智能传感器参考文献(红外传感器参考文献)

 

林勇强1 王新雷2

1.清远职业技术学院

2.广东美的制冷设备有限公司

摘要

Abstract

热释电红外传感器在空调中的应用日益广泛，其配套使用的装饰材料对实际检测距离有很大的影响。采用人体辐射特征红外波（9.5 µm）的透过率对材料红外透过性能进行表征，并与传感器实际的红外检测距离进行对照研究。并采用高密度聚乙烯（HDPE）为主要材料制备传感器遮盖膜片，材料9.5 µm波长的透过率越低，传感器的实际检测距离也越短。红外透过率可以有效的对材料的红外穿透性能进行评价，对红外穿透材料的开发具有较好的指导意义。

关键词

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Keywords

人体辐射红外波；高密度聚乙烯；红外透过率

DOI:10.19784/j.cnki.issn1672-0172.2022.01.010

0 引言

智能、舒适、健康、节能是当前空调发展的主要趋势。传统空调通过搭载各种传感器，实现对环境状态及人体状态的感知，并结合智能风温精准控制技术，使空调从单纯的温度调节到温度、湿度、风量风速、空气洁净度和空气新鲜度多维度的调节，使空气质量和舒适度极大提升[1]，以智能手段达到舒适、健康、节能的效果。当前在日本市场上销售的高端空调都安装有传感器，以监控所有能效参数和个人舒适度，实现智能化控制[2]。其中热释电红外传感器（下文简述为红外传感器）在智能空调中的应用最为广泛，它通过对人体发射红外波的探测，来实施空调的开关机、送风温度等方面的控制，达到舒适、节能与安全的目的。

为了提高红外传感器的探测灵敏度以增大探测距离，在其前面通常需要增加一个半球形的塑料菲涅尔透镜，其主要有以下两个作用：一是聚焦作用，菲涅尔透镜将目标物的红外辐射聚焦到热释电红外传感器的热敏元件上；二是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在热敏元件上产生变化的热释红外信号。其利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的盲区和高灵敏区，以提高它的探测接收灵敏度[3][4]。

半球形的塑料菲涅尔透镜对空调的外观有一定的影响，通常都将传感器组件嵌入安装于机身内部，并在外侧贴有一张与空调面板外观相近的膜片进行遮盖，实现外观的协调一致。图1是某型带红外传感功能的空调照片，传感器组件隐藏在遮盖膜片里面。红外传感器工作时，人体的红外辐射首先穿过遮盖膜片，红外波会被膜片吸收和反射一部分，造成信号强度的衰减，因此这个遮盖膜片的红外穿透性能对传感器的灵敏度有着至关重要的影响。穿透膜片部分的红外波经过塑料菲涅尔透镜聚焦到红外传感器上，实现探测功能。

目前红外传感器使用的红外遮盖膜片基本由日本厂商提供，主要材质为聚乙烯，透红外性能较好，但其价格较高，且供货周期较长。国内厂商也开始进行开发红外遮盖膜片，但透红外性能波动较大，并且依赖于通过整机的红外检测距离测试来评价膜片性能，缺乏针对性的材料评价指标，因此有必要研究一种合适的材料评价方法和指标，以指导红外穿透材料的开发。

1 技术分析

自然界中的绝大多数物质均能产生电磁波辐射，只是不同物质的辐射大小和模式不同，根据黑体热辐射的维恩位移定律：λmax=b/T，其中：λmax为辐射的峰值波长，T为黑体的决定温度，b为维恩位移常数（b=2.8977685*10-3 mK）。物体辐射的峰值波长与物体的绝对温度成反比, 人体几乎接近黑体辐射，人体各部分热辐射波长峰值在8～12 µm之间，代入人体皮肤的温度为32℃（T=305.15 K），计算可得λmax=9.5 µm[5][6]。红外传感器对波长在8～14 µm范围内的红外辐射很敏感, 并且会把热能转换成电信号[7][8]，因此红外传感器能很好地检测到人体辐射的红外波。

在有机物分子中，组成化学键或官能团的原子处于不断振动的状态，其振动频率与红外波的振动频率相当。所以，用红外光照射有机物分子时，分子中的化学键或官能团可发生振动吸收，不同的化学键或官能团的吸收频率不同。聚乙烯（PE）结构简单，分子结构中的C-C键与C-H键内部的振动模式较少，在人体辐射的8～12 µm红外波段内没有较强的吸收基团，吸收峰与8～12 µm红外重叠范围较少，因此PE材料在人体辐射的红外波段内具有优良的透过率性能[9][10]。常见的PE有高密度PE（HDPE）、低密度PE（LDPE）和线性低密度PE（LLDPE）三种，其中HDPE的强度和模量最高，由于红外传感器遮盖膜片需要有一定的强度和刚度，因此选择HDPE为基材进行开发。

