人體輻射紅外波穿透膜片的開發(fā)與評價

林勇強 王新雷

1.清遠(yuǎn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東清遠(yuǎn) 511500；

2.廣東美的制冷設(shè)備有限公司 廣東佛山 528311

0 引言

智能、舒適、健康、節(jié)能是當(dāng)前空調(diào)發(fā)展的主要趨勢。傳統(tǒng)空調(diào)通過搭載各種傳感器，實現(xiàn)對環(huán)境狀態(tài)及人體狀態(tài)的感知，并結(jié)合智能風(fēng)溫精準(zhǔn)控制技術(shù)，使空調(diào)從單純的溫度調(diào)節(jié)到溫度、濕度、風(fēng)量風(fēng)速、空氣潔凈度和空氣新鮮度多維度的調(diào)節(jié)，使空氣質(zhì)量和舒適度極大提升[1]，以智能手段達(dá)到舒適、健康、節(jié)能的效果。當(dāng)前在日本市場上銷售的高端空調(diào)都安裝有傳感器，以監(jiān)控所有能效參數(shù)和個人舒適度，實現(xiàn)智能化控制[2]。其中熱釋電紅外傳感器（下文簡述為紅外傳感器）在智能空調(diào)中的應(yīng)用最為廣泛，它通過對人體發(fā)射紅外波的探測，來實施空調(diào)的開關(guān)機、送風(fēng)溫度等方面的控制，達(dá)到舒適、節(jié)能與安全的目的。

為了提高紅外傳感器的探測靈敏度以增大探測距離，在其前面通常需要增加一個半球形的塑料菲涅爾透鏡，其主要有以下兩個作用：一是聚焦作用，菲涅爾透鏡將目標(biāo)物的紅外輻射聚焦到熱釋電紅外傳感器的熱敏元件上；二是將探測區(qū)域內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入探測區(qū)域的移動物體能以溫度變化的形式在熱敏元件上產(chǎn)生變化的熱釋紅外信號。其利用透鏡的特殊光學(xué)原理，在探測器前方產(chǎn)生一個交替變化的“盲區(qū)”和“高靈敏區(qū)”，以提高它的探測接收靈敏度[3][4]。

半球形的塑料菲涅爾透鏡對空調(diào)的外觀有一定的影響，通常都將傳感器組件嵌入安裝于機身內(nèi)部，并在外側(cè)貼有一張與空調(diào)面板外觀相近的膜片進(jìn)行遮蓋，實現(xiàn)外觀的協(xié)調(diào)一致。圖1是某型帶紅外傳感功能的空調(diào)照片，傳感器組件隱藏在遮蓋膜片里面。紅外傳感器工作時，人體的紅外輻射首先穿過遮蓋膜片，紅外波會被膜片吸收和反射一部分，造成信號強度的衰減，因此這個遮蓋膜片的紅外穿透性能對傳感器的靈敏度有著至關(guān)重要的影響。穿透膜片部分的紅外波經(jīng)過塑料菲涅爾透鏡聚焦到紅外傳感器上，實現(xiàn)探測功能。

圖1 某型帶紅外傳感器空調(diào)

目前紅外傳感器使用的紅外遮蓋膜片基本由日本廠商提供，主要材質(zhì)為聚乙烯，透紅外性能較好，但其價格較高，且供貨周期較長。國內(nèi)廠商也開始進(jìn)行開發(fā)紅外遮蓋膜片，但透紅外性能波動較大，并且依賴于通過整機的紅外檢測距離測試來評價膜片性能，缺乏針對性的材料評價指標(biāo)，因此有必要研究一種合適的材料評價方法和指標(biāo)，以指導(dǎo)紅外穿透材料的開發(fā)。

1 技術(shù)分析

自然界中的絕大多數(shù)物質(zhì)均能產(chǎn)生電磁波輻射，只是不同物質(zhì)的輻射大小和模式不同，根據(jù)黑體熱輻射的維恩位移定律：λmax=b/T，其中：λmax為輻射的峰值波長，T為黑體的決定溫度，b為維恩位移常數(shù)（b=2.8977685*10-3mK）。物體輻射的峰值波長與物體的絕對溫度成反比, 人體幾乎接近黑體輻射，人體各部分熱輻射波長峰值在8～12 μm之間，代入人體皮膚的溫度為32℃（T=305.15 K），計算可得λmax=9.5 μm[5][6]。紅外傳感器對波長在8～14 μm范圍內(nèi)的紅外輻射很敏感, 并且會把熱能轉(zhuǎn)換成電信號[7][8]，因此紅外傳感器能很好地檢測到人體輻射的紅外波。

