紅外感應(yīng)開(kāi)關(guān)上的菲涅爾鏡片的原理和應(yīng)用

.../菲涅爾鏡片的原理和應(yīng)用菲涅爾鏡片是紅外線探頭的"眼鏡",它就象人的眼鏡一樣,配用得當(dāng)與否直接影響到使用的功效,配用不當(dāng)產(chǎn)生誤動(dòng)作和漏動(dòng)作,致使用戶或者開(kāi)發(fā)者對(duì)其失去信心。配用得當(dāng)充分發(fā)揮人體感應(yīng)的作用,使其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。菲涅爾鏡片是根據(jù)法國(guó)光物理學(xué)家FRESNEL發(fā)明的原理采用電鍍模具工藝和PE〔聚乙烯材料壓制而成。鏡片〔0.5mm厚表面刻錄了一圈圈由小到大,向外由淺至深的同心圓,從剖面看似鋸齒。圓環(huán)線多而密感應(yīng)角度大,焦距遠(yuǎn)；圓環(huán)線刻錄的深感應(yīng)距離遠(yuǎn),焦距近。紅外光線越是靠進(jìn)同心環(huán)光線越集中而且越強(qiáng)。同一行的數(shù)個(gè)同心環(huán)組成一個(gè)垂直感應(yīng)區(qū),同心環(huán)之間組成一個(gè)水平感應(yīng)段。垂直感應(yīng)區(qū)越多垂直感應(yīng)角度越大；鏡片越長(zhǎng)感應(yīng)段越多水平感應(yīng)角度就越大。區(qū)段數(shù)量多被感應(yīng)人體移動(dòng)幅度就小,區(qū)段數(shù)量少被感應(yīng)人體移動(dòng)幅度就要大。不同區(qū)的同心圓之間相互交錯(cuò),減少區(qū)段之間的盲區(qū)。區(qū)與區(qū)之間,段與段之間,區(qū)段之間形成盲區(qū)。由于鏡片受到紅外探頭視場(chǎng)角度的制約,垂直和水平感應(yīng)角度有限,鏡片面積也有限。鏡片從外觀分類為：長(zhǎng)形、方形、圓形,從功能分類為：?jiǎn)螀^(qū)多段、雙區(qū)多段、多區(qū)多段。下圖是常用鏡片外觀示意圖：

下圖是常用三區(qū)多段鏡片區(qū)段劃分、垂直和平面感應(yīng)圖。當(dāng)人進(jìn)入感應(yīng)范圍,人體釋放的紅外光透過(guò)鏡片被聚集在遠(yuǎn)距離A區(qū)或中距離B區(qū)或近距離C區(qū)的某個(gè)段的同心環(huán)上,同心環(huán)與紅外線探頭有一個(gè)適當(dāng)?shù)慕咕?紅外光正好被探頭接收,探頭將光信號(hào)變成電信號(hào)送入電子電路驅(qū)動(dòng)負(fù)載工作。整個(gè)接收人體紅外光的方式也被稱為被動(dòng)式紅外活動(dòng)目標(biāo)探測(cè)器。鏡片主要有三種顏色,一、聚乙烯材料原色,略透明,透光率好,不易變形。二、白色主要用于適配外殼顏色。三、黑色用于防強(qiáng)光干擾。鏡片還可以結(jié)合產(chǎn)品外觀注色,使產(chǎn)品整體更美觀。每一種鏡片有一型號(hào)〔以年號(hào)+系列號(hào)命名,鏡片主要參數(shù)：一、外觀描述——外觀形狀〔長(zhǎng)、方、圓、尺寸〔直徑。以毫米為單位。

