Capteurs Passive Infra Red
Comment ça fonctionne
PIR
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Un capteur simple qui se compose de deux éléments sensibles.
Pour obtenir une détection du mouvement, il faut que le rayonnement infrarouge frappe l'un et puis l'autre élément. Cela est réalisé en placant devant le capteur une optique adaptée.


Pour qu'un objet puisse être détecté, il faut que son rayonnement frappe l'un et puis l'autre élément sensible.


Détecteur de mouvement composé de bandes verticales.

Le signal est reçu alternativement par un des éléments. Le capteur produit un signal sinusoidal qui est interprétée comme "présence" par l'électronique.


Détecteur à zones sensibles permettant de détecter le mouvement dans tous les sens.
Un des capteur mesure le rayonnement moyen tandis que l'autre capteur ne détecte le rayonnement qu'à certains points précis.


Une personne qui passe dans le champ va nécessairement activer une ou plusieurs zones, tandis que le signal moyen ne va que peu changer.


Détecteur à zones


Un objet "froid" peut également être détecté par rapport à un environnement plus "chaud"

On raconte tellement de bêtises sur les détecteurs infra-rouges passifs, que j'ai décidé d'écrire cette page. On dit que ces détecteurs voient le mouvement, qu'il s'agit d'une sorte de caméra infra-rouge, etc.

Dans le texte nous utilisons le terme capteur pour indiquer le composant sensible au rayonnement infra-rouge. Le capteur se compose de deux éléments sensibles. A lui seul le capteur ne permet pas de détecter de façon fiable la présence de personnes.

Le terme détecteur est utilisé pour indiquer le tout: capteur + optique + électronique qui fournit un signal binaire "présence détectée".

Ceci est une précision des termes utilisés sur cette page. Il n'y a pas d'accord en ce qui concerne l'utilisation de l'un ou de l'autre terme.

Le rayonnement infra-rouge

Ce type de capteur détecte le très faible rayonnement infra-rouge émis par tous les corps "chauds". En physique, vous aurez appris que tout corps émet un rayonnement (black body radiation). Ce rayonnement dépend principalement de la température du corps en question, mais également de certaines caractéristiques de surface.
  • Le rayonnement infra-rouge propre peut être comparé au rayonnement lumineux d'une lampe incandescente. Plus on augmente la tension d'alimentation, et plus la lampe éclaire (dans certaines limites, bien entendu).

  • Mais les corps réfléchissent également plus ou moins bien le rayonnement infra-rouge. Par exemple une surface blanche réflète mieux les rayons lumineux qu'une surface noire. Le même effet est d'application avec le rayonnement infra-rouge.
Le capteur réagit donc à ce rayonnement. Il est dit "passif" car il se contente de regarder.

Le capteur ne mesure pas la température d'un corps (il ne tente pas de compenser les différences des caractéristiques des surfaces, au contraire il en maximise l'effet). Un thermomètre à infra-rouge fonctionne différemment, il dispose de plusieurs petits capteurs qui vont "analyser" la fréquence du rayonnement émis et compenser les effets de surface. Plus un corps est chaud, et plus la fréquence du rayonnement infra-rouge augmente. C'est cette fréquence que le thermomètre utilise.

La peau humaine produit un rayonnement infra-rouge très prononcé, et est également un bon réflecteur. C'est ce qui fait que le capteur peut encore fonctionner (mais moins bien) quand la température de l'environnement se rapproche de la température du corps.

Détection du mouvement

Un détecteur se compose d'un capteur infra-rouge double. Pourquoi un capteur double?

Pour pouvoir faire la différence entre une zone "active" et une zone "neutre". En effet, le capteur ne mesure pas vraiment la température d'un objet, mais il va mesurer combien d'infra-rouges il émet par rapport à l'environnement. Un des capteurs mesure le rayonnement moyen d'une zone neutre et l'autre mesure le rayonnement de la zone à protéger.

La détection est plus aisée (et moins influencée par des facteurs externes) si on effectue une mesure différentielle avec deux capteurs.

Dans les dessins à droite, la partie de référence (rayonnement moyen) est la partie bleue, tandis que les zones actives sont indiquées en rouge (dessin en bas de page à droite)

Dans un autre système, chaque capteur est équivalent et surveille une série de zones (bandes verticales). Ce système est le plus utilisé pour la détection domestique. Dans le dessin, c'est la représentation avec les bandes alternatives rouges et bleues.

Les deux éléménts sensibles du capteur ne sont pas parfaits et chaque élément produit un signal un peu différent, même quand il n'y a rien à détecter. Le circuit électronique va compenser la différence (offset) par un réglage très lent. Au bout d'une dixaines de secondes, l'électronique aura compensé l'erreur et produira un signal nul. Les capteurs produisent un signal extrèmement faible qui doit être amplifié et puis interprété par un circuit électronique.

