反射红外（精选8篇）
反射红外 篇1
0 引言
聚氯乙烯 (PVC) 压延封套材料可有效解决装备物资的防潮封存问题[1], 但存在严重的防热问题。高温环境对装备的封存质量将产生较大的不利影响, 如加速装备金属部件的锈蚀、非金属材料的老化变质等, 影响封存装备的可靠性。此外, 具有高表面温度的封套与自然背景会产生较大的温差, 易于被敌方红外及热成像仪等侦查器材探测, 影响封套封存技术在野战条件下的应用。高温环境还会加速封套材料的老化, 影响封套的使用寿命。因此, 解决封套的防热问题, 是封套封存技术的一项重大技术难题。
1 封套材料传热原因分析
封套在野外使用过程中所受到热量主要来源于太阳辐射。太阳辐射的热量以传导、对流和辐射三种方式, 通过封套材料传递到封套内部。
1.1 热传导对封套防热的影响
PVC封套材料是采用压延工艺, 将PVC薄膜单面或双面压延到基布表面制成的。其基本结构如图1所示。其中, PVC薄膜为封套材料提供防水、防潮的功能, 基布则为封套材料提供良好的力学性能。受设计要求和加工工艺等原因的限制, 封套材料厚度较薄, 一般在0.5~1.2mm左右。因此, 热量容易通过热传导的方式进入到封套内部。
1.2 热对流对封套防热的影响
由于封套将封套内、外空间隔离, 因此热量不会通过热对流的方式进入到封套内部, 但同样也不会通过对流方式将封套内部的热量带出。因此, 当封套处于高温环境中时, 容易产生热积累, 导致封套内部温度进一步升高。
1.3 热辐射对封套防热的影响
到达地球表面的太阳辐射能主要分布在可见光波段和红外波段, 其中可见光区能量占整个波段的45%, 紫外区占5%, 而近红外区占50%[2]。
封套材料对入射的太阳辐射能量的响应包括吸收、透过和反射三类。封套材料只有具有较高的反射性能, 才能达到良好的防热效果。而目前所用的PVC封套材料在可见光和近红外波段的光谱反射曲线近乎于直线状, 其反射率仅为11%左右, 加之军绿色属于深色调, 更易于吸收太阳福热能量。
综上所述, 目前所用的军绿色PVC封套材料防热性能较差。笔者曾在海南某地对其表面温度进行测试, 其表面温度可高达65℃左右。
2 红外反射降温机理
2.1 封套材料红外反射降温基本要求
定义封套材料对入射的太阳辐射能量的吸收率、透过率和反射率分别为ε、τ和ρ, 则ε+τ+ρ=1。由于封套材料是非透明的, 所以可认为τ=0, 即ε+ρ=1。这意味着提高封套材料的反射率则可降低其吸收率, 达到降低封套材料的温度。因现用封套反射率仅为11%左右, 因此通过提高封套材料的反射率, 即提高PVC薄膜的反射率达到降温的目的是可行的。
但是, 对于军用封套来说, 过高的反射率将使其在野战条件下应用时易于被敌方光学侦察器材探测到。因此, 封套材料的红外反射改性应满足军用材料的一般伪装要求:在可见光和近红外波段具要有一定的伪装功能, 具有与天然叶绿素相似的红外光谱反射曲线, 光谱反射曲线落在图2两条曲线所围的阴影内[3]。
2.2 红外反射降温常用方法
对天然叶绿素红外光谱反射曲线的研究, 主要集中在伪装涂料领域, 其基本要求是涂料要与背景同谱同色, 其基本方法为[3~7]:以能够模拟天然叶绿素红外光谱反射曲线的颜料为主, 采用多种颜料组分组合的方法, 配制出伪装涂料。用于模拟天然叶绿素红外光谱反射曲线的颜料主要有氧化铬绿、锌酸钴绿等, 此外还有将ZnO2加到Cr-Co-TiO2体系中的青绿色颜料;将Cr2O3-CoO-Sb2O3煅烧得到的复合体;将Cr2O3 (lmol) CoO (2mol) TiO2 (5mol) ZnO (0.7mol) 在105℃燃烧1小时制成的粘软深绿色颜料[5], 等等。
按照上述原理能够制备出抗可见光和近红外侦查的红外反射降温涂料。但由于封套材料与涂料在配方、工艺等方面有较大的差别, 直接按照上述方法生产红外反射降温封套材料, 易产生颜料分散性差、粘辊等现象, 无法进行正常的生产。
2.3 封套材料红外反射降温方法
上述伪装涂料, 其基本方法都是组合使用具有不同反射率的金属氧化物或金属氧化物的复合体, 以达到模拟天然叶绿素红外光谱反射曲线的目的。这是因为这些金属氧化物具有较小的粒径和较高的遮光指数, 能够有效反射阳光中的能量。并且他们一般还具有较高的热发射率, 也有助于提高涂料的隔热性能。
封套材料红外反射降温, 同样也可以利用金属氧化物的上述特性来实现。针对压延工艺的技术要求, 笔者设计了如下方案:
