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高周波PCB技術

高周波PCB技術 - 人体感応灯はどのようにして人の存在を検出したのか。

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高周波PCB技術 - 人体感応灯はどのようにして人の存在を検出したのか。

人体感応灯はどのようにして人の存在を検出したのか。
2023-02-16
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Author:Leota      文章を分かち合う

2.16 人体感应灯.jpg

 

市場には多くの異なるタイプの感応灯があるが、以下のような感応灯が最も一般的です。たとえば、音響光制御感応灯、人体赤外線感応灯、レーダー感応灯などがあります。今日は人体赤外線感応灯の重要な部品である焦電センサーについて調べてみましょう。

 

赤外線人体感応灯は静かに消灯することで、点灯動作を実現することができます。主に熱放電センサーのガブリエルレンズと周辺制御回路で構成されています。

 

熱放電センサーは人の体温から放出される熱放射を感知することができ、フィニアレンズは人体を集めて集束して赤外線を放出することができます。

 

誰かが感応範囲内に現れた場合、フィニアレンズは人体の熱から放出された赤外線放射を焦電センサに集束し、さらに焦電センサから制御モデルから後段回路に出力し、ランプの点滅制御を実現します。

 

動作原理

 

しかし、温度のある物体はすべて外部に熱放射を発生し、異なる温度の物体が放射する波長も異なり、人体は一定の体温を持っているため、特定の長さの赤外線を放射するが、PIR人体赤外線センサーはこの波長を感知することを受け入れ、電流の変化をもたらし、警報をトリガします。

 

赤外線焦電人体感応センサは、人体から放射される赤外線を検出することで動作します。

 

主な原理は:人体発射の10μm程度の赤外線をフレネルレンズで増強した後、焦電素子PIR(受動式赤外線)検出器に集積します。

 

人が活動すると、赤外線放射の放出位置が変化し、この素子は電荷バランスを失い、焦電効果が発生して外部に電荷を放出し、赤外線センサはフレネルレンズを透過する赤外線放射エネルギーの変化を電気信号、すなわち焦電変換に変換します。

 

受動赤外線検出器の検出エリア内に人体の移動がない場合、赤外線センサが感知したのは背景温度だけであり、人体が検出エリアに入り、フレネルレンズを通過し、焦電赤外線センサが感知したのは人体温度と背景温度の違いであり、信号が収集された後、システム中にすでに存在する検出データと比較して、本当に人などの赤外線源が検出エリアに入っているかどうかを判断します。

 

受動式赤外線センサには、フレネルレンズという重要な要素があります。

 

フレネルレンズには2つの作用がある:1つは集束作用であり、すなわち熱放出赤外信号がPIRに屈折します。2つ目は、検出領域内をいくつかの明領域と暗領域に分け、検出領域に入る移動物体/人が温度変化の形でPIRに変化を生じさせることができるようにする熱発赤外信号です。

 

一般的には、検出器上の環境温度が上昇し、特に人体の平熱(37℃)に近づくと、センサの感度が低下し、それを介して利得を補償し、感度を高める低ノイズ増幅器にも適合します。

 

赤外線人体センサの2つの重要な使用環境要素:温度差と移動、静止、または目標と環境の温度差が大きくなく、適用できません。

 

インストール要件

 

人体赤外線センサーは室内にしか設置できず、その感度は設置位置と大きく関係しています。人体赤外線センサーを正しく取り付けるには、次の条件を満たす必要があります。

 

1.設置位置暖房、エアコン、冷蔵庫、ストーブなどの空気温度の変化に敏感な場所から離れなければならない。

 

2.窓の外の熱気流の乱れや人の動きによる誤報を防ぐために、窓をまっすぐにしない。

 

3.戸口、ダクトなど強い気流が活動する場所を設置しない。

 

4.探測範囲内にスクリーン、家具、大型盆栽またはその他の隔離物があってはならない。

 

フレネルレンズ

 

フレネルレンズはフランスの物理学者オーギュスティン・フェネル(Augustin.Fresnel)によって発明され、1822年に最初にこのレンズを使ってガラスフレネルレンズシステムである灯台レンズを構築するために設計されました。

 

フレネルレンズ(Fresnel Lens)は微細構造の光学素子であり、正面から見るとダーツ盤のように見え、リングの同心円園で構成されています。

 

フレネルレンズは、簡単に言えばレンズの片側に等間隔な歯紋があり、これらの歯紋により、指定されたスペクトル範囲の光バンドパス(反射または屈折)に作用することができます。

 

従来の研磨光学器材のバンドパス光学フィルターはコストが高いです。フレネルレンズはコストを大幅に削減することができます。典型的な例はPIR(受動赤外線検出器)です。


PIRは警報器に広く使われています。1つ持ってみると、各PIRにプラスチックの小さな帽子があることがわかります。これがフレネルレンズです。小さな帽子の内部には歯の模様が刻まれています。このフレネルレンズは、入射光の周波数ピークを10ミクロン程度(人体赤外線放射のピーク)に制限することができます。

 

焦電赤外線センサ

 

熱放電赤外線センサは主にジルコニウムチタン酸鉛系セラミックス、タンタル酸リチウム、硫酸トリエチレンチタンなどの熱電係数の高い材料から作られ、サイズが2*1 mmの検出素子です。

 

各検出器に1つまたは2つの検出素子を組み込み、2つの検出素子を逆極性で直列に接続して、自身の温度上昇による干渉を抑制します。検出されて受信された赤外線放射は、プローブ素子によって微弱な電圧信号に変換され、プローブ内に装着された電界効果管を介して増幅されて外部に出力されます。

 

検出器の検出感度を高めて検出距離を増大させるために、通常、検出器の前方にフレネルレンズを設置し、フレネルレンズの特殊な光学原理を利用して、検出器の前方に交互に変化する「盲点」と「高感度領域」を発生させ、その検出受信感度を向上させます。

 

レンズの前を通る人がいると、人体から発せられる赤外線は「盲点」から「高感度領域」に交互に入り、受信した赤外線信号は強いか弱いかのパルス形式で入力され、エネルギー振幅を強くします。

 

フレネルレンズと増幅回路を組み合わせることで、信号を70デシベル以上増幅することができ、これにより焦電赤外線センサは10 ~ 40メートルの範囲内の人の行動を検出することができます。

 

人体放射の赤外線中心波長は9 ~ 10 ~ umであるが、検出素子の波長感度は0.2 ~ 20 ~ umの範囲でほぼ安定しています。

 

センサーの先端にフィルターレンズが取り付けられた窓が開設され、このフィルターは光の波長範囲が7 ~ 10-umで、人体の赤外線放射の検出に適しており、他の波長の赤外線をフィルターで吸収することで、人体放射を検出するための赤外線センサーを形成しました。