno prostřednictvím impedančního převodníku 2 k elektronickému zařízení, jež obsahuje na vstupu dva v sérii zařazené zesilovací stupně 4, 5 a na výstupu detektor elektrických impulsů s dvoustavovým signalizačním ústrojím 7. Pyroelektrický detektor je vybaven kombinací čidla 1 z keramického polykrystalického materiálu s komparátorem 6 o nastavitelné' prahové citlivosti, jenž je zařazen mezi druhý zesilovací stupeň 5 a detektor elektrických Impulsů. Mezi Impedančním převodníkem 3 a prvním zesilovacím stupněm 4, jakož 1 mezi oběma zesilovacími stupni /4, 5/ jsou zřízeny kapacitní vazby 8, 9.The pyroelectric detector is intended primarily for distinguishing moving sources of infrared radiation from stationary objects. The sensor 1 of the pyroelectric detector is connected via an impedance converter 2 to an electronic device which contains at the input two series-connected amplification stages 4, 5 and at the output an electrical pulse detector with a two-state signaling device 7. The pyroelectric detector is equipped with a combination of a sensor 1 made of ceramic polycrystalline material with a comparator 6 of adjustable threshold sensitivity, which is connected between the second amplification stage 5 and the electrical pulse detector. Capacitive couplings 8, 9 are established between the impedance converter 3 and the first amplification stage 4, as well as between the two amplification stages /4, 5/.

Description

Vynález se týká pyroelektriekého detektoru infračerveného záření, se zvláštním zřetelem k rozlišování pohybujících se zdrojů infračerveného záření od nepohyblivých objektů.The present invention relates to a pyroelectric infrared detector, with particular reference to distinguishing moving infrared radiation sources from stationary objects.

Pro detekci infračerveného záření se používají aktivní i pasivní detektory. Aktivní detektory potřebují pro svou funkci zdroj záření, který je umístěn v zorném poli- čidla tak, aby vyzařovaná energie v infračervené· oblasti trvale aktivovala detektor. Přeruší-li se kontinuální tok energie, např. průchodem osoby, průjezdem vozidla apod., následné elektronické obvody oznámí změnu stavu.Active and passive detectors are used to detect infrared radiation. Active detectors need a radiation source that is located within the field of view of the sensor so that the radiated energy in the infrared range permanently activates the detector. If the continuous flow of energy is interrupted, eg by the passage of a person, the passage of a vehicle, etc., the subsequent electronic circuits will announce a change of state.

Nevýhodou aktivních detektorů infračerveného záření je jejich závislost na trvalé dodávce elektrické energie pro zdroj záření a nutnost udržovat přesné zaměření na zdroj infračerveného záření vyplývající z jejich úzkého zorného pole.The disadvantage of active infrared detectors is their dependence on the continuous supply of electric power to the radiation source and the need to maintain a precise focus on the infrared radiation source resulting from their narrow field of view.

Dále se používají pro detekci infračerveného záření ještě pasivní detektory, které mají obecně velmi značnou citlivost, takže přímo detekují změny dopa&ajícího záření vyvolané např. průchodem osoby před pozadím, na které je zaměřeno čidlo detektoru.In addition, passive detectors are generally used for detecting infrared radiation, which generally have a very high sensitivity, so that they directly detect changes in incident radiation caused, for example, by the passage of a person in front of the background on which the detector sensor is aimed.

Z řady pyroelektrických materiálů se začal používat vzhledem k jeho citlivosti na infračervené záření feroelektrický triglycinsulfát a jeho isomorfní sloučeniny. Avšak jeho hygroskopioká povaha, křehkost a značná závislost jeho elektrických parametrů na teplotě okolí silně omezují oblasti jeho praktického využívání.Of the pyroelectric materials, ferroelectric triglycine sulfate and its isomorphic compounds have been used due to its sensitivity to infrared radiation. However, its hygroscopic nature, its fragility and the considerable dependence of its electrical parameters on ambient temperature strongly limit its practical applications.

Při hledání alternativního materiálu na čidla infračerveného záření se ukázalo, že piezoelektrické keramiky na bázi titaničitanu olova /PbTiOj/ a titaničitanu zirkonu /ZrTiOj/ mají výhodné pyroelektrické vlastnosti, jsou-li modifikovány dopanty kysličníků některých kovů. Čidla vyrobená z těchto keramik jsou nehygroskopická, mechanicky odolná, snadno vyrobítelná, s dobrou reprodukovatelností a jejich elektrické parametry jsou zcela vyhovující pro daný účel použití.In the search for an alternative infrared sensor material, it has been shown that piezoelectric ceramics based on lead titanate (PbTiOj) and zirconium titanate (ZrTiOj) have advantageous pyroelectric properties when modified with dopants of certain metal oxides. Sensors made of these ceramics are non-hygroscopic, mechanically resistant, easy to manufacture, with good reproducibility and their electrical parameters are fully suitable for the intended use.