2.3.1 在压延薄膜中加入经过纳米二氧化钛包覆的氧化铬、氧化铋和氧化铁, 他们在可见光和近红外波段具有不同的反射率, 通过调配比例, 可以理想的模拟天然叶绿素的红外光谱反射曲线。且经过纳米二氧化钛包覆, 其反射率得到了提高。
2.3.2 普通军绿色PVC压延封套材料配色体系中, 通常使用炭黑作为黑色颜料。但炭黑在近红外和热红外波段都具有强烈的吸收性能, 添加很少量的炭黑就会使材料的反射率严重下降。为此, 采用以下调色方案:颜料由由酞菁黄、酞菁绿、镉红、黑色颜料组成, 质量比为10:6:7:3。其中而酞菁黄、酞菁绿则在近红外波段近乎于透明;黑色颜料采用德国巴斯夫公司的Paliogen R Black L 0086, 它的红外反射率可高达45%。
3 材料性能
3.1 光谱反射性能
按照上述方法对PVC薄膜改性后制得的封套材料样品, 其反射曲线如图3所示。由试验结果可知, 该材料的光谱反射特性与绿色植被相似, 符合图2的要求。
3.2 热反射性能
热反射性能测试结果表明[8]:与普通封套材料相比, 红外反射降温封套材料的热反射率得到大幅的提升。测试结果还表明, 在环境温度34℃的情况下, 其表面温度比普通封套材料低6℃, 并且环境温度越高, 表面温度的差距越大。
4 结语
使用红外反射降温技术, 可使军绿色的封套材料在可见光和近红外波段具有与天然叶绿素相似的光谱反射曲线, 从而达到红外反射降温的目的。
摘要：针对普通PVC封套材料防热性能较差的原因, 借鉴伪装涂料的红外反射降温机理, 研究了PVC封套材料红外反射降温的技术原理, 设计了一种新型红外反射降温封套材料, 具有良好的红外反射性能和防热性能。
关键词：封套材料,红外反射,降温
参考文献
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反射红外 篇2
近红外反射光谱快速测定玉米DDGS营养成分的研究
摘要：试验探讨了近红外反射光谱测定玉米DDGS的8项重要营养成分,包括水分、蛋白、粗脂肪、粗灰分、总磷、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维、粗纤维的可行性.从国内18个工厂采集93个玉米DDGS样品,使用偏最小二乘法,采取15种不同的.导数和去散射光谱预处理方法建立近红外模型.在光谱预处理中,二阶导数产生了较好的预测效果.使用70个与93个定标样品建立模型,随着样品量的增加,模型的预测效果提高.93个样品所建立模型的定标决定系数(RSQcal)为0.94～0.99,交互验证决定系数(1-VR)为0.89～0.99,交互验证RPDCV为2.98～14.85.结果表明,近红外反射光谱可以用于玉米DDGS营养成分快速测定. 作者： 周良娟[1]张丽英[1]张恩先[2]隋连敏[1] Author： ZHOU Liang-juan[1]ZHANG Li-ying[1]ZHANG En-xian[2]SUI Lian-min[1] 作者单位： 中国农业大学动物营养国家重点实验室,北京,100193农标普瑞纳(廊坊)饲料有限公司中心实验室,河北廊坊,065000 期 刊： 光谱学与光谱分析 ISTICEISCIPKU Journal： Spectroscopy and Spectral Analysis 年，卷(期)： ,31(12) 分类号： S816.1 关键词： DDGS 近红外反射光谱 营养成分 机标分类号： P96 R1 机标关键词：近红外反射光谱快速测定玉米营养成分Nutrient CompositionDetermination of光谱预处理预测效果定标样品建立模型决定系数交互验证中性洗涤纤维酸性洗涤纤维偏最小二乘法近红外模型试验探讨光谱测定方法建立二阶导数 基金项目： 国家公益性行业(农业)科研专项项目近红外反射光谱快速测定玉米DDGS营养成分的研究[期刊论文]光谱学与光谱分析 --2011,31(12)周良娟张丽英张恩先隋连敏试验探讨了近红外反射光谱测定玉米DDGS的8项重要营养成分,包括水分、蛋白、粗脂肪、粗灰分、总磷、中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维、粗纤维的可行性.从国内18个工厂采集93个玉米DDGS样品,使用偏最小二乘法,采取15种不同的导数和去...