2 试验验证

2.1 试验方案

选用茂名石化TR144牌号的HDPE作为基材，研究不同色粉种类、含量及膜片厚度对遮盖膜片的红外透过率及检测距离的影响。在实际使用中通常需要将遮盖膜片配成与空调机身接近的颜色，实现外观协调，因此选择常见的白色、黑色，以及红色、黄色、蓝色进行研究，因为根据配色原理，使用红、黄、蓝复配可以调出各种所需的颜色。

在HDPE里添加1.0%钛白粉时，白度与空调白色面板接近，所以白色膜片中钛白粉的添加比例选择为0.5%、1.0%和1.5%，添加量越高，白度越高。炭黑的遮盖性极好，只需0.05%的添加量即可基本满足外观要求，所以黑色膜片中的炭黑添加比例选择为0.01%、0.05%和0.09%。红、黄、蓝有机色粉添加0.5%比例时膜片的颜色基本满足要求，所以红、黄、蓝色膜片分别使用对应的色粉，添加比例均为0.1%、0.5%和0.9%，色粉添加量越高，颜色越深。将HDPE与不同比例色粉共混挤出、造粒，然后用压片机制备0.1 mm～0.5 mm厚度的膜片，根据空调视窗尺寸裁切成所需规格大小的片材，并在背面周边贴上一圈3M 9448A双面胶带，制备出不同颜色、厚度的遮盖膜片。膜片通过双面胶贴合到空调面板上。同时测试某日本厂商提供的0.3 mm厚白色红外遮盖膜片产品，其性能作为对比参考。

2.2 红外透过率测试

膜片的红外透过率使用德国BRUKE TENSOR 27红外光谱仪测试。将红外穿透膜片样品放置在红外光谱仪的透射测试支架内，在透射模式下进行测试。由于人体辐射的红外最大峰值波长为9.5 µm，因此选择此波长下的红外透过率进行评价材料的红外透过性能。在红外吸收光谱图中使用波数为横坐标，波数等于波长的倒数，单位为cm-1，9.5 µm对应的波数为1053 cm-1，利用设备自动读取该波数的透过率数据，测试3个样品，结果取平均值。

2.3 红外检测距离测试

带红外传感器的空调红外检测距离参考企业标准进行测试：将带红外检测功能的测试样机挂起离地面2.2 m，膜片水平贴在某型号数字式热释电红外传感器正前方。如图2所示，测试者站在样机的前方，在与空调夹角为90°的位置及左右分别30°扇形移动，以0.1 m为间隔向外逐步增加与空调的距离。假设在距离N（m）时，测试者在90°及左右30°位置均能被检测到，而在N+0.1 m时，3个角度中至少有一个位置不能被检测到，则样机的红外检测距离为N（m）。根据企业标准要求，样机的红外检测距离应不小于6 m。

3 结果与分析

3.1 纯HDPE膜片分析

不同厚度的纯HDPE膜片的9.5 µm红外透过率和红外检测距离关系见图3，可以看到随着厚度增加，红外透过率逐渐下降，检测距离也随着降低。

对红外透过率T（%）、检测距离D（m）与厚度d（mm）进行线性拟合，关系式如下：

互联网小常识：在传统网络中，逻辑工作组容易受其所在网段的物理位置的限制，但有了交换式局域网则可采用虚拟局域网VLAN技术加以改善。VLAN可以有以下四种定义方式：基于交换机端口定义的虚拟局域网、基于MAC地址定义的虚拟局域网、基于网络层地址定义的虚拟局域网和基于IP广播组定义的虚拟局域网。

红外透过率、检测距离与膜片厚度均具有较好的线性相关性。贴有0.1 mm的HDPE膜片时，检测距离为10.1 m，而膜片厚度为0.5 mm时检测距离下降到了7.8 m。

