红外探测与控制

2024-10-02

红外探测与控制（共3篇）

红外探测与控制篇1

近年来, 激光与红外复合探测技术以其自身丰富的图像信息量、高精确度、受环境因素影响较小等特点被广泛应用于实践中, 如地质勘测、灾害预警等。但实际应用过程中, 并未获得良好的效果, 其原因在于缺乏完善的融合处理技术使激光扫描与红外复合系统实现融合。因此, 对两种探测方式的研究以及如何获得复合图像具有十分重要的意义。

1 激光扫描系统的基本概述

1.1 激光扫描系统的原理分析

作为现阶段高新技术之一, 激光扫描将许多学科如计算机、电子、光学等融入其内, 并利用扫描物体结构以及外形的方式确定其空间坐标, 进而转化为相应的数字信号。常见的激光扫描方式主要包括接触与非接触两种测量方式, 而激光扫描技术便为非接触测量方式的一种。其原理在于对需要测量的目标利用照相机照相并获取其三维轮廓信息。此外, 激光扫描技术应用于实践中长利用三角测量方式, 实现对三维面形、物体位移等许多方面的准确测量。

1.2 激光扫描的主要方式

激光扫描应用于探测过程中通常需根据实际情况进行扫描方式的选择。其扫描方式主要分为单束激光与片状激光两种方法。二者的不同主要表现在三方面即:第一, 前者适合用于激光散射性能较高的目标测量, 后者适用于与镜面接触较近的目标测量。第二, 在获取物体三维信息方面, 单数激光方式测量点采集量较大, 片状激光方式只需通过对物体表面进行整体扫描便完成数据的收集。第三, 受二者自身的成像器件与结构影响, 与片状激光方式相比, 点数激光光能损失极大。由此分析, 选择后者为主要扫描方式更利于对地面目标的探测。

2 红外探测系统的分析

2.1 红外探测系统的原理分析

红外探测器的应用能够以如电流信号或电压信号等物理量代替红外辐射信号, 其红外图像的获取可直接通过处理电路实现, 进而探测红外辐射。红外探测系统的原理在于利用热电转换红外辐射热效应实现对红外辐射的探测。其过程可理解为吸收红外辐射后, 探测器的响应单元会在温度不断升高的添加下使电流信号或电压信号等物理量发生变化。

2.2 红外探测系统设计的关键问题

红外探测系统设计中需注意单点红外探测、面成像红外探测以及红外传输受背景的影响分析。其中单点红外探测可用来判断物体红外辐射强度, 当单点红外特征变化到一定的辐射值时, 系统会利用其捕捉到的变化的相应信号实现对电路的处理, 并将数字信号提供给执行机构。这种方式往往适用于对外形特征没有具体要求的物体探测中。而面成像红外探测所涉及到问题主要在红外热像仪方面, 应用过程中应对其组成、工作原理以及实际特点综合分析。另外, 红外探测技术应用时还需考虑到大气吸收与散射、红外辐射源以及地面自然目标对红外传输的影响。

3 激光与红外复合处理分析

3.1 图像融合的基本概述

通过前文对激光扫描与红外探测的基本原理及关键问题分析, 其所获取的图像信息可进行复合处理, 这种图像复合处理便称为图像融合技术。其优点主要体现在三维效果图的生成、几何配准精度与信噪比的提高以及图像质量的改善。以信息融合规律为依据, 图像融合可分为像素级、特征级以及决策级等由低到高三个层次的融合。其中像素级融合主要通过处理传感器所得数据实现图像的融合;特征级融合主要通过分析与处理图像特征信息进行图像数据的综合与分类;决策级融合则指基于提取与识别的图像预处理, 实现能够提供决策依据的融合结果。

3.2 图像融合相关技术分析

通过与其他融合算法的比较, 目前能够取得良好图像融合效果的主要包括小波变换、HIS色彩变换以及PCA变换三种方式。而三者相互比较下, 小波变换方法在融合图像的方差、灰度均值、图像熵等方面具有一定的优势, 而且还可将红外图像目标特性及光谱信息提取出来, 特别在处理源图像数据量过程中, 运算速度极快。因此在图像融合技术选择上, 可根据实际情况以及技术特点而决定。