反射红外 篇3
关键词： 反射式红外系统； 二维精密转台； 热力学分析； 模态分析
中图分类号： TH122 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2015.04.016
Abstract： For light-arm infrared optical sight stability testing requirements， we design a two-dimensional electrical-turntable platform based on Newton′s reflex infrared system. Electrical control was established based on CATIA three-dimensional model of two-dimensional precision turntable model. The two-dimensional precision turntable model was using small two-dimensional U turntable structure， driven by a DC servo motor directly. 24-level axial angle encoder was used for angle measurement. Through finite element analysis software PATRAN on the turntable platform， key components of the thermodynamic analysis and modal analysis were conducted， obtaining the turntable stress distribution nephogram. The results show that the design scheme is feasible and reasonable.
Keywords： reflex infrared system； the two-dimensional turntable； thermodynamic analysis； modal analysis
用于红外光学瞄具瞄准基线变化量测量的高精度二维精密转台，由于其有方位转台和俯仰转台等部件组成，同时平面反射镜又是安装在二维精密转台上，通常处在温差变化较大的环境下工作，因此需要二维转台的结构具有足够的抵抗温度变形的能力。只有合理进行二维转台的结构设计，才能保证整个红外系统既可以满足体积重量的要求，又可以满足抗温度特性，从而保证测量结果正确。
本文给出了二维精密转台的结构设计，方位轴系和俯仰轴系等重要部件以及驱动部件的结构设计，并对二维转台的关键部件平面镜的温度特性进行了分析和试验。
1 牛顿反射式红外系统的组成及工作原理
红外反射式平行光管系统是用来模拟红外目标，进行瞄准基线变化量和装表量的测量。它由抛物面反射镜、平面反射镜、红外窗口、二维精密转台、黑体及靶标、瞄具安装座、光楔夹持座、底座、温控器件、壳体及支架等部分组成，红外系统工作原理示意图如图1所示。
牛顿反射式红外平行光管由黑体、靶标、抛物面反射镜和平面反射镜组成，它是用来模拟无穷远红外目标的，被测瞄具是通过红外窗口来观察无穷远的靶标。电控二维精密转台上安装有平面反射镜，转台的两个转轴均配有轴角编码器，可测量方位和俯仰转动角位移。二维调整架上安装有被测瞄具的瞄准镜，二维调整架具有水平方向的平动和垂直方向的俯仰二维姿态，可以用来实现瞄准镜的位置调整。
当红外系统在低温环境下工作时，在试验室开始降温时便开启温控器组件，始终保持封闭式箱体内温度在20 ℃左右。测试时，将红外被测瞄具安装在二维调整架上，调整二维调整架使被测瞄具大致对准靶标，然后调节黑体的温度，使得被测瞄具的红外十字分划线清晰可见。通过控制电动二维精密转台，使被测瞄具的十字分划线与靶标的十字分划线重合，记录此时二维精密转台的两轴角度值。取下被测瞄具去进行力学、高低温等各种试验；被测瞄具经过一些试验应力后，再将红外瞄具重新安装在二维调整架上；通过控制二维精密转台的平面镜的转动，使得红外瞄具的十字分划线与靶标的十字分划线再次出现重合，记下此时二维精密转台的两轴角度值。根据二维精密转台前后位置的变化，经计算机处理得到红外瞄具的瞄准基线的变化量。