Tato čidla mohou pracovat v detektorech infračerveného záření bez krycích infračervených filtrů, tzv. oken, čímž se zvýší celková citlivost zařízení a jeho schopnost indikovat záření v oboru vlnových délek od ultrafialového záření až po centimetrové vlny.These sensors can work in infrared detectors without window infrared filters, increasing the overall sensitivity of the device and its ability to indicate radiation in the wavelength range from ultraviolet radiation to centimeter waves.

Signálová odezva ferokeramického čidla je nezávislá na změnách teploty okolí zpravidla v teplotním rozsahu od -40 °C do +250 °C i širším. Horní hranice teploty okolí musí být přitom vždy nižší než teplota fázového přechodu u každého konkrétního feroelektriokého materiálu.The signal response of the ferro-ceramic sensor is independent of changes in ambient temperature, usually in the temperature range from -40 ° C to +250 ° C and wider. The upper limit of the ambient temperature must always be lower than the phase transition temperature of each particular ferroelectric material.

Vynález vychází z obvodové techniky pyroelektrických detektorů běžné koncepce, kde na na vstupu je zařazen impedenční převodník, vzhledem k vysoké Impedanci vlastního čidla, a dále jsou v sérii dva zesilovací stupně. Na výstupu zařízení se nachází detektor elektrických impulsů a dvoustavové signalizační ústrojí.The invention is based on the circuitry of pyroelectric detectors of the conventional concept, where an impedance converter is included at the input due to the high impedance of the sensor itself, and two amplification stages in series. At the output of the device there is an electrical pulse detector and a two-state signaling device.

Podstata vynálezu spočívá v kombinaci čidla z keramického polykrystalického materiálu s komparátorem o nastavitelné prahové citlivosti, zařazeným mezi druhý zesilovací stupeň a detektor elektrických impulsů, přičemž jak mezi impedančním převodníkem a prvním zesilovacím stupněm, tak i mezi oběma zesilovacími stupni jsou zřízeny kapacitní vazby.The object of the invention is to combine a sensor made of ceramic polycrystalline material with a comparator with adjustable threshold sensitivity, placed between the second amplification stage and the electric pulse detector, and capacitive coupling is established between the impedance converter and the first amplification stage.

V důsledku tohoto uspořádání postačí jediný komparátor k indikování kladných i záporných elektrických Impulsů nad hladinou šumu, odpovídajících začátku a konci každé změny v ozáření feroelektriokého čidla.As a result of this arrangement, a single comparator is sufficient to indicate both positive and negative electrical pulses above the noise level corresponding to the beginning and end of each change in the irradiation of the ferroelectric sensor.

Je účelné, aby nejméně první zesilovací stupeň byl ve frekvenčně selektivním provedení, např. v rozsahu 0,01 Hz až 25 Hz, takže představuje v podstatě aktivní pásmovou propust, která odřezává energii šumu mimo toto funkčně užitečné pásmo.It is expedient for the at least first amplification stage to be in a frequency selective embodiment, e.g. in the range of 0.01 Hz to 25 Hz, so that it constitutes a substantially active band-pass filter that cuts off the noise energy outside this functionally useful band.

Pro zlepšení směrového účinku a citlivosti při sledování vzdálených dějů může být čidlo detektoru upraveno v obrazovém ohnisku spojné zrcadlové optické soustavy, tvořené kupř. parabolickým zrcadlem.To improve directional effect and sensitivity in remote sensing, the detector sensor may be provided in the image focal point of a bonded mirror optical system, e.g. parabolic mirror.

Na výkresu je znázorněn příklad provedení, kde je na obr. 1 bloková sestava pyroelektrického detektoru a na óbr. 2 je graficky znázorněn průběh elektrického signálu před komparátorem.1 shows a block assembly of a pyroelectric detector and FIG. 2 is a graphical representation of the electrical signal in front of the comparator.

Na obr. 1 je znázorněno uspořádání čidla 1 pyroelektrického detektoru v obrazovém ohnisku parabolického zrcadla' 2, které je jednou z konkrétních realizací spojné zrcadlové optické soustavy.FIG. 1 shows an arrangement of a pyroelectric detector sensor 1 in an image focal point of a parabolic mirror 2, which is one particular embodiment of a bonded mirror optical system.

Jak je z obr. 1 dále patrno, je signál z čidla' 1. zaveden do impedančního převodníku _3y z něhož přes kapagitní vazbu ,8 vstupuje do prvního zesilovacího stupně £, v něm se užitečný signál z čidla _1 nevyskytuje anebo je přítomen pouze v zanedbatelné míře.As can be seen further from FIG. 1, the sensor 1 signal is fed to the impedance converter 3y, through which it enters the first amplification stage 6 via the capagity coupling 8, in which the useful signal from sensor 1 does not occur or is present only negligibly. rate.

Vzhledem k tomu, že čidlo 1 poskytuje elektrické signály o frekvenci jednotek až do cca 20 Hz, je vhodné užít na místě obou zesilovacích stupňů’ _4 a' 2 stejnosměrné zesilovače, nejlépe tzv. operační zesilovače, které mají při vhodném zapojení vysokou stabilitu elektrických parametrů.Since the sensor 1 provides electrical signals with a frequency of units up to about 20 Hz, it is advisable to use both amplifier stages '4 and 2' DC amplifiers, preferably the so-called operational amplifiers, which have a good electrical stability when properly connected. .