Quand un objet "chaud" passe dans la zone active, ce capteur va produire un signal plus important, qui sera comparé au signal de l'autre capteur. Mais cela ne suffit pas à rendre notre détecteur vraiment efficace.

Le capteur est précédé d'une lentille très spéciale, qui concentre le rayonnement d'une certaine manière. La zone active est composée de bandes (généralement verticales). Quand un objet se déplace horizontalement dans la zone, il va passer d'une zone active à l'autre et donc produire un signal qui va varier. Le signal produit (qui est la différence amplifiée et compensée des deux capteurs) a ici aussi une lente oscillation. Le détecteur réagit spécifiquement à cette variation de tension et produit une alarme. C'est ce type qui est le plus souvent utilisé dans les installations car ce type est le plus sensible.

De plus la lentille est spécialement conçue pour ne laisser passer que les fréquences utiles à la détection, pour éviter que le capteur ne soit saturé par le rayonnement solaire ou par le rayonnement d'une lampe à incandescence.

Si l'objet chaud ne se déplace pas (ou s'il se déplace vraiment très lentement), le signal produit va varier trop lentement pour être détecté. Le détecteur PIR est donc un détecteur de mouvement.

Si le détecteur est mal placé (les bandes sensibles sont horizontales au lieu d'être verticales), le déplacement d'un objet ne produira pas une variation correcte du signal. Le corps chaud sera bien détecté (augmentation du signal), mais la variation caractéristique pour activer l'alarme n'est pas présente.

Notez qu'il existe également des détecteurs dont la surface active ne se compose pas de bandes, mais de zones plus ou moins circulaires: ce type de détecteur réagit à toutes sortes de mouvements. La lentille (en fait une construction assez complexe) crée des zones actives (qui illuminent principalement un des capteurs), tandis que l'autre capteur reçoit un rayonnement moyen uniforme (comme s'il s'agissait d'une optique photographique qui produit une image très floue).

Les détecteurs de circulation automobile utilisent également des capteurs PIR qui ont des zones sensibles sous forme de ronds. Ces détecteurs sont généralement équipés d'une petite lampe qui s'allume quand le détecteur est activé. L'appareil vise normalement le sol et détecte les variations de réflectivité infra-rouge quand un véhicule passe. Regardez bien: la lampe d'alarme s'éteint quand les véhicules sont à l'arrêt.

Comment éviter la détection?

Une première méthode consiste à se déplacer très lentement, pour éviter de faire apparaitre la variation caractéristique du signal. Cela nécessite vraiment des nerfs d'acier et des mouvements très lents de tout le corps. Le simple fait d'avancer une jambe pour faire un pas peut activer l'alarme. Il faut plus de dix secondes pour que l'électronique corrige l'offset. Chaque passage par une zone active doit donc se faire en plus de 10 secondes. Et comme un détecteur a généralement une dixaine de bandes sensibles, il faut passer le détecteur en deux minutes au moins.

Une autre méthode est d'adapter son émission infra-rouge au signal ambiant. Mais ici il ne suffit pas d'adapter sa température extérieure à la température ambiante (par exemple en se couvrant complètement de plusieurs couches de vêtements isolants genre combinaison de plongeur), car le détecteur est également sensible à la réflection naturelle du rayonnement par l'environnement. Une combinaison de plongeur peut plus ou moins réfléter le rayonnement infra-rouge ambiant et donc créer une différence de rayonnement.

Si à l'arrière-plan il y a un mur qui réflète bien le rayonnement, quand la personne bien isolée passe devant le détecteur, elle va produire un rayonnement inférieur au rayonnement normal, et ici également il y aura une variation de l'amplitude du signal qui va activer l'alarme (voir exemple "objet froid"). Une détection par signal inverse se produit également quand le capteur reçoit assez bien de lumière du soleil et que la personne fait écran au rayonnement.

Bons et mauvais placement

Il faut que le détecteur voit une zone la plus inactive possible: le mieux est un mur qui produit un rayonnement de référence constant. Le capteur voit également à travers les fenètres: il peut réagir au passage de voitures ou de personnes dans la rue. Il ne peut pas y avoir de sources de chaleur dans la zone: la source de chaleur produit non seulement un rayonnement (qui peut saturer le capteur) mais également une circulation d'air qui produit une diffraction variable du rayonnement (un peu comme un mirage qui apparait et disparait dans le désert).

Il faut éviter les sources de rayonnement infra-rouge qui vont réduire la sensibilité du système par saturation du capteur: par exemple soleil couchant qui éclaire la zone (bien que le détecteur puisse voir l'ombre que fait la personne (détection inverse): cette détection est moins sensible).

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