2 电控二维精密转台
2.1 二维精密转台主要技术指标：
二维精密转台主要技术指标如表1所示。
2.2 二维精密转台的结构组成
二维精密转台主要完成水平方向和竖直方向的转动，其包括方位转台和俯仰转台两部分。方位转台
包括：底座、非标准滚动轴承、力矩电机和编码器以及方位电限位和机械限位等组件，其中底座、非标准滚动轴承起支撑作用，它们的精度直接影响转台的测量精度。
转台的转动是通过力矩电机的驱动来实现的，编码器是用于转台转角的测量，从而满足方位位置调整的需要，方位电限位和机械限位限制方位调整范围在±10°。俯仰转台具有5 kg的负载能力，俯仰转台的转动是靠直流力矩电机的驱动来完成的，轴承结构采用传统的固定方式，即一端固定，一端游动的方式，同时保证了在温度变化时轴系精度的稳定性。二维精密转台的结构如图2所示，本文的二维转台的工作状态采用的是右边的卧式结构。
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3 机械结构中的关键部件的设计
3.1 U型架的设计
U型架是整个二维转台承受动力学载荷的主要环节之一，由于要考虑体积、重量的要求，因此选用硬铝作为U形支架的制造材料，其机械结构形式为中空框架。U型架包括24位俯仰编码器、俯仰轴、俯仰力矩电机、方位轴、标准轴承、侧盖等部件，其具体的结构形式如图3所示。
3.2 轴系的设计
二维精密转台轴系的设计包括方位轴系和俯仰轴系两部分。方位轴系包括：底座、非标准的滚动轴承、方位轴、方位力矩电机、24位方位编码器等部件。俯仰轴系包括：标准轴承、俯仰轴、俯仰力矩电机、24位俯仰编码器等部件。方位轴系与俯仰轴系的回转运动是通过力矩电机的驱动来完成的，其具体的结构形式如图3所示。
方位、俯仰轴都由方位、俯仰编码器和直流力矩电机来驱动。二维转台的锁定是由电限位和机械限位组件来实现。转台采用长春光学精密机械与物理研究所研制的24位绝对式编码器，其精度为2″，分辨率为360°/224×3 600=0.08″，并采用轴系、直流力矩电机和轴角编码器一体化设计，使其结构紧凑，运行平稳。
4 有限元分析
4.1 有限元模型的建立
有限元模型的建立包括三维模型的简化和单元网格的划分，对二维转台中的部件进行有限元分析时，需要考虑一些特殊件的有限元分析，比如轴承和电机等。为了进行准确的模拟，必须先对轴承和电机的三维模型进行简化和处理。
（1） 轴承模型的简化
本文所研究的轴承，其滚珠的受力情况和内外圈的边界条件都很难确定。哈尔滨工业大学顾东[1]在利用ANSYS对微型机床主轴系统进行模态分析时，得出这样一个结论：采用间隙单元COMBIN40对轴承进行等效处理效果较好，而COMBIN14是可以用来模拟轴承的径向和轴向刚度的。所以本文中的轴承可以采用间隙单元COMBIN40和弹簧单元COMBIN14结合来处理。
（2） 驱动电机和测量元件的建模处理
驱动电机的转子和定子可以分别用两个实体来进行模型的简化，这样简化处理的电机和实际的电机结构基本上是一样的。材料的弹性模量和泊松比可选取为230 GPa和0.3。绝对式轴角编码器是用来进行角度测量的，其模型的简化同样用一个实体来进行等效处理，其材料的弹性模量和泊松比可选取为130 GPa和0.3。
4.2 单元网格的划分
本文所研究的二维转台的单元网格包括实体单元和弹簧单元两部分。常用的实体单元有SOLID45，SOLID92和SOLID95单元[2]，其中SOLID45是线性的六面体单元，单个单元上的应力状态是不变的[3-6]，而SOLID92和SOLID95的应力状态呈线性变化。综上分析，采用手动划分和自由划分相结合的方式对二维转台进行单元网格的划分，实体单元选择SOLID95，弹簧单元选择COMBIN14。现将二维转台的关键部件平面镜做有限元分析，网格的划分如图4所示。
4.3 平面镜的热力学和模态分析
（1） 热力学分析
