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    “LED+智能”照明系統與傳感技術

     闡述傳感技術配合“LED+智能”照明進行系統管理,從工作原理,硬件和軟件設計方案中體現傳感器在智能LED照明系統中擔當的重要角色。預測LED照明與更多傳感器及無線通訊技術相融合得到廣泛應用,讓人們感受更為舒適的光環境。

    引言

    隨著人們生活水平的提高,具有色彩豐富的LED(light emitting diode,LED)在家居照明、商業照明、公共照明和景觀照明等領域得到廣泛應用,各類傳感器和智能控制系統在LED照明的二次節能中發揮的作用得到充分地體現,傳感器在“LED+智能”照明系統中起到傳輸信息與交互的作用,有效控制燈的照明時間實現節約能源,也是實現智能控制的重要一環。本文重點介紹“LED+智能”照明與傳感技術結合應用的方案特點,為了讓人們擁有舒適的光環境及可持續節約能源,照明產品正由傳統單一的照明轉變為智能照明系統,各種傳感器與LED照明產品匹配充當智能控制系統的眼睛。例如在公共照明領域,LED路燈利用光敏傳感器根據白晝周期實現光控,紅外傳感器采集人們的活動信息實現人走燈滅,使我們的生活更加節能環保,“LED+智能”照明與傳感技術的結合應用將顛覆傳統照明概念。

    1、傳感技術概述

    人為了從外界獲取信息必須借助于感覺器官,在信息傳輸過程中,首先要解決的就是獲取準確及可靠的信息,傳感器(transducers)是獲取自然環境和相應工作過程中信息的主要途徑與手段。國家標準GB/T7665-2005《傳感器通用術語》定義傳感器為:能感受被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置,通常由敏感元件和轉換元件組成。

    1.1 典型傳感器

    (1)熱釋電紅外傳感器:熱釋電紅外傳感器(passivelnfrared ray)是將具備熱釋電材料做成的熱敏型紅外傳感器,可把透過濾光晶片紅外輻射能量轉變為電信號的熱電轉換。其工作原理如圖1,探測器表層溫度沒有變化時,內部電荷與表面吸附電荷所中和,則探測器的溫度保持平衡T[K]。如果接收到外部紅外輻射時,其溫度發生變化,敏感元則會有變化T+T [K],即由外部紅外輻射引發探測器敏感元表層的溫度變化時,傳感器會釋放出電流。當溫度穩定,內部電流則平衡,敏感元就無電流產生,對相對靜止的熱源體則無電流輸出,通過利用熱釋電紅外探測器這一特征,可檢測到如人運動的紅外熱源,此類傳感器是被動型的溫度敏感器件,對應用的環境溫度要求不高,靈敏度極高且光譜效應寬,大量應用于照明行業。

    圖1 熱釋電紅外探測器原理

    值得注意的是紅外熱釋電傳感器的應用必須借助菲涅爾透鏡(fresnel lens),菲涅爾透鏡為聚烯烴或玻璃制造的薄片,薄片表面一面為光面,另一面刻錄了由小到大的同心圓,在傳感器結構中具有視角調制與聚焦的作用,可擴大探測器接收信號源的范圍,探測警戒線內紅外能量的變化,監視在運動的紅外源或者移動熱源。菲涅爾透鏡與紅外熱釋電傳感器配合應用如圖2,由系統固化軟件對采集的全部數據進行分析后傳輸給控制中心,并經過邏輯分析并判斷是否發出控制信號。

    圖2 菲涅爾透鏡與熱釋電紅外探測器的應用

    (2)光敏傳感器:光敏傳感器(photovaristor)即光敏二極管,是一種通過感知周圍光線并能將光信號變為電信號的半導體器件,通過核心部件光敏電阻利用半導體光電效應形成電阻值,可隨著入射光線的強弱改變電阻器的阻抗值,光亮度強時則其電阻小,光弱則其電阻大。光敏傳感器常用于光的測量、控制及光電轉換,另一核心部分PN結的結構不同于普通二極管,為便于接入光線,PN結的面積會盡量做大和電極面積做小,把PN結空穴做淺到小于1 μm。圖3為光敏傳感器工作原理圖,在應用時會有一個感應環境光強弱的端口,當光線變化時,PN會自動開關。通常路燈運用光敏傳感器實現天黑時開燈及天亮后滅燈的功能,不需人工操作而實現光控模式的典型應用。

    圖3 光敏傳感器電路

    (3)聲控傳感器:由聲音控制傳感器、音頻放大器、選擇頻道電路、延時開啟電路及可控硅控制電路等組成的聲控傳感器(microphone array)。以聲音對比結果來判斷是否要啟動控制電路,用調節器給定聲控傳感器的原始值設定,聲控傳感器不斷地將外界聲音強度與原始值做比較,當超過原始值時向控制中心傳達“有音”信號,聲控傳感器在樓道及公共照明場所得到廣泛的應用。

    (4)溫度傳感器:能感受溫度并轉換成可用輸出信號的傳感器為溫度傳感器(temperature transducer)。由于LED燈具散熱不佳而導致LED早期失效或光衰嚴重的案例很多,固照明產品在結構設計時廣泛采用溫度傳感器作為LED或控制裝置的過溫保護裝置,在燈具的熱源處利用溫度傳感器來實時監控燈具的溫度,當燈體溫度升高到上限值時,電路自動降低控制裝置的輸出電流或關閉控制裝置使燈具降溫,當溫度降至設定下限值時自動調整控制裝置的輸出電流至額定值或重新開啟,其工作原理見圖4。

    圖4 NTC過溫保護電路


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