Sensor piroelétrico de presença (ART590)

Com base em documentação técnica da Metaltex publicamos em 2008 este interessante projeto de sensor de presença utilizando um sensor piroelétrico. Este tipo de sensor é usado em portas de mercados, aeroportos, shoppings abrindo pela detecção dos raios infravermelhos emitidos pelo corpo de uma pessoa. Muito sensível, ele pode ser usado como alarme e em automatismos que o próprio leitor pode montar. O artigo também analisa seu principio de funcionamento.

Este artigo descreve a montagem de um detector de presença, detector de intrusos ou alarme de presença, utilizando um sensor piroelétrico de raios infravermelhos. Com esse dispositivo é possível sensoriar a presença de pessoas à distância no escuro, simplesmente detectando o calor de seu corpo. O projeto básico que pode ser expandido de diversas maneiras se baseia no sensor de baixo custo e fácil utilização RE200B da Metaltex (www.metaltex.com.br) disponível em nosso país.

Nas portas de shoppings, aeroportos, lojas , banheiros públicos, corredores e outros locais é comum encontrarmos sensores que abrem portas, acendem luzes ou acionam um aviso quando uma pessoa se faz presente nesses locais. Esses sensores, denominados piroelétricos, detectam o calor do corpo da pessoa para acionar um circuito eletrônico, possuindo uma grande sensibilidade para isso.

Nosso projeto se baseia num desses sensores, podendo portanto agregar um "olho infravermelho" ao local de sua instalação podendo detectar pessoas, mesmo no escuro, pois ele usa o próprio calor de seus corpos.

Antes de analisarmos o projeto propriamente dito será interessante entendermos seu princípio de funcionamento.

Infravermelho

O espectro visível, onde estão as radiações que podemos ver, não é único. Acima e abaixo dele temos outras formas de radiação, conforme mostra a figura 1.

Outras formas de radiação e mais visíveis.

Interessa-nos em especial a parte do espectro abaixo da luz vermelha que correspondem portanto a ondas eletromagnéticas com comprimentos de onda maiores do que a luz visível e portanto freqüência mais baixa.

Como essas radiações estão abaixo do vermelho, elas são denominadas infravermelhas, pois "infra" significa abaixo, da mesma forma que as radiações que estão acima do violeta são denominadas ultravioleta, pois "ultra" significa acima ou além.

Não podemos ver essas radiações, mas podemos senti-las pois temos alguns órgãos sensoriais para isso, e além disso elas são emitidas por qualquer corpo que esteja numa temperatura acima do zero absoluto. Quanto maior for a temperatura do corpo, maior é a quantidade de radiação infravermelha que ele emite, como mostra a figura 2.

Essa figura nos mostra a lei Stephan-Boltzmann que descreve a forma como as radiações emitidas por um corpo quente são repartidas no espectro. Veja que os comprimentos de onda acima de 5 microns correspondem justamente ao infravermelho.

Isso significa que enquanto um corpo muito quente tem boa parte de sua energia no espectro visível, se tornando assim luminoso, um corpo pouco acima da temperatura ambiente, como nosso corpo, tem a maior parte da energia emitida na faixa do infravermelho, e praticamente nada na parte visível.

Indo além percebemos que, para quem vê o infravermelho, parecemos "acesos" no escuro. Se um sensor vê o infravermelho, então ele pode detectar corpos que estejam a uma temperatura acima do zero absoluto.

O Sensor Piroelétrico

Existem materiais denominados eletretos que apresentam uma carga elétrica natural em suas faces. São os equivalentes eletrostáticos dos imãs que possuem pólos magnéticos. Os eletretos possuem pólos elétricos, conforme mostra a figura 3.

pólos elétricos no eletreto.

Ocorre entretanto que a carga elétrica desses materiais varia sensivelmente na presença de radiação infravermelha, o que permite que eles sejam usados como sensores piroelétricos. A palavra piroelétrico vem de "piros" que significa fogo em grego, uma alusão a possibilidade que eles têm de detectar calor.

Um sensor piroelétrico comum, como o que vamos usar no nosso projeto, tem então uma janela de quartzo transparente aos raios infravermelhos, o material sensor e um circuito eletrônico que amplifica as fracas variações da carga do eletreto que ocorrem quando a radiação infravermelha é recebida. Na figura 4 temos o aspecto do sensor RE200B da Metaltex.

O sensor utilizado possui internamente um FET (Transistor de Efeito de Campo), de modo que seus terminais correspondem justamente aos elementos desse componente, dreno, fonte e terra.

No entanto, o sensor não funciona sozinho na maioria das aplicações práticas. Para concentrar de forma apropriada a radiação infravermelha e também fazer sua seleção dentre outras formas de radiação é preciso usar uma lente especial.

Trata-se de uma lente de Fresnel que, para o caso do RE200B é vendida separadamente com a designação 7708-1. Essa lente deve ser colocada diante do sensor, conforme mostra a figura 5.

Com a utilização da lente os raios infravermelhos são concentrados de forma apropriada no sensor de modo a ser feita sua detecção. A lente também determina o ângulo de visão do sensor, ou seja, sua área de cobertura, o que normalmente é expresso por uma abertura horizontal e uma abertura vertical.

O Circuito Eletrônico

O sinal fornecido pelo sensor é muito fraco, precisando de uma boa amplificação para que algum dispositivo externo seja acionado. Uma possibilidade para isso consiste no uso de um amplificador operacional

Praticamente qualquer amplificador operacional serve para essa finalidade de modo que no nosso projeto prático escolhemos o mais conhecido de todos eles, o 741.

Nesse circuito, usamos uma fonte de 12 V e fazemos o acionamento de um LED indicador como projeto básico, conforme mostra a figura 6.

Circuito eletrônico do sensor pitoelétrico

No entanto, na saída do operacional podem ser ligadas diversas cargas através de etapas apropriadas de potência, como a mostrada na figura 7 que permite acionar um relé.

Etapa de potência na saída do A.O. usando relé.

Para acionamento de um circuito de alarme na forma monoestável, por exemplo, temos o circuito da figura 8. Nesse circuito, R pode ser um trimpot para o ajuste o tempo de acionamento desse alarme, por exemplo, um oscilador ou uma campainha.

Circuito de alarme no funcionamento monoestável.

Como o consumo do sensor é da ordem de 10 mA, ocorrendo consumo maior somente quando a carga é acionado, sua alimentação por ser feita com pilhas comuns. Para isso, podemos eliminar o circuito regulador de 5 V e trabalhar com 6 V direto de pilhas, também alimentando cargas de 6 V, como o relé que deve ser trocado.

A montagem pode ser realizada com base numa matriz de contactos, mas nada impede que seja usada uma placa universal com o mesmo padrão ou projetada uma placa específica para sua implementação.

Observe cuidadosamente a posição dos terminais do sensor piroelétrico, do circuito integrado e também a polaridade dos componentes polarizados.

Ajuste e Uso

Terminada a montagem, confira todas as conexões e alimente o aparelho. Fique diante do sensor e ajuste o trimpot para ter o acionamento do LED (acendimento). Saia da frente do sensor. O LED deve apagar.

Comprovado o funcionamento é só utilizar o sensor. Uma idéia interessante para aplicação em robótica, consiste no seu uso como olho infravermelho para um robô que será capaz de seguir as pessoas pelo calor do seu corpo.