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3.3 菲涅尔透镜的应用
所谓的菲涅尔透镜就是一种由塑料制成的特殊设计的光学透镜组，它与热释电元件配合，可以提高传感器的灵敏度，扩大监视范围。实验证明，传感器加上菲涅尔透镜后，其检测距离可以由原来的2米而增加到10米。透镜的工作原理是当移动物体或人体发射的红外线进入透镜的监视范围，就会产生一个交替的“盲区”和“高敏感区”，使传感器晶片的两个反向串联的热释电元件是轮流感受到运动物体，所以人体的红外辐射以光脉冲的形式不断改变热释电元件的温度，使它输出一串脉冲信号，若人体静止不动地站在热释电元件前，它会无输出，可提高热释电红外传感器的抗干扰性能。[9]
菲涅尔透镜的主要作用就是将探测空间的红外线有效地集中到传感器上。通过分布在镜片上的同心圆的窄带（视窗）用来实现红外线的聚集，相当于凸透镜的作用。这部分选择主要是看透镜窄带的设计及透镜材质。考虑透镜的参数主要有：光通量、不同透镜同心度、厚度不均匀性、透镜光轴与外形同心度、透过率、焦距误差等。菲涅尔透镜窄带（视窗）的设计一般都是不均匀的，自上而下分为几排，上面较多、下边较少，一般中间密集、两侧疏。因为人脸部、膝部、手臂红外辐射较强，正好对着上边的透镜；下边较少，一是因为人体下部红外辐射较弱，二是为防止地面小动物红外辐射干扰。材质一般用有机玻璃。
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4 红外热释传感器在智能化照明系统中的应用研究
4.1 红外辐射的基本知识
红外辐射的物理本质是热辐射，它是由于物体(固体、气体和液体)内部分子的转动及振动而产生。这类震动是由物体受热引起的。只有在绝对零度时（-273.16℃），一切物体的分子才停止运动。
在一般常温下，所有物体都是红外辐射的发射源，如火焰、汽车、动植物、人体都是红外辐射源，但发射的红外波长不同而已。
红外线和所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉和吸收等性质，但它的特点是热效应最大。实践证明，温度愈低的物体辐射的红外线波长愈长，人体的温度在37℃左右，所发射的红外波长为9～10um（属于远红外区），加热到400～700℃的物体其发射的红外线波长为3～5um（属于中红外区），因此，热释电红外传感器可根据物体的表面温度不同而发出不同波段的红外光而进行温度检测的。[8]
4.2 红外传感器
4.2.1定义与分类
红外传感器（也称为红外探测器）是能将红外辐射能转化为电能的光敏红外传感器，它是红外探测器件的关键部件，它的性能好坏将直接影响系统性能的优劣。因此，选择合适的、性能良好的红外传感器，对红外探测器是十分重要的。红外传感器件可分为热释电型红外光敏器件和量子型红外光敏器件。两者的区别在于：前者先把红外光能转变为探测元自身的温度变化，再利用热电效应产生相应的电信号，这种方式有较宽的红外波长响应范围，价格较便宜，但灵敏度低，响应速度慢；后者在受到红外光照时，器件的电阻值或两端的电动势会产生变化，从而直接产生电信号。这种方式灵敏度高，响应速度快，但红外波长响应范围较窄，价格较高，且需在低温条件下使用。其中，热释电型探测器在热探测器中探测率最高，频率响应最宽，所以这种探测器倍受重视，发展很快。 4.2.2 热释电效应
当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度，图4.1.2表示了热释电效应形成的原理。
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4-1 热释电效应形成的原理
热释电传感器正是利用热释电效应制成的。能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件，其常用的材料有单晶(LiTaO3 等)、压电陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）。[10]
4.2.3 热释电红外传感器的结构
结构上，双元型红外线传感器主要有：敏感元件、场效应管、高阻抗变换管、滤光
4-2 热释电红外传感器的结构
窗等。敏感元件：2个极性相反热释电单元，可以抵抗可见光、大部分红外线干扰，只对运动人体敏感。场效应管和高阻抗变换管：用于阻抗变换和信号放大。滤光窗：在一块玻璃上镀的多层滤光薄膜，对阳光、电 灯光抗干扰，仅对人体发出的红外线(波长7~14um)最敏感自然界任何高于 -273K的物体都将产生红外光谱，温度不同对应的红外线波长也不同。人体都有恒定的体温，一般为37度，发出10微米左右的特定波长红外线。菲涅尔透镜：增大热释电传感器的探测距离，是一组透镜，每个只有一个不大的视场，且相邻视场不连续都相隔一个盲区。当人体在具有此透镜的传感器监控范围内移动时，形成一个不断交替变化的盲区和亮区使敏感单元的温度不断变化。[11]在热释电红外传感器中有两个关键性的元件，一个是热释电红外敏感单元(PIR)，它能将波长为7~14um之间的红外信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用。另外一个元件是菲涅尔透镜，有折射式和反射式，作用有两个：一是聚焦作用，即将红外信号折射（反射）在PIR上，二是将警戒区内分为若干个明区和暗区，使进入警戒区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号，这样PIR就能产生变化的电信号。由实验证明，传感器不加光学透镜(也称菲涅尔透镜)，其检测距离小于2m，而加上光学透镜后，其检测距离可大于7m。 4.2.4 热释电红外传感器的工作原理及特性