二、探測(cè)范圍——指鏡片能探測(cè)的有效距離〔米和角度。

三、焦距——指鏡片與探頭窗口的距離,精確度以毫米的小數(shù)點(diǎn)為單位。長(zhǎng)形和方形鏡片要呈弧形以焦距為單位對(duì)準(zhǔn)探頭窗口。鏡片與探頭的配合應(yīng)用——我們常用的是雙源式探頭,揭開(kāi)濾光玻璃片,其內(nèi)部有兩點(diǎn)對(duì)7—14um的紅外波長(zhǎng)特別敏感的TO—5材料連接著場(chǎng)效管。靜態(tài)情況下空間存在紅外光線,由于雙源式探頭采用互補(bǔ)技術(shù),不會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)輸出。動(dòng)態(tài)情況下,人體經(jīng)過(guò)探頭先后被A源或被B源感應(yīng),Sa<Sb或Sa>Sb產(chǎn)生差值,雙源失去互補(bǔ)平衡作用而很敏感地產(chǎn)生信號(hào)輸出,見(jiàn)圖〔3C。當(dāng)人對(duì)著探頭呈垂直狀態(tài)運(yùn)動(dòng),Sa=Sb不產(chǎn)生差值,雙源很難產(chǎn)生信號(hào)輸出。因此,探測(cè)器安裝的位置與人行走方向呈平行為宜。根據(jù)以上原理探頭與鏡片結(jié)合可以做成以下感應(yīng)方式的人體探測(cè)器。A、單區(qū)多段水平式和單區(qū)多段垂直式。圖〔4單區(qū)多段水平式感應(yīng)角度大,這是探頭水平視場(chǎng)角度大的緣故,形成一個(gè)長(zhǎng)方形扇面感應(yīng)區(qū),單區(qū)多段水平式亦稱水平幕簾式感應(yīng),此感應(yīng)方式能避開(kāi)上下紅外線干擾。圖〔5單區(qū)多段垂直式感應(yīng)角度小,這是探頭垂直視場(chǎng)角度小的緣故,形成一個(gè)垂直形扇面感應(yīng)區(qū),單區(qū)多段垂直式亦稱垂直幕簾式感應(yīng),此感應(yīng)方式能避開(kāi)左右紅外線干擾。圖〔6探頭與鏡片配合不符合Sa<Sb或Sa>Sb產(chǎn)生差值的要求,因此感應(yīng)不靈敏。采用雙區(qū)同心圓相近的鏡片也能達(dá)到幕簾式感應(yīng)效果。單區(qū)多段和雙區(qū)多段多用于局部區(qū)域感應(yīng)。B、多區(qū)多段感應(yīng)式和多區(qū)多段圓錐體式。圖〔7是多區(qū)多段感應(yīng)式探頭與鏡片對(duì)應(yīng)位置和探測(cè)效果圖,多區(qū)多段感應(yīng)式多用于掛墻式安裝,傾斜向下探測(cè)三個(gè)不同的區(qū)域。圖〔8是多區(qū)多段圓錐體感應(yīng)式,多用于吸頂式安裝,直接向下探測(cè)。采用雙源探頭配用圓形鏡片感應(yīng)方向圖不似圓錐體,因?yàn)樘筋^水平視角大于垂直視角而且出現(xiàn)Sa=Sb的現(xiàn)象,圓錐體效果圖會(huì)中間凹陷。如果圓形鏡片配用四源探頭,感應(yīng)方向圖更趨似圓錐體,見(jiàn)圖〔8探測(cè)效果圖。多區(qū)多段感應(yīng)式和多區(qū)多段圓錐體式感應(yīng)區(qū)域?qū)拸V,多用于大面積探測(cè)。探頭與鏡片配合不符合要求,上圖左中鏡片上下放反,上圖右中探頭設(shè)置在鏡片中間,均無(wú)遠(yuǎn)距離感應(yīng)效果,下盲區(qū)加大,出現(xiàn)不感應(yīng)現(xiàn)象。