在有機物分子中，組成化學(xué)鍵或官能團(tuán)的原子處于不斷振動的狀態(tài)，其振動頻率與紅外波的振動頻率相當(dāng)。所以，用紅外光照射有機物分子時，分子中的化學(xué)鍵或官能團(tuán)可發(fā)生振動吸收，不同的化學(xué)鍵或官能團(tuán)的吸收頻率不同。聚乙烯（PE）結(jié)構(gòu)簡單，分子結(jié)構(gòu)中的C-C鍵與C-H鍵內(nèi)部的振動模式較少，在人體輻射的8～12 μm紅外波段內(nèi)沒有較強的吸收基團(tuán)，吸收峰與8～12 μm紅外重疊范圍較少，因此PE材料在人體輻射的紅外波段內(nèi)具有優(yōu)良的透過率性能[9][10]。常見的PE有高密度PE（HDPE）、低密度PE（LDPE）和線性低密度PE（LLDPE）三種，其中HDPE的強度和模量最高，由于紅外傳感器遮蓋膜片需要有一定的強度和剛度，因此選擇HDPE為基材進(jìn)行開發(fā)。

2 試驗驗證

2.1 試驗方案

選用茂名石化TR144牌號的HDPE作為基材，研究不同色粉種類、含量及膜片厚度對遮蓋膜片的紅外透過率及檢測距離的影響。在實際使用中通常需要將遮蓋膜片配成與空調(diào)機身接近的顏色，實現(xiàn)外觀協(xié)調(diào)，因此選擇常見的白色、黑色，以及紅色、黃色、藍(lán)色進(jìn)行研究，因為根據(jù)配色原理，使用紅、黃、藍(lán)復(fù)配可以調(diào)出各種所需的顏色。

在HDPE里添加1.0%鈦白粉時，白度與空調(diào)白色面板接近，所以白色膜片中鈦白粉的添加比例選擇為0.5%、1.0%和1.5%，添加量越高，白度越高。炭黑的遮蓋性極好，只需0.05%的添加量即可基本滿足外觀要求，所以黑色膜片中的炭黑添加比例選擇為0.01%、0.05%和0.09%。紅、黃、藍(lán)有機色粉添加0.5%比例時膜片的顏色基本滿足要求，所以紅、黃、藍(lán)色膜片分別使用對應(yīng)的色粉，添加比例均為0.1%、0.5%和0.9%，色粉添加量越高，顏色越深。將HDPE與不同比例色粉共混擠出、造粒，然后用壓片機制備0.1 mm～0.5 mm厚度的膜片，根據(jù)空調(diào)視窗尺寸裁切成所需規(guī)格大小的片材，并在背面周邊貼上一圈3M 9448A雙面膠帶，制備出不同顏色、厚度的遮蓋膜片。膜片通過雙面膠貼合到空調(diào)面板上。同時測試某日本廠商提供的0.3 mm厚白色紅外遮蓋膜片產(chǎn)品，其性能作為對比參考。

2.2 紅外透過率測試

膜片的紅外透過率使用德國BRUKE TENSOR 27紅外光譜儀測試。將紅外穿透膜片樣品放置在紅外光譜儀的透射測試支架內(nèi)，在透射模式下進(jìn)行測試。由于人體輻射的紅外最大峰值波長為9.5 μm，因此選擇此波長下的紅外透過率進(jìn)行評價材料的紅外透過性能。在紅外吸收光譜圖中使用波數(shù)為橫坐標(biāo)，波數(shù)等于波長的倒數(shù)，單位為cm-1，9.5 μm對應(yīng)的波數(shù)為1053 cm-1，利用設(shè)備自動讀取該波數(shù)的透過率數(shù)據(jù)，測試3個樣品，結(jié)果取平均值。

2.3 紅外檢測距離測試

帶紅外傳感器的空調(diào)紅外檢測距離參考企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試：將帶紅外檢測功能的測試樣機掛起離地面2.2 m，膜片水平貼在某型號數(shù)字式熱釋電紅外傳感器正前方。如圖2所示，測試者站在樣機的前方，在與空調(diào)夾角為90°的位置及左右分別30°扇形移動，以0.1 m為間隔向外逐步增加與空調(diào)的距離。假設(shè)在距離N（m）時，測試者在90°及左右30°位置均能被檢測到，而在N+0.1 m時，3個角度中至少有一個位置不能被檢測到，則樣機的紅外檢測距離為N（m）。根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，樣機的紅外檢測距離應(yīng)不小于6 m。

圖2 紅外檢測距離測試示意圖

3 結(jié)果與分析

3.1 純HDPE膜片分析

不同厚度的純HDPE膜片的9.5 μm紅外透過率和紅外檢測距離關(guān)系見圖3，可以看到隨著厚度增加，紅外透過率逐漸下降，檢測距離也隨著降低。

圖3 純HDPE膜片厚度與紅外透過率（實線）及檢測距離（虛線）關(guān)系曲線

對紅外透過率T（%）、檢測距離D（m）與厚度d（mm）進(jìn)行線性擬合，關(guān)系式如下：

紅外透過率、檢測距離與膜片厚度均具有較好的線性相關(guān)性。貼有0.1 mm的HDPE膜片時，檢測距離為10.1 m，而膜片厚度為0.5 mm時檢測距離下降到了7.8 m。

