人员动静传感器

2．4．3　人员动静传感器

人员动静传感器通过探测人的运动而产生如下功能:当有人进入房间时，开启照明系统；当房间内有人时，保持照明系统；当人都离开时，关闭照明系统。

通常人员动静传感器主要采用以下几种技术:

（1）无源红外探测器（Passive Infrared，PIR）:通常将1个或多个探头置于特殊的红外透镜的后面，其最大灵敏度为波长9．4μm处，即对应的人体能量的峰值处，通过探测运动的人发出的能量（热量）变化而产生信号。但该种探头在应用时需要保证人的动作信号进入探头时不被障碍物阻挡，以免产生误信号。

（2）超声波探测器（Ultrasonic，ULT）:这种探头发射和接收由室内表面反射的超声波信号（频率范围为25～40kHz），当室内有物体移动时会导致反射频率的改变，由此来探测运动。这种探测器不需要无源红外探测器那样保证动作信号能进入探头，并且它可以探测微小的运动，但过高的敏感度有时出会产生误信号。

（3）采用双重技术传感器（Dual Technology，DT）:大多数的人员动静传感器都采用PIR和ULT技术结合，只有两种测器都探测到有人进入房间才会开启照明系统，只要有一种探测器探测到运动就会保持照明系统，当两种探测器都探测不到运动才关闭照明系统，这样就减少了误操作的概率。

人员动静传感器在照明控制系统中大量使用的是被动红外探测器，故重点加以介绍。

1）被动式红外人员动静传感器基本工作原理

被动式红外人员动静传感器的基本工作原理是:人体的表面温度与周围环境温度存在着一定的差别，在人体移动时，人体的表面温度会引起周围的环境温度产生变化，这种温度差别产生的环境温度变化，可以通过红外敏感元件检测出来，从而触发控制信号的发生。

由于被动式红外人员动静传感器安装环境中的所有物体都会产生红外线和热辐射，但在正常情况下，它们产生的辐射一般比较稳定。空气的流动和温度的变化等也能产生红外线辐射的微小信号变化，一般情况下，较人体移动产生的红外线辐射变化要小。为了防止这些变化影响到被动式红外人员动静传感器的可靠性，现在的被动式红外人员动静传感器采用了多种抗干扰技术，从而提高了它们工作的可靠性。

在照明工程中使用的被动式红外人员动静传感器，普遍采用热释电传感器作为红外线控测器件。国产SD02型热释电传感器的结构组成和结构原理图如图2．34所示。

图2．34　SD02型热释电传感器的结构组成和结构原理

热释电传感器通常由管壳、敏感元、场效应管和高阻值电阻等元件在氮气环境下封装而成。

（1）敏感元

敏感元一般用红外热释电材料钴钛酸铝（PZT）制成，这种材料具有在外加电场消失后保持极化状态的特性。在制造敏感元时，把热释电材料制成很小的薄片，薄片的两面镀上电极，构成有极性的小电容。再将2个小薄片极性相反的串联在一起，抵消温度引起的热释电信号的变化，构成一个敏感元。敏感元的特点是只在由于外界的红外线辐射引起它本身的温度变化时，才输出一个相应的电信号变化。当温度的变化趋于稳定后，没有电信号输出。也就是说，敏感元只对运动产生的红外线辐射变化敏感。目前在被动式红外线探测器上常用的有2元被动红外敏感元和4元被动红外敏感元。

（2）场效应管

敏感元材料的阻值可达到10¹³Ω，因此敏感元在实际应用中常采用场效应管（FET）进行阻抗变换和对检测到的信号进行放大。在管壳内同时封装有场效应管和栅极对地电阻，场效应管通常构成源极跟随器的形式工作。源极电压为0．4～1．0V左右。

（3）滤光片

由于敏感元是一种广谱材料，它对各种波长的辐射均起作用，为了减少其他辐射对传感器的干扰，使敏感元只对人体产生的红外线辐射变化最敏感，在热释电传感器的探测窗口上，通常加有滤光片。滤光片是在基板上采用多层镀膜做成的。由物理学可知，每个物体发出的红外线辐射最强的波长满足维思位移定律，即:λ_mT＝2898（μm·K），人体的体温在36℃时．绝对温度为309K，因此，人体产生的红外线辐射为:λ_m＝2898／309＝9．38（μm），即人体辐射在9．38μm处最强。这样，红外线滤光片选择在7．5～14μm波段，能够最有效地探测人体产生的红外线辐射变化。

用以上元件封装在一起构成的热释电传感器，再加上相应的放大、比较和处理电路，就构成了被动式红外人员动静传感器。由于热释电传感器是对环境温度敏感的电子元件，当开始通电时，需要一个热稳定时间，因此，被动式红外人员动静传感器一般都有2min左右的预热时间。