3.2 配色HDPE膜片分析

各颜色不同厚度膜片的9.5 µm红外透过率和检测距离关系见图4～图8。各种颜色膜片的红外透过率和检测距离均随着厚度增加而下降，两者变化趋势基本相同。

选取1%钛白粉、0.05%炭黑和0.5%红、黄、蓝色粉的红外透过率T（%）、检测距离D（m）与膜片厚度d（mm）关系进行线性拟合，T =kd+b；D=Kd+B，其中各曲线的拟合函数及拟合系数R2分别见表1和表2。可以看到拟合系数均接近1，说明红外透过率、检测距离和厚度的线性相关性好，且各拟合直线的斜率差别不大，可知各颜色膜片的厚度对红外穿透性能的影响趋势基本一致。

各种色粉的添加量与红外透过率、检测距离的关系见图9～图10。对红外透过率T（%）、检测距离D（m）与色粉浓度c（%）关系曲线进行线性拟合，T =kc+b；D=Kc+B，其中各拟合直线的拟合函数及拟合系数R2分别见表3和表4。可以看到黑色粉拟合直线的斜率绝对值远高于其它色粉，黑色粉浓度对红外透过性能影响远远高于其它色粉，这表明炭黑具有很高的红外遮蔽能力。其他颜色色粉浓度对红外检测距离的影响差别不大。红色色粉浓度与红外透过率及红外检测距离及蓝色色粉浓度与红外检测距离拟合函数的拟合系数R2均较低，线性相关性较差，尤其是检测距离，红色和蓝色色粉浓度从0.5%增加到1.0%时，红外检测距离基本不变，有可能是这两种色粉对9.5 µm的红外波不敏感，在HDPE树脂中分散浓度达到一定阈值后即对红外穿透影响趋于稳定。白色色粉浓度与红外检测距离拟合函数的拟合系数R2=1，呈理想的线性关系，这是因为白色粉为无机的钛白粉，其对红外穿透的影响为单纯的遮蔽作用，色粉浓度越高，遮蔽性也越强，对应的红外检测距离也越小。

日本厂商提供的0.3 mm厚的白色膜片红外透过率为46.413%，检测距离为8 m，而自制的添加1%钛白粉，0.3 mm厚的白色膜片红外透过率为46.486%，检测距离为8 m，红外穿透性能与进口产品基本一致。此外本文开发制备的红外穿透膜片的红外检测距离均超过6 m的企业标准要求。

4 结论

选择人体辐射最大峰值波长9.5 µm处的红外透过率可以很好表征热释电红外传感器用HDPE红外穿透膜片材料的红外穿透性能，膜片材料的红外透过率越低，对应的红外检测距离也越短，两者具有较好的对应关系。炭黑对红外光具有很强的遮蔽能力，在红外穿透材料中的添加量要尽量少。膜片的厚度增加，红外穿透性能也会降低，因此在满足强度要求的前提下，选择较薄的膜片有利于获得较高的红外穿透性能。

本文研制的0.3～0.4 mm厚度的HDPE膜片具有较好的红外穿透性能，能够满足家用空调热释电红外传感器用遮盖膜片的装饰与功能要求，可为红外穿透材料的开发提供参考借鉴。

参考文献

[1] 徐鸿, 石文鹏. 智能家电舒适、健康发展之路[J]. 家电科技, 2020(01): 24-27.

[2] 2019年国际空调市场概述[J]. 家电科技, 2020(02): 8-10.

[3] 梁海生. 用于红外成像的菲涅尔透镜设计与分析[D]. 西安: 西安工业大学, 2013.

[4] 崔永俊, 贾磊, 王希鹏, 赵秀梅, 薛志勇, 杜文略. 一种热释电红外探测器的单目设计[J].自动化仪表, 2016, 37(04): 97-99+102.

[5] N.Kakuta, S.Yokoyama, M.Nakamura., et al. Estimation of radiative heat transfer using a geometric human model [J]. IEEE Transactions in Biomedical Engineering, 2001(48): 324-331.

[6] Po-chun Hsu, Chong Liu, Alex Y. Song, et al. A dual-mode textile for human body radiative heating and cooling [J]. Science Advances, 2017, 3(11): 1-8.

[7] 彭丽静, 宫世宽, 李丽静. 热释电红外传感器原理及应用[J]. 煤炭技术, 2005, 24(03): 113-114.

[8] 李等. 基于热释电红外传感器的人体定位系统研究[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2015

[9] 沈德言. 红外光谱法在高分子研究中的应用[M]. 北京: 科学出版社, 1982: 61-64.

[10] 王宇轩. 红外高透PE用于辐射供冷表面的实验研究[D]. 广州: 广州大学, 2020.

（责任编辑：张晏榕）

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