4.2 配色HDPE膜片分析

各顏色不同厚度膜片的9.5 μm紅外透過率和檢測距離關(guān)系見圖4～圖8。各種顏色膜片的紅外透過率和檢測距離均隨著厚度增加而下降，兩者變化趨勢基本相同。

圖4 白色膜片厚度與紅外透過率（實線）及檢測距離（虛線）關(guān)系曲線

圖8 藍(lán)色膜片厚度與紅外透過率（實線）及檢測距離（虛線）關(guān)系曲線

選取1%鈦白粉、0.05%炭黑和0.5%紅、黃、藍(lán)色粉的紅外透過率T（%）、檢測距離D（m）與膜片厚度d（mm）關(guān)系進(jìn)行線性擬合，T=kd+b；D=Kd+B，其中各曲線的擬合函數(shù)及擬合系數(shù)R2分別見表1和表2?？梢钥吹綌M合系數(shù)均接近1，說明紅外透過率、檢測距離和厚度的線性相關(guān)性好，且各擬合直線的斜率差別不大，可知各顏色膜片的厚度對紅外穿透性能的影響趨勢基本一致。

表1 不同顏色膜片的紅外透過率（%）與膜厚（mm）的擬合函數(shù)

表2 不同顏色膜片的檢測距離（m）與膜厚（mm）的擬合函數(shù)

圖5 黑色膜片厚度與紅外透過率（實線）及檢測距離（虛線）關(guān)系曲線

圖6 紅色膜片厚度與紅外透過率（實線）及檢測距離（虛線）關(guān)系曲線

圖7 黃色膜片厚度與紅外透過率（實線）及檢測距離（虛線）關(guān)系曲線

各種色粉的添加量與紅外透過率、檢測距離的關(guān)系見圖9～圖10。對紅外透過率T（%）、檢測距離D（m）與色粉濃度c（%）關(guān)系曲線進(jìn)行線性擬合，T=kc+b；D=Kc+B，其中各擬合直線的擬合函數(shù)及擬合系數(shù)R2分別見表3和表4?？梢钥吹胶谏蹟M合直線的斜率絕對值遠(yuǎn)高于其它色粉，黑色粉濃度對紅外透過性能影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它色粉，這表明炭黑具有很高的紅外遮蔽能力。其他顏色色粉濃度對紅外檢測距離的影響差別不大。紅色色粉濃度與紅外透過率及紅外檢測距離及藍(lán)色色粉濃度與紅外檢測距離擬合函數(shù)的擬合系數(shù)R2均較低，線性相關(guān)性較差，尤其是檢測距離，紅色和藍(lán)色色粉濃度從0.5%增加到1.0%時，紅外檢測距離基本不變，有可能是這兩種色粉對9.5 μm的紅外波不敏感，在HDPE樹脂中分散濃度達(dá)到一定閾值后即對紅外穿透影響趨于穩(wěn)定。白色色粉濃度與紅外檢測距離擬合函數(shù)的擬合系數(shù)R2=1，呈理想的線性關(guān)系，這是因為白色粉為無機的鈦白粉，其對紅外穿透的影響為單純的遮蔽作用，色粉濃度越高，遮蔽性也越強，對應(yīng)的紅外檢測距離也越小。

圖9 不同色粉添加比例與紅外透過率關(guān)系

圖10 不同色粉添加比例與檢測距離關(guān)系

表3 不同類別色粉的添加比例（%）與紅外透過率（%）擬合函數(shù)

表4 不同類別色粉添加比例（%）與檢測距離（m）的擬合函數(shù)

日本廠商提供的0.3 mm厚的白色膜片紅外透過率為46.413%，檢測距離為8 m，而自制的添加1%鈦白粉，0.3 mm厚的白色膜片紅外透過率為46.486%，檢測距離為8 m，紅外穿透性能與進(jìn)口產(chǎn)品基本一致。此外本文開發(fā)制備的紅外穿透膜片的紅外檢測距離均超過6 m的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

選擇人體輻射最大峰值波長9.5 μm處的紅外透過率可以很好表征熱釋電紅外傳感器用HDPE紅外穿透膜片材料的紅外穿透性能，膜片材料的紅外透過率越低，對應(yīng)的紅外檢測距離也越短，兩者具有較好的對應(yīng)關(guān)系。炭黑對紅外光具有很強的遮蔽能力，在紅外穿透材料中的添加量要盡量少。膜片的厚度增加，紅外穿透性能也會降低，因此在滿足強度要求的前提下，選擇較薄的膜片有利于獲得較高的紅外穿透性能。

本文研制的0.3～0.4 mm厚度的HDPE膜片具有較好的紅外穿透性能，能夠滿足家用空調(diào)熱釋電紅外傳感器用遮蓋膜片的裝飾與功能要求，可為紅外穿透材料的開發(fā)提供參考借鑒。