PIR 기술정보

PIR 기술정보

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            1. PIR
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2. PIR; Passive infrared; 수동적외선 sensor
   1. 인체감지센서라는 이름으로 판매된다.
   2. 자료
      1. 위키페디아 https://en.wikipedia.org/wiki/Passive_infrared_sensor
      2. - 15p
      3. 1992 - 정풍물산
      4. 1. 초전재료
            1. Saran 상품명으로 알려진 PVF(polyvinylidene fluoride) 필름
               1. 직렬 및 병렬 연결로 배열 구조 형성이 쉬운 대면적 센서를 쉽게 만들 수 있다.
               2. 분할되는 거울 및 렌즈가 필요없다.
               3. 그러나 습도 변화에 기밀할 방법이 없고, 바람 움직임으로 압전효과인 microphonic effects가 발생되어 시장에서 사라졌다.
            2. 1979년 차동(differential) 센서를 갖춘 Lithium tantalate 재료가 Eltec Instruments에서 나왔고, 동시에 PZT 세라믹은 Mullard (now Nippon European Works)회사와 Plessey 에서 나왔다.
            3. 검출되는 차동전압을 low leakage gate를 갖는 FET 트랜지스터와 같이 TO5 패키지에 내장되어, 별도의 전압조정기 없이 손쉽게 동작된다.
               1. 소신호에 동작하는 FET를 전자파간섭으로부터 보호하기 위해 특히 차폐된 패키지인 TO-5를 사용하는 경향이 있다.
               2. EMI 및 ESD 성능향상을 위해 내부에 캐퍼시터를 추가하기도 한다.
            4. 차동 센서 구조는 바람, 따뜻한 공기, 햇빛 등 기타 자극에 대해서 오동작을 크게 줄여준다.
         2. 응용 범위
            1. 작고 단순하고 저렴하며, 아무것도 방출하지 않으면서 낮은 전력으로 사람이 있다 없다는 감지하는 기능에 탁월하다.
            2. 특히 무선경보시스템에 사용되면 낮은전력 때문에 배터리로 10년 연속 동작시킬 수 있다.
         3. 감지 신호 식별
            1. 센서 반응 시상수가 비교적 늦기 때문에 감지 신호주기는 0.2~4Hz 이다. 사람 움직임에 따라 단일펄스 및 몇 개 펄스가 나타난다.
            2. 연속 펄스의 패턴을 분석하여 잡음 및 간섭 신호로부터 명확한 사람 움직임에 해당되는 더 고급 신호로 변환하려는 노력은 대부분 실패했다.
            3. 실리콘 웨이퍼에 조전 배열 센서를 사용하는 열화상 카메라를 통해서 해결할 수 있지만, 단순한 PIR 센서에서는 더 멋진 동작은 불가능하다.
            4. PIR센서와 저해상도 카메라 조합이 가시광선 검출에 대안이다.
            5. 사람 움직이는 패턴 감지는 PIR 센서에 배열 구성된 파이크로파 또는 초음파센서로 매우 적은 픽셀 센서를 통해 가능하다.
         4. 적외선 파장
            1. 프랑크 법칙에 따르면, 체온 293K가 방출하는 최고에너지 스펙트럼 파장은 10um이다. 5um~20um까지 의미있는 강도가 나온다.
            2. 공기(습도, 먼지 및 각종 분자들)는 상당한 빛을 흡수하는데, 8~14um 파장은 잘 흡수하지 않는다. 이를 atmospheric windows(대기 창)이라고 한다.
               1. 위성에서 지구를 관찰할 때 이 파장을 분석한다.
               2. 전통적으로 이 파장이 PIR 센서용으로 사용된다.
            3. 렌즈로 사용되는 PE(polyethylene) 투과율은 인체 방출 파장에서 큰 문제가 없다.
               1. 7um에서, 그리고 14um에서 완전히 흡수하여 통과시키지 않는 문제가 있지만 영역이 좁다.
            4. 흡수는 거리에 기하급수적으로 증가하므로, 대기중에서 10~20m 떨어진 곳에서 PIR 센싱은 어렵다. (배경은 감지되지 않는다.)
            5. 이 모든 사항을 고려하면 5um 이상 통과 필터를 사용해도, 특별히 만든 8~14um 대역통과 필터보다는 감지능력이 우수하다.
         5. 거울 또는 렌즈
            1. 분할된 거울을 사용하는 초창기 방식은 프레넬 렌즈 등장에 따라 사라졌다.
            2. 렌즈 사용이 검출영역 설정에 더 유연하다.
            3. (밝은) 유리창을 바라보는 곳에서는 거울을 사용하면 감지가 유리하다.
               1. 렌즈보다는 감지 창을 작게 만들 수 있다.
               2. 실내 전면 유리창에 관여하는 햇빛,바람,난방공기 등과 같은 문제를 잘 제거한다.
               3. 야외 활동 및 공공 장소에서 적용이 유리하다.