3.2.1 小波变换

图像融合中小波模型的应用, 主要由于小波基的选择及小波变换次数都可利用原始图像特征进行选择。其特点主要是在正交方向具有选择性、空间的分辨率具有可变性且分析数据量较小。因此, 应用小波变换既可保证图像细节信息不会丢失, 而且实现良好的融合效果, 并含有更多的信息量。同时, 相比其他的图像融合策略, 小波变换在算法结构方面更加灵活简便。

3.2.2 HIS色彩变换

HIS色彩变化可分为正变换与反变换两种。其中正变化是指将彩色图象中的R、G、B转为色调H、J、S的过程, 而反变换是指相反的过程。该技术适合用于处理遥感图像的融合, 利用经过线性拉伸的SPOT波段图像代替通过HIS变换后I分量的卫星图像, 最后实现逆HIS的变换。这种方式的优势主要体现在其产生的彩色图象上, 有利于进行目视判读, 通过可判读性的提高获取相关的信息。但这种方式也存在一定的弊端, 尤其光谱曲线在不同波段数据中呈现很大的差异, 使HIS色彩变换融合三个波段过程中产生的图像会出现光谱退化的情况。

3.2.3 PCA融合方式

PCA融合方式的原理在于通过对比拉伸高分辨率图像并对分辨率较低的图像利用PCA进行变换, 使低分辨率图像与高分辨率图像中的主分量保持同等的方差与均值, 在主分量替换的基础上利用PCA反变换使其能够融入RGB空间内, 这样便能实现图像的融合。

4 结论

激光与红外复合探测技术是未来领域中应用的重要测量手段, 但二者在实现融合过程中仍缺乏比较完善的技术, 导致其应有效果无法发挥出来。因此在未来不断研究探索中, 应注意对激光扫描仪的原理与方式、红外探测系统的原理与其关键问题以及从小波变换、HIS色彩变化、PCA融合方式等方面进行完善, 以此实现图像的融合, 使其在各领域应用过程中发挥更重要的作用。

摘要：随着科学技术的不断进步与发展, 激光与红外复合探测技术也逐渐趋于完善。尤其在土地资源勘探方面, 激光与红外复合探测技术能够提供更为可靠的数据, 其完善的测量技术具有无可比拟的优势。本文主要对激光扫描系统的设计与红外探测系统的设计进行分析, 以此为依据实现二者的复合。

关键词：激光扫描系统,红外探测系统,复合探测技术

参考文献

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[2]张钧.毫米波雷达/红外复合探测系统的设计与实现[D].哈尔滨工业大学, 2012.

[3]陈宁.激光红外共用探测器复合成像系统性能的研究[D].哈尔滨工业大学, 2014.

红外气体探测器的设计与实现篇2

红外气体探测技术广泛应用于石油天然气、石油化工、冶金、油库和家庭生活等存在可燃性气体的各个领域, 如有害气体的泄漏、有毒气体的浓度测量, 生活环境的监测等。

如何提高红外气体探测器的工作性能、自动化程度、灵敏度, 以及降低成本是值得研究的课题。

1 红外线气体探测器原理

当红外辐射通过被测气体时, 它的分子就会吸收光能量, 不同的气体分子化学结构是不同的, 不同波长的红外辐射的吸收程度也就会不同, 当不同波长的红外辐射依次照射在样品物质上时, 某一些波长的辐射能被样品物质选择性吸收从而变弱, 产生红外吸收光谱。在一种物质不同浓度时, 在同一吸收峰位置有着不同的吸收强度, 并且吸收强度与浓度成正比关系。气体分子对红外辐射有选择性的吸收就是红外气体传感器的设计理论基础。

红外气体探测器核心部件为红外气体传感器, 红外气体传感器利用不同气体对红外波吸收程度不同, 通过测量红外吸收波长来检测气体。任何有温度的物体都会发射红外线, 温度越高, 发射量越大, 当有害气体进入红外探测范围内时, 其所发射的红外线会被报警器接收到, 当超过报警器的报警量时, 会自动接通电路报警。

2 红外线气体探测器电路设计

红外气体探测器电路由三端稳压电源电路、单片机电路、红外报警传感与显示电路三部分组成, 如图1所示。

2.1 三端稳压电源电路

三端稳压电源电路如图2所示。采用220V工频交流电, 经过降压、整流、滤波后, 通过LML7805三端集成稳压器芯为系统提供+5V工作电压, 使单片机系统、红外传感报警与显示电路正常工作。