Mezi oběma zesilovacími stupni 4 a 5 je zřízena opět kapacitní vazba 9_. Důležitou součástí pyroelektrického detektoru podle vynálezu je komparátor 6_, seřízený na snímání záporných elektrických impulsů.Between the two amplification stages 4 and 5, a capacitive coupling 9 is again established. An important component of the pyroelectric detector of the present invention is a comparator 6, adjusted to sense negative electrical pulses.

Smysl tohoto opatření je vysvětlen s pomocí obr. 2, na kterém je znázorněn průběh napětí í U elektrického signálu na časové ose 2 v místě vstupu do komparátortf £.The purpose of this measure is explained with reference to FIG. 2, which shows the voltage waveform U of the electrical signal on the timeline 2 at the point of entry into the comparator.

Budiž předpokládáno, že po účinné ploše čidla _1 se pohybuje ve směru šipky z polohy A do polohy a” obraz zdroje infračerveného záření. V poloze A, tj. právě při ozáření účinné plochy čidla' 1, se před vstupem do komparátoru 6 po úpravě v předchozích elektrických obvodech objeví elektrický signál charakterizovaný kmitem BB' na obr. 2.It is assumed that over the effective surface of the sensor 1, the image of the infrared radiation source moves in the direction of the arrow from position A to position a. In position A, i.e. just when irradiating the effective surface of the sensor 1, an electrical signal characterized by the oscillation BB 'in Fig. 2 will appear before entering the comparator 6 after treatment in previous electrical circuits.

Po překonání pásma šumu o šířce -AU první záporná amplituda signálu otevře komparátor 6_ a přes detektor signálu překlopí dvoustavové signalizační ústrojí _7 do aktivního stavu, v němž spustí popíachové zařízení, vizuální nebo akustickou signalizaci apod. Detektor signálu funguje v zásadě jako elektrický ventil a spolu s dvoustavovým signalizačním ústrojím 7 má časovou konstantu, která určuje dobu aktivního stavu při každé změně ozáření čidla' KAfter overcoming the -AU noise bandwidth, the first negative signal amplitude opens the comparator 6 and, via the signal detector, switches the two-state signaling device 7 into an active state in which it triggers an alarm device, visual or acoustic signaling, etc. with a two-state signaling device 7 has a time constant which determines the time of the active state at each change in the irradiation of the sensor K

Při opouštění obrazu zdroje infračerveného záření účinné plochy čidla' 1, tj. přibližně v poloze' A'* podle obr. 2, vznikne kmit CC' opačného průběhu,: než tomu bylo u předchozího kmitu' BBLeaving the image of the infrared radiation source of the effective surface of the sensor 1, i.e. approximately in the position 'A' * of FIG. 2, an oscillation CC 'occurs in the opposite direction to that of the previous oscillation BB

Vzhledem k tomu, že čidlo JL z keramického polykrystalického materiálu produkuje velmi slabý šum, který byl nadto ještě omezen frekvenčně selektivním provedením zesilovacích stupňů £, popř. i 3_, může komparátor 6 zachytit negativní překmiť C* užitečného signálu, který překoná nepatrné šumové napětí' - a U.Since the sensor 1 of ceramic polycrystalline material produces very low noise, this is furthermore limited by the frequency-selective design of the amplification stages 6 and 6, respectively. 13, the comparator 6 can detect a negative overshoot C * of the useful signal that overcomes the slight noise voltage '- and U.

Tím zaniká nutnost vybavit pyroelektrický detektor infračerveného záření samostatnými komparátory pro kladnou i zápornou amplitudu signálu, čímž se zařízení velmi zjednodušuje i zlevňuje.This eliminates the need to equip the pyroelectric infrared detector with separate comparators for both positive and negative signal amplitudes, making the device much simpler and cheaper.

Tohoto účinku by nebylo možno dosáhnout s čidlem vyrobeným z tradičních materiálů ani z triglycinsulfátu, jehož změna šumu a jejich závislost na teplotě okolí jsou vyšší: než u keramického polykrystalického materiálu.This effect could not be achieved with a sensor made of traditional materials or triglycine sulphate, whose change in noise and their dependence on ambient temperature are higher than in ceramic polycrystalline material.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

A pyroelectric infrared detector having a sensor of ferroelectric material connected via an impedance converter to an electronic device having two amplification stages in series and an output of an electrical pulse detector with a two-state signaling device, characterized in that the sensor / 1 is made of ceramic polycrystalline material and connected to a comparator (6) of adjustable threshold sensitivity placed between the second amplification stage (5) and the electrical pulse detector, both between the impedance converter (3) and the first amplification stage (4) and between capacitive bonds (8, 9) are provided by both amplification stages (4 and 5).

Pyroelectric detector according to claim 1, characterized in that at least the first amplification stage (4) is in a frequency selective embodiment.

3. Pyroelectric detector according to items 1 and 2, characterized by! 2. The method according to claim 1, wherein the sensor (1) is provided in the image focal point of a bonded mirror optical system, e.g. parabolic mirror / 2 /.