         6. 감지 영역 수
            1. 넓은 각도에서 많은 감지영역이 있을수록 좋다. 각 감지영역의 넓이는 감지되는 인체크기가 고려되어야 한다.
            2. 감지속도가 느리면 빠르게 움직이는 사람을 감지할 수 없다.
            3. 감지영역 설계는 최대검출거리 50%에서 인체와 동일한 면적이다.
            4. 렌즈 세그멘트 하나당 받는 에너지에 의해 최대 출력이 나와야 한다. 면적이 작은 렌즈에서는 구동하지 않을 수 있다.
            5. 렌즈 두께가 두꺼우면 흡수가 강해진다. 대신 얇게하면 변형이 발생된다.
            6. 프레넬 렌즈 홈은 외부에 있는 것이 광학적으로 좋지만, 시각적 문제(먼지 등 오염) 때문에 내부에 홈을 가공한다. 비슷듬한 각도로 들어오는 빛은 표면 반사가 심하다. 그러므로 수직으로 들어오도록 한다.
            7. 강력한 렌즈를 위해서는 감지영역수를 줄여 설계한계 내에서 가장 크게 만든다.
         7. 알맞은 광학렌즈
            1. 원통모양의 잘 설계된 프레넬 렌즈는 270도 수평각도에 대해서 검출한다.
            2. 반사 거울 및 반사 프리즘에 3차원으로 배치하는 프레넬 렌즈, 회전렌즈, 표준 구면 또는 비구면렌즈, 원통형렌즈, 그리고 프리즘을 사용할 수 있다.
            3. 천장 등에 설치하여 반구전체를 감지할 수 있는 골프공 렌즈(golf ball lens)가 저가격 렌즈로 가장 선호된다.
            4. 감지 영역 갯수는 신호를 강하게 하고, 잘못된 감지를 줄이기 위해 많이 늘릴 수 없다.
               1. 침입자 감지용으로는 특정 장소의 특정 각도에 제한할 수 있다.
               2. 침입자가 있다는 것을 알아내려면 일정 거리 이상 사람이 움직여야 한다. 이 움직이는 거리를 고려해야 한다.
            5. 조명스위치인 경우는 180도부터 반구에 해당하는 360도 검출되는 광범위가 추세이다.
               1. 사무실이 큰 경우, 많은 영역에 병열로 감지기를 설치하고, 단순한 머리,손 흔드는 움직임에도 민감하게 동작해야 한다.
         8. 광학렌즈 집속 각도 및 영역
            1. 단거리 감지를 위해서는 감지각도가 커야한다.
            2. 애완동물 감지와 사람감지 차이를 둘 필요가 있을 때는 수직감지 능력에서 낮은 영역과 높은 영역으로 구분할 수 있어야 한다. 원통형 센서가 사용하면 애완동물은 더 둔감하게 세팅할 수 있다.
         9. 공기온도 37도에서
            1. 공기온도가 37도라고 해서 배경인 벽,자연풍경 또한 37도란 뜻은 아니다.
            2. 체온이 37도라고 해서 사람의 피부 및 의복 표면 온도가 37도란 뜻은 아니다. 주변온도 20도씨에서 얼굴은 28도, 옷 표면은 24도일 수 있다.
            3. 아무래도 주변온도 0도씨에 비해 30도씨에서 검출되는 신호는 작다. 이 때는 정교하게 설계된 감지기가 필요하다.
         10. 수동적외선이므로 어떠한 빛도 방출하지 않는다.
      5. Adafruit Learning System, PIR Motion Sensor - 15p
   3. 프레넬 광학렌즈
      1. 빛을 집속시키고
      2. 보통 PIR 속에는 두 센서가 떨어뜨리게 위치하여, 사람 위치(움직임)에 따라 어느 한쪽에만 초점이 맞춰 서로 신호차이(differential signal)를 크게 발생시킨다.
   4. IR cut-on filter
      1. 표면온도에 따라 방출하는 적외선파장이 다르다.
         1. 초전센서 반응은 파장에 의존하지 않기 때문에, 인체 온도에 해당하는 적외선 파장만 통과시켜야 한다.
         2. 인간 피부는 피크 10um 파장 부근이다. 그러므로 약 5um 이상 파장만 통과(50% 강도를 보이는 지점으로 cut-on이라고 한다.)시켜야 한다.
         3. 실리콘은 파장 1um 이하는 차단하고, 1um~6.5um까지 적외선은 약 55%정도 평탄하게 통과시킨다.
   5. 데이터시트
      1. 니세라
         1. 카탈로그 - 11p
         2. P924M 데이터시트 - 7p
         3. RE200B 데이터시트 - 2p
         4. 등기구를 위한 스위치장치 - 12p
      2. 무라타
         1. application note - 12p
         2. 센서 데이터 시트 - 13p
      3. 독일 Excelitas, PYD 1598/7655 - 파이로 듀얼소자
         1. - 18p
      4. 일본 파나소닉
         1. - 23p