LM78L05为输出晶体管提供了安全区域保护, 限制内部功耗。假如内部功耗超出了散热范围, 热关断电路将会启动, 防止芯片过热。电容C6、C7以滤除低频干扰为主, 防止芯片自激振荡;C4, C5以滤除高频干扰为主, 减少高频噪声。

2.2 单片机电路

单片机电路由晶振电路、复位电路和STC89C51单片机组成, 如图3所示。STC89C51单片机主要有以下功能:

(1) 自诊断功能:控制硬件和传感器正确运行。

(2) 零点自动跟踪:能够自动修正探测器由于受到温度和物理变化的影响出现的零点漂移, 保持零点不变。

(3) 迟滞循环:用于报警输出, 当危险气体浓度接近极限值时, 可避免探测器连续输出开关量。

STC89C51单片机的时钟信号通常有两种产生方式:内部时钟;外部时钟。图3中电容C1和C21是单片机的起震电容, 与X1组成正弦波振荡电路, 作用是向单片机提供一个稳定的正弦波信号, 为单片机提供能量。电容值为5~30p F, 典型值为30p F。晶振CYS的振荡频率范围为1.2~12MHz, 典型值为12MHz和6MHz。

电阻R1与C3组成上电复位电路, 为单片机上电时提供一个复位信号, 上电瞬间复位信号为一个正脉冲信号。电容C3接高电平, 电阻R1接地, R1与C3右端接单片机引脚RST复位输入。当振荡器工作时, RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。这种复位电路的工作原理:通电时, 电容两端相当于是短路, RST引脚上为高电平, 电源通过电阻对电容充电, RST端电压慢慢下降, 降到一定程度, 即为低电平, 单片机开始正常工作。电容充电的过程中, 复位信号电压逐渐变低, 直到电容充满时, 复位信号电压完全降到0。

2.3 红外传感报警与显示电路

红外传感报警电路由红外线气体传感器、扬声器组成, 显示电路由电阻R2~R9和发红光二极管 (LED) D1~D8组成, 如图4所示。8个二极管为红外报警指示灯, 采用共阴极连接, 需要用高电平去驱动。电阻R2~R9为LED报警指示灯的限流电阻, 以防止电流过大而烧坏LED报警指示灯, 额定电流为6~8m A。限流电阻值需要根据LED正常点亮时的工作电流来计算, 不同颜色的LED其两端电压降不同, 限流电阻的阻值也不同, 计算公式:R= (U-ULED) /ILED, U为驱动电压值, ULED为LED正常亮度时的正向压降, ILED为LED正常点亮时的工作电流。

工业或家庭环境中可燃或有毒气体泄露, 当红外气体传感器检测到气体浓度达到爆炸下限或上限的临界点时, 报警与显示电路就会发出报警信号。这时, 扬声器发声, 同时排列成圆形的8个发红光二极管D1~D8顺时针连续闪烁, 及时警示工作人员和居民采取安全措施, 驱动排风系统、切断气源, 防止发生爆炸、火灾、中毒事故, 从而保障工业安全生产和居民生命安全。

3 仿真与实物实验

使用PROTEUS软件对红外气体探测系统进行仿真实验, 仿真电路如图5所示。

根据图1红外线气体探测器电路, 用电路板装接制作成红外气体探测器。通过现场测试, 当有可燃气体泄露时, 红外气体探测器检测到后立即报警, 扬声器发声, 8个红色的二极管D1~D8顺时针连续闪烁, 发出红光, 指示报警。实验结果与仿真实验结果相同, 实际能够实现红外气体探测报警。

4 结语

该红外气体传感器报警具有可靠性高、选择性好、精度高、无毒、受环境干扰小、寿命长、对氧气不依赖等优点, 市场前景广阔。用单片机对红外气体传感器进行控制, 具有硬件电路简单、设计程序简单和运算速度快、易实现、控制灵敏等特点。

摘要：介绍红外吸收式气体探测器的设计。系统主要由三端集成稳压电源、红外气体传感器、单片机、时钟振荡电路、LED报警指示电路等部分所组成, 具有报警及时、灵敏度高、稳定性好、适合气体多等优点。