（4）放大处理电路

人体运动变化产生的红外线辐射信号的频率为0．1～10Hz。这个频率由附加在被动式红外人员动静传感器上的菲涅尔透镜、人体的运动速度和热释电传感器的响应速度所决定。为了抗干扰，放大器电路一般采用中低频率在1Hz附近的带通滤波放大器对热释电传感器输出的信号进行放大，然后进行比较处理，产生报警信号的输出。带通滤波器的带宽对灵敏度和可靠性影响很大，因此在放大器电路设计中，对滤波器特性曲线和比较电路的选择，决定了各生产厂家探测器的探测性能和可靠性。一些生产厂家为了进一步提高被动式红外人员动静传感器的探测性能和可靠性，在放大器后面还采取了各种信号处理技术，如采用脉冲计数的方法来提高抗干扰能力，电路只有在计数达到规定的脉冲个数（如2～4个脉冲时）才能产生控制信号输出，这样就有效地克服了瞬时干扰造成误操作的可能性。

（5）菲涅尔透镜

被动式红外人员动静传感器在探测面上装有用聚乙烯材料做成的菲涅尔透镜。菲涅尔透镜实际上为一组透镜，由均匀分布的单元透镜阵列组成，每一个单元透镜都有一个不大的视角。而相邻的两个单元透镜的视场分别独立不相连接，因而构成了一个又一个独立的小视场。图2．35是一种菲涅尔透镜的外形及其安装示意图。

图2．35　一种菲涅尔透镜的外形及其安装示意图

在前面介绍热释电红外传感器的热电转换原理时，曾谈到它是利用强热电系数的探测元来检测活动体放射出来的红外线能量变化的，即探测元应能反应红外辐射能量值的变化。这表明:热释电红外传感器对红外辐射能量的绝对值并不感兴趣，感兴趣的应是红外辐射能量变化值的大小。例如，若站在红外传感器近前的是一个纹丝不动的人，传感器就没有反应；而较远地方的人稍一移动，红外传感器便迅即有脉冲信号输出。

基于上述检测原理，在进行光学系统设计时，不仅应把监测空间辐射来的红外线聚焦至传感器，还应能敏锐地觉察出这些红外能量的变化。因此，在设计聚光透镜时，往往要对光滑的光学镜面进行棱状或柱状处理。不管是柱状处理的透射镜还是棱状处理的反射镜，其设计用意在于使被监测的空间产生一系列交替的狭小的红外“高灵敏感应区”和“盲区”（空区）。当有人从镜前走动时，人体发出的红外线就不断地从“高灵敏感应区”进人“盲区”，传至红外传感器的红外线便会时有时无，即大量的光脉冲进人红外探测元，经转换后便输出相应变化的电脉冲，因而提高了其接收灵敏度，大大提高其探测距离。

当人体在透镜的视场分布区内运动时，依次进入其中一个单元透镜的视场内，又走出这个单元视场进入另外一个单元视场……这样，人体的红外线辐射不断改变着热释电敏感元的温度，使敏感元输出一个又一个相应的电信号变化。图2．36画出了菲涅尔透镜的视场分布。

图2．36　菲涅尔透镜视场的感应区和盲区

图2．37为热释电红外传感器电路图。图中，红外探测器LN074B将移动人体辐射的红外线信号转换成交变的超低频信号（0．3～10Hz），并经低噪声前置放大器VT₁放大后，加至运放IC₁的引脚3。IC₁采用PMOS运算放大器CA3140，它与R₄、R₅、C₄等组成低通（0．1～10Hz）放大器，增益约为20倍。IC₂（CA3140）与R_P1组成电压比较电路。平时，探测区内无人走动，IC₁处于静态，IC₂无信号输出，VT₂截止，K₁不动作。当有人员进入探测区内时，传感器输出的低频交流信号经VT₁、IC₁两级放大（两级增益约为70dB）后，当加到IC的引脚3的信号高于基准电压值时，IC的输出转呈高电平，VT饱和导通，K吸合，发出控制信号，实现自动控制。

图2．37　红外传感器电路

2）人员动静传感器的应用

人员动静传感器有五个特性参数:灵敏度、观察区、覆盖区、覆盖模式和延时。灵敏度反映了探测器对动作的灵敏程度，许多产品的灵敏度可调，但调节后会引起其他特性的变化，一般说来，灵敏度越高，覆盖区越大；观察区指探测区域的角度边界，通常表征采用红外技术的探测器，并由透镜的特性来决定；覆盖区指探测区域的物理边界，通常厂家给出的数据都是在一定的安装高度上的；覆盖模式通常也是用来表征采用红外技术的探测器，由透镜的特性来决定，并通常用几何形状（方形、圆形、矩形或椭圆）来表示；探测器通常都可设置延时，以减少灯具的频繁开关和误操作。

人员动静传感器可安装于墙壁开关面板处、室内天花板的中央或者房间高处的角落里。人员动静传感器适合用于使用状况不规律和不易预期的区域，如私人办公室、复印间、储藏室、教室、卫生间、走廊和仓库等。在这些区域采用人员动静传感器后，节能效果显著，表2．1表示了在不同应用区域采用人员动静传感器后的节能百分比。据美国的调查报告显示，采用人员动静传感器的成本回收期为1年半至3年。

表2．1　不同应用区域采用人员动静传感器后的节能百分比