热力学分析是指具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热结构耦合分析能力。热力学分析有线性和非线性之分，本文采用线性分析，关键部件平面镜的热力学分析云图如图5所示。
由温度应力云图可以看出，温度在-40～20 ℃ 和20～50 ℃范围时，最大热应力都发生在平面镜椭圆孔短半轴的两个边缘部分。
（2） 模态分析
通过数据结果来观察平面镜的振动频率，现取其前6阶的模态，得到相应的振型云图，二维转台的关键件平面镜的各阶模态振型云图如图6所示。
由模态云图可以看出：1，2阶的模态最大的变形发生在平面镜的边缘部分，3，4阶的模态最大的变形发生在平面镜的4个45°角的位置，5阶模态变形开始向中心孔扩散，而6阶模态，平面镜的中心孔部分变形相对较大。平面镜的6阶模态的数据如表2所示，由表2可以看出1阶模态的固有频率是805 Hz，这远远大于设计要求的频率范围（100 Hz以上的频率）。
5 结 论
有限元分析结果表明，二维精密转台的俯仰、方位轴系设计合理，能保证二维精密转台平稳、可靠、顺畅的运转。本文通过对二维转台的轴承、电机进行模型简化处理，从而保证了转台的精度要求，达到了所要求的技术指标。
参考文献：
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（编辑：刘铁英）
反射红外 篇4
关键词：播种机,电子检测,红外反射式,无线数据传输,单片机
0 引言
目前,播种机电子监测装置从检测原理上主要分为红外式及电容式两种形式。
电容式检测具有良好的抗污染性,不易受田间尘土的影响,但其排种管需要定制,无法对现有排种管进行改装,并且检测电路相对复杂,芯片价格昂贵,所以成本较高,适用性差,不利于普及推广。
红外式检测具有原理简单、易于实现和成本低廉的特点,但易受田间恶劣作业环境的影响,使用一段时间后,会由于光电组件上积聚尘土而阻碍了光线的正常发射和接收,从而造成功能失效。因此,只有解决这个问题,才能使产品具有实用性。
红外式电子监测装置根据发射管与接收管的位置分布不同,可分为对射式与反射式两种结构形式。其中,对射式属常规设计,而反射式目前尚未见应用。
本文介绍了采用红外反射式播种机电子监测装置的工作原理、结构设计、软件编程及性能实验数据,并对一些关鍵技术进行了说明。
1 探头的设计和工作原理
1.1 发射管与接收管的布置
发射管与接收管的布置图如图1所示。将3只红外发射管与3只光敏接收管分为两排,平行布置在同一块PCB电路板上,并使二者轴线夹角为20°(图1中未画出)。为减小探头的外形尺寸,采用上下两层PCB板设计,两层PCB电路板之间采用SIP11单排插针(座)连接。发射管与接收管的管脚焊接在下层PCB板上,管体部分嵌入上层PCB板对应位置的孔洞内。此时,上层PCB电路板具有如下作用。
1.1.1 定位作用
便于装配,可以确保发射管与接收管的轴线夹角在设计范围内,保证产品的一致性,不会因使用中的震动等外界因素的影响,使夹角发生改变,从而影响检测效果。
1.1.2 遮光作用
发射管发出的红外光线经过孔壁后,散射光线被衰减,而不会直接被接收管接收。同样,接收管在孔壁作用下仅能接收到限定区域内的反射光线,对其他散射光线不敏感。此种设计可以提高检测的灵敏度。
1.1.3 易于密封
发射管和接收管的顶端与上层PCB板在组装后基本在同一平面内,在上面再灌封一层厚度为2mm左右的SC-1800A/B常温固化型双组分环氧树脂材料(图中未画出),可同时起到防尘和透光的作用。
1.2 结构设计
采用无外壳结构设计,整个探头由上下两层PCB板构成。此种设计有以下两点好处:一方面可以减少体积,节约成本,减轻质量,易于安装;另一方面由于是分体式设计,可以降低调试难度,节约维修成本。
1.3 安装方法
探头的外形尺寸为65mm×21mm×19mm。由于体积小巧,且只需单侧安装,所以可与大多数排种管配套使用。
安装时,先在排种管后侧距出种口80mm处开一个直径为16mm的圆孔,选取一段长度和规格适合的透明热缩管,用热风枪将其固定,可以起到阻止种子弹出和防尘的作用,再将探头的光学组件与圆孔对正,用透明胶带临时固定,并选取适当长度和规格的黑色热缩管将信号电缆插头引出,用热风枪加热,将探头封装固定。