红外探测与控制篇3

我们设计了一种红外成像设备。该设备所采用的红外探测器是Infra Red Associates, Inc.提供的MCT-5-TE3-2.00型探测器。该探测器工作温度为-75℃, 芯片在制造时封装了制冷系统, 通过探测器底部金属部分导热, 因此在设计该探测器的相机结构时, 需要设计制造能够有效地将探测器制冷系统产生的热量排出的散热结构以保证探测器稳定工作。

1 散热器设计

1.1 散热方式选择

散热按照原理分为辐射、传导、对流。

根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律, 辐照度j*与温度T之间的关系为j*=εσT4, 式中:ε为黑体的辐射系数;σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数, 且σ=5.67×10-8W/ (m2·K4) 。通过模拟计算热辐射方式散出的热能小于整体热能的1%。因此相对于传导和对流, 辐射是较为次要的因素。

热传导公式为Q=KA△T/△L, 式中:Q为热传导的热量;K为热传导系数;A为传导面积 (或两个物体之间的接触面积) ;△T为热传导两端温度差;△L为热传导两端的距离。常见材料热传导系数如表1所示。

由表1中数据可知金银铜3种金属的导热系数比较高。金银是贵重金属不予考虑。铜本身较软, 加工难度大, 密度也大, 同样质量的情况下, 铜制的散热片体积和表面积都要远小于铝, 铜的散热也比铝差很多, 最终采用铝合金作为散热片材料。

对流散热的常见形式分为主动式散热和被动式散热。被动式散热又分为风冷散热、水冷散热、半导体散热、热导管散热和化学制冷散热等。考虑到设备的工作环境, 选择采用强制性风冷散热方式作为散热方法。

1.2 散热片设计

MCT-5-TE3-2.00型探测器有9根管脚, 使用时需要带有一个电路控制板, 大小为38 mm×38 mm。常见散热片的形式有直板式、柱状式、直肋太阳花式、弯肋太阳花式等, 考虑电路控制板的位置要求, 在散热片底座上要求加工探测器管脚孔, 以及镜头连接结构, 因此选用柱状式散热片结构, 如图1所示。

通过ANSYS对散热片进行分析。通过分析可知:散热片底座厚度对散热片散热性能的影响是线性的, 底座越厚散热效果越不好;散热片柱体宽度对散热片散热性能影响是二次曲线的, 柱体宽度在2~4 mm区间内的散热效果比较好;散热片柱体高度对散热片散热性能影响在较小值区间内成线性, 散热片柱体高度越高散热效果越好, 在超过某一阈值之后继续增加高度, 不再增强散热效果;散热片柱体数量在较少的时候, 增加散热片柱体数量能够显著提高散热效果, 达到一定数量之后, 增加散热片柱体数量的收益开始减少, 不再能够有效提高散热效果。最终设计的散热片尺寸如下:散热片底座厚度4 mm, 柱体16根, 为4 mm×4 mm, 高度35 mm。探测器组装如图2所示。

2 散热结构的优化

列车轴温红外成像系统由5个红外探测器视场拼接成一个具有一定宽度的扫描范围, 组装效果如图3所示。

对比实验中, 染黑散热片和自然金属色散热片的散热效果差异对红外探测器的温度影响达到3~4℃。因此将散热片染黑, 但是在红外探测器与散热片接触的表面不可以染黑, 会对导热效果造成削减, 接触面需要研磨保证表面的光洁度, 红外探测器与散热片接触处需要添加导热硅胶, 并且保证两者压紧。

最初采用一个风扇进行鼓风, 安装在5个红外探测器的一侧, 但在试验中, 风扇近端的探测器能够正常工作, 远端的探测器工作温度不够理想, 因此在探测器的另一端也安装一个风扇, 两个风扇一个进行鼓风, 一个进行抽风, 加强风冷效果。

3 结论

本文主要工作是设计一款应用于列车轴温红外成像系统的实验设备中使用的散热结构。红外成像探测器要求良好的散热系统, 通过对散热材料的选择, 散热片结构的设计, 并对其进行优化, 最终实现了要求, 保证了红外成像系统探测器在实验室条件下工作的稳定。

参考文献

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