C、另類探測(cè)效果的方法。探頭與鏡片偏離,產(chǎn)生不同的探測(cè)方向和效果。探頭偏上,探測(cè)方向向下,見(jiàn)下圖左。同理,探頭偏下,探測(cè)方向向上。探頭偏左,探測(cè)方向向右,見(jiàn)下圖中。同理,探頭偏右,探測(cè)方向向左。探頭偏45度,降低人體活動(dòng)受方向的限制,見(jiàn)下圖右。探頭偏45度且稍微傾斜,適宜探測(cè)狹長(zhǎng)區(qū)域。D、增強(qiáng)探測(cè)動(dòng)作靈敏度的方法。前面已經(jīng)闡述區(qū)段數(shù)量越多被感應(yīng)人體移動(dòng)幅度就越小,因此,選用區(qū)段多且密的鏡片就能增強(qiáng)探測(cè)動(dòng)作靈敏度,人體只要在感應(yīng)的有效范圍內(nèi)稍微移動(dòng)就有效。段密度高的鏡片在50mm長(zhǎng)度有26段之多。E、增強(qiáng)抗干擾的方法。從前面闡述的原理中得知,區(qū)段數(shù)量少被感應(yīng)人體移動(dòng)幅度就要大,選用區(qū)段數(shù)量少的鏡片就能減少誤動(dòng)作,一是人體運(yùn)動(dòng)幅度要大二是區(qū)段數(shù)量少的鏡片形成局部探測(cè),減少外圍干擾源。菲涅耳<Fresnel>透鏡系統(tǒng)菲涅爾透鏡作用有兩個(gè)：一是聚XX用,即將熱釋紅外信號(hào)折射〔反射在PIR上,第二個(gè)作用是將探測(cè)區(qū)域內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū),使進(jìn)入探測(cè)區(qū)域的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號(hào)。菲涅爾透鏡,簡(jiǎn)單的說(shuō)就是在透鏡的一側(cè)有等距的齒紋.通過(guò)這些齒紋,可以達(dá)到對(duì)指定光譜范圍的光帶通<反射或者折射>的作用.傳統(tǒng)的打磨光學(xué)器材的帶通光學(xué)濾鏡造價(jià)昂貴。菲涅爾透鏡可以極大的降低成本。典型的例子就是PIR〔被動(dòng)紅外線探測(cè)器。PIR廣泛的用在警報(bào)器上。如果你拿一個(gè)看看,你會(huì)發(fā)現(xiàn)在每個(gè)PIR上都有個(gè)塑料的小帽子。這就是菲涅爾透鏡。小帽子的內(nèi)部都刻上了齒紋。這種菲涅爾透鏡可以將入射光的頻率峰值限制到10微米左右〔人體紅外線輻射的峰值。成本相當(dāng)?shù)牡汀７颇鶢柾哥R的主要作用就是將探測(cè)空間的紅外線有效地集中到傳感器上。通過(guò)分布在鏡片上的同心圓的窄帶〔視窗用來(lái)實(shí)現(xiàn)紅外線的聚集,相當(dāng)于凸透鏡的作用。這部分選擇主要是看透鏡窄帶的設(shè)計(jì)及透鏡材質(zhì)?？紤]透鏡的參數(shù)主要有：光通量、不同透鏡同心度、厚度不均勻性、透鏡光軸與外形同心度、透過(guò)率、焦距誤差等。菲涅爾透鏡窄帶〔視窗的設(shè)計(jì)一般都是不均勻的,自上而下分為幾排,上面較多、下邊較少,一般中間密集、兩側(cè)疏。因?yàn)槿四槻?、膝部、手臂紅外輻射較強(qiáng),正好對(duì)著上邊的透鏡；下邊較少,一是因?yàn)槿梭w下部紅外輻射較弱,二是為防止地面小動(dòng)物紅外輻射干擾。材質(zhì)一般用有機(jī)玻璃。配套的360度球形菲涅耳透鏡,每個(gè)1.5元〔XX生產(chǎn)焦距：10.5毫米

角度：100°

探測(cè)距離：8米

尺寸：Ф23

體積：24*24*15毫米產(chǎn)品2：超小型菲涅耳球型透鏡E每個(gè)1.9元這是我們最新開(kāi)發(fā)的超小球型紅外透鏡,它分兩部分組成,底座可以直接戴到RE200B上,上蓋是菲涅爾透鏡,它解決了菲涅爾透鏡不好固定的問(wèn)題,右圖是我們做好的成品模塊,感應(yīng)角度：110度

焦距：5毫米

角度：150度

探測(cè)距離：3米

體積大?。喉敳恐睆?2.5毫米,最大邊緣13.5毫米,高10毫米產(chǎn)品3：56*36毫米長(zhǎng)方形廣角菲涅耳透鏡C每個(gè)1元焦距：25毫米

探測(cè)距離：12米

外形：56X36毫米產(chǎn)品4：56*36毫米長(zhǎng)方形幕簾菲涅耳透鏡D每個(gè)1元焦距：25毫米

探測(cè)距離：12米

外形：56X36毫米紅外檢測(cè)專用BISS0001芯片DIP每片2.9元貼片每片3元配套的熱釋電元件RE200B體積：8.3*4.2mm每個(gè)5.8元靈敏元面積2.0×1.0mm2

基片材料硅

基片厚度0.5mm

工作波長(zhǎng)7-14μm

平均透過(guò)率＞75%

輸出信號(hào)＞2.5V

<420°k黑體1Hz調(diào)制頻率0.3-3.0Hz帶寬72.5db增益>

噪聲＜200mV

<mVp-p><25℃>

平衡度＜20%

工作電壓2.2-15V

工作電流8.5-24μA

<VD=10V,Rs=47kΩ,25℃>

源極電壓0.4-1.1V

<VD=10V,Rs=47kΩ,25℃>

工作溫度-20℃-+70℃

保存溫度-35℃-+80℃

視場(chǎng)139°×126°

說(shuō)明該傳感器采用熱釋電材料極化隨溫度變化的特性探測(cè)紅外輻射,采用雙靈敏元互補(bǔ)方法抑制溫度變化產(chǎn)生的干擾,提高了傳感器的工作穩(wěn)定性。

1、上述特性指標(biāo)是在源極電阻R2