热释电传感器是对温度敏感的传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，在元件两个表面做成电极，在探测器的警戒区内，当无人体移动时，热释电红外感应器感应到的
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只是背景温度，当人体进人警戒区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号ΔT，热释电效应会在两个电极上产生电荷ΔQ，即在两电极之间产生一微弱的电压ΔV。由于它的输出阻抗极高，在传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷ΔQ会被空气中的离子所结合而消失，即当环境温度稳定不变时，ΔT=0，则传感器无输出。当人体进入检测区，因人体温度与环境温度有差别，产生ΔT，则有ΔQ输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出了。[12]所以这种传感器检测人体或者动物的活动传感。红外探测器的红外探测的基本概念就是感应移动物体与背景物体的温度的差异。
人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10um左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10um左右的红外线而进行工作的。人体发射的10UM左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后输出控制信号。
（1）这种探头是以探测人体辐射为目标的。所以热释电元件对波长为10UM左右的红外辐射必须非常敏感。
（2）为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲尼尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。
（3）被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。
（4）一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而报警。
（5）菲尼尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。
4.3 红外传感器的性能参数
（1）电压响应率r
当（经过调制的）红外辐射照射到传感器的敏感面上时，传感器的输出电压与输入红外辐射功率之比，叫做传感器的电压响应率，记作r r = U0 / P
式中 r — 响应率(V/W)；U0 — 输出电压(V)；P — 红外辐射功率(W)。 （2）响应波长范围
响应波长范围（或称光谱响应），是表示传感器的电压响应率与入射的红外辐射波长之间的关系。由于热电传感器的电压响应率与波长无关，它的响应率曲线是一条平行与横坐标的直线。而光子传感器的电压响应率是一条随波长变化而变化的曲线。一般将响应率最大值所对应的波长称为峰值波长，而把响应率下降到响应值的一半所对应的波长称为截止波长，它表示着红外传感器使用的波长范围。
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（3）噪声等效功率
若投射到红外传感器敏感面上的红外辐射功率所产生的输出电压正好等于传感器本身的噪声电压，这个辐射功率就叫做噪声等效功率(NEP)。噪声等效功率是信噪比为一的红外传感器探测到的最小辐射功率。 （4）探测率
探测率是噪声等效功率的倒数，即 D=1/NEP
红外传感器的探测率越高，表明传感器探测到的最小辐射功率越小，传感器就越灵敏。 （5）时间常数
时间常数表示红外传感器的输出信号随红外辐射变化的速率。输出信号滞后于红外辐射的时间，称为传感器的时间常数。 ??1/2?f
本电路应选用灵敏度高、响应速度快的热释电红外传感器，即传感器的时间常数越小
越好，电压响应率应比较高，响应波长应在人体辐射的红外波长范围之内。根据热释电红外传感器的性能参数值使用时应配合菲涅尔透镜。
4.4 红外传感器应用
4.4.1 光控电路原理
利用光敏元件随光照强度的变化而阻抗发生变化的特点，去控制电信号的强弱，再由传感器将变化的电信号传递给触发器，只要电信号强度达到一定程度将触发触发器使其导通工作。光控照明电路其主要功能是实现当外界光照强度降低到一定程度时，使照明电路导通工作。就其方案而言多种多样，但我们在设计时必须要考虑方案的可行性，稳定性以及元器件的灵敏度，尤其是光敏元件必须选择灵敏度高的这样电路功能才能较容易实现，为此在设计光控电路时，不但要尽量使电路结构简化，而且要使电路功能强，功能的实现要可靠稳定。[13]
4.4.2 红外传感器的应用
由于热释电红外传感器输出信号变化缓慢、幅值小，针对该特点，专用信号处理器一般分为三步处理，具体处理步骤如下： （1）滤波放大
普通PIR传感器输出信号幅值一般都很小，大约几百微伏到几毫伏，为了后续电路能作有效的处理，考虑到传感器的信噪比，通常取增益72.5dB，通带0.3Hz～7Hz。同时，由于是处理模拟小信号，所以为了保证放大器的工作稳定可靠，电路中特别集成了一个稳压器用于给传感器、放大器和比较器供电。 （2）窗口比较器
经过放大后的信号通过窗口比较器后检出满足幅值要求的信号后，再转换成一系列数字脉冲信号。
（3）噪声抑制数字信号处理