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“LED+智能”照明系统与传感技术

导读: 阐述传感技术配合“LED+智能”照明进行系统管理,从工作原理,硬件和软件设计方案中体现传感器在智能LED照明系统中担当的重要角色。预测LED照明与更多传感器及无线通讯技术相融合得到广泛应用,让人们感受更为舒适的光环境。

阐述传感技术配合“LED+智能”照明进行系统管理,从工作原理,硬件和软件设计方案中体现传感器在智能LED照明系统中担当的重要角色。预测LED照明与更多传感器及无线通讯技术相融合得到广泛应用,让人们感受更为舒适的光环境。

引言

随着人们生活水平的提高,具有色彩丰富的LED(light emitting diode,LED)在家居照明、商业照明、公共照明和景观照明等领域得到广泛应用,各类传感器和智能控制系统在LED照明的二次节能中发挥的作用得到充分地体现,传感器在“LED+智能”照明系统中起到传输信息与交互的作用,有效控制灯的照明时间实现节约能源,也是实现智能控制的重要一环。本文重点介绍“LED+智能”照明与传感技术结合应用的方案特点,为了让人们拥有舒适的光环境及可持续节约能源,照明产品正由传统单一的照明转变为智能照明系统,各种传感器与LED照明产品匹配充当智能控制系统的眼睛。例如在公共照明领域,LED路灯利用光敏传感器根据白昼周期实现光控,红外传感器采集人们的活动信息实现人走灯灭,使我们的生活更加节能环保,“LED+智能”照明与传感技术的结合应用将颠覆传统照明概念。

1、传感技术概述

人为了从外界获取信息必须借助于感觉器官,在信息传输过程中,首先要解决的就是获取准确及可靠的信息,传感器(transducers)是获取自然环境和相应工作过程中信息的主要途径与手段。国家标准GB/T7665-2005《传感器通用术语》定义传感器为:能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。

1.1 典型传感器

(1)热释电红外传感器:热释电红外传感器(passivelnfrared ray)是将具备热释电材料做成的热敏型红外传感器,可把透过滤光晶片红外辐射能量转变为电信号的热电转换。其工作原理如图1,探测器表层温度没有变化时,内部电荷与表面吸附电荷所中和,则探测器的温度保持平衡T[K]。如果接收到外部红外辐射时,其温度发生变化,敏感元则会有变化T+T [K],即由外部红外辐射引发探测器敏感元表层的温度变化时,传感器会释放出电流。当温度稳定,内部电流则平衡,敏感元就无电流产生,对相对静止的热源体则无电流输出,通过利用热释电红外探测器这一特征,可检测到如人运动的红外热源,此类传感器是被动型的温度敏感器件,对应用的环境温度要求不高,灵敏度极高且光谱效应宽,大量应用于照明行业。

图1 热释电红外探测器原理

值得注意的是红外热释电传感器的应用必须借助菲涅尔透镜(fresnel lens),菲涅尔透镜为聚烯烃或玻璃制造的薄片,薄片表面一面为光面,另一面刻录了由小到大的同心圆,在传感器结构中具有视角调制与聚焦的作用,可扩大探测器接收信号源的范围,探测警戒线内红外能量的变化,监视在运动的红外源或者移动热源。菲涅尔透镜与红外热释电传感器配合应用如图2,由系统固化软件对采集的全部数据进行分析后传输给控制中心,并经过逻辑分析并判断是否发出控制信号。

图2 菲涅尔透镜与热释电红外探测器的应用

(2)光敏传感器:光敏传感器(photovaristor)即光敏二极管,是一种通过感知周围光线并能将光信号变为电信号的半导体器件,通过核心部件光敏电阻利用半导体光电效应形成电阻值,可随着入射光线的强弱改变电阻器的阻抗值,光亮度强时则其电阻小,光弱则其电阻大。光敏传感器常用于光的测量、控制及光电转换,另一核心部分PN结的结构不同于普通二极管,为便于接入光线,PN结的面积会尽量做大和电极面积做小,把PN结空穴做浅到小于1 μm。图3为光敏传感器工作原理图,在应用时会有一个感应环境光强弱的端口,当光线变化时,PN会自动开关。通常路灯运用光敏传感器实现天黑时开灯及天亮后灭灯的功能,不需人工操作而实现光控模式的典型应用。

图3 光敏传感器电路

(3)声控传感器:由声音控制传感器、音频放大器、选择频道电路、延时开启电路及可控硅控制电路等组成的声控传感器(microphone array)。以声音对比结果来判断是否要启动控制电路,用调节器给定声控传感器的原始值设定,声控传感器不断地将外界声音强度与原始值做比较,当超过原始值时向控制中心传达“有音”信号,声控传感器在楼道及公共照明场所得到广泛的应用。

(4)温度传感器:能感受温度并转换成可用输出信号的传感器为温度传感器(temperature transducer)。由于LED灯具散热不佳而导致LED早期失效或光衰严重的案例很多,固照明产品在结构设计时广泛采用温度传感器作为LED或控制装置的过温保护装置,在灯具的热源处利用温度传感器来实时监控灯具的温度,当灯体温度升高到上限值时,电路自动降低控制装置的输出电流或关闭控制装置使灯具降温,当温度降至设定下限值时自动调整控制装置的输出电流至额定值或重新开启,其工作原理见图4。

图4 NTC过温保护电路

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