1.4 检测原理
发射管发出的红外光经过排种管内壁的多次漫反射后,少量剩余部分被红外光敏三极管接收。从理论上讲,在红外发光管的发光强度、排种管的内壁形状、表面反光特性以及探头与排种管的相对位置保持不变且不受环境光干扰的前提下,光敏三极管接收到的红外线强度是一个常数。此时,在排种管内部这个特定空间内,可以视为一个红外线场。当有种子落下时,部分红外线直接被种子反射,改变了光敏三极管接收到的红外光强度,从而打破了原有红外线场的均衡,这种接收强度上的改变直接表现为光敏三极管导通电阻的变化。检测电路图如图2所示。3只光敏三极管是并联在一起的,任何一只光敏三极管接收光强的变化最终都将影响总的导通电阻。经分压电路及波形整形电路处理后,形成宽度不等的脉冲信号,送入单片机端口,最终得到计数结果。
1.5 供电与接线方式的设计要求
1.5.1 易用性
采用无极性二总线设计。所有探头均并接在两条总线上,简化了布线,并在探头内部设有整流桥块。因此,在接线时不必区分极性,减少了因误操作造成损坏的可能。
1.5.2 可靠性
考虑到作业条件与现场环境,应采用防水接头。在探头内部加装保险电阻,并用三端集成稳压器进行二次稳压。
1.5.3 一致性
所有探头均具有相同的硬件结构。通过探头PCB板上的跳线,设定不同的地址编码来加以区分。
1.6 数据处理
在进行播种作业时,如果作物种类不同,则种子的颗粒大小以及播种速度也不相同。为了使本装置能够适用于多种作物而无需设定或调整,在这里只对排种管的平均落种速度进行计算,单位为粒/s。
在播种作业时,将各个排种管即时平均落种速度同时显示在LCD显示屏上,如果某一(几)个排种管的平均落种速度与所有排种管平均落种速度的平均值的差值超过了设定的范围,则用显著的颜色和字体显示,同时发出声光提示,提示驾驶员找到故障点并予以解决。甚至可以在报警出现之前,通过观察数值的变化趋势,预测即将发生的故障,从而在具有广泛适用性的前提下,又具有很好的实用性。
1.7 数据传输
为了减少布线数量、降低成本、提高实用性,探头以无线方式向主机发送数据。用单片机模拟PT2262的编码方式,并将代表平均落种速度的双字节BCD码通过无线发射模块以透明的方式传送给主机。
由于一台主机要与很多探头同时配套使用,所以控制数据收发时序显得尤为重要。本设计是通过主机在总线上发出启动脉冲来实现数据传输同步的,即当主机发出的脉冲同时被各个探头接收后,各个探头根据各自的地址编码进行相应的延时,再将检测到的数据按约定的格式发送给主机。由于探头的编码各不相同,不会出现数据同时发送的现象。
1.8 计数精度补偿
通过对检测电路原理分析可知:在下落过程中,当种子经过光电检测组件时(此过程历时3-5ms),如果因种子反射引起的红外线接收强度变化量超过设定的阈值,则会产生一个计数脉冲。在一定范围内,脉冲宽度与种子经过时光电组件时接收红外线强度的变化量成对应关系。
由于种子品种的差别,其大小、形状、颜色和表面光洁度均不尽相同。此外,在种子下落时,光电组件接收到的红外线强度也会因种子下落时的速度、角度和反射部位的不同而不同。因此,为了提高适用性,基于数理统计的原理,在软件设计时,将检测到的每一个计数脉冲宽度(记作Ti)均予以记录。当脉冲数量达到统计数量的阈值N时,将进行计数精度补偿计算(即求出N粒种子落种脉冲宽度的平均值),并把其作为衡量基准(记作Tn),根据如下规则进行计数精度补偿:
1) 当Ti>Tn×150%时,计数加1;
2) 当Ti<Tn×20%时,计数减1。
实验表明,这在一定程度上可以补偿由于种子重叠或接近重叠下落引起的计数减少以及由于破碎的种子或其他杂质引起的计数增加等误差。
1.9 抗尘性能
由于田间作业的条件十分恶劣,所以提高探头的抗尘性能十分必要,主要通过以下两个方面的设计加以实现。
1.9.1 双层密封
从探头的光学组件至排种管内壁之间分别有环氧树脂和透明热缩管两层密封。其中,绝大部分灰尘被透明热缩管阻挡,只要实行定期清理即可解决问题。
1.9.2 发射电流自动调节
在使用过程中,随着灰尘的不断积累,反射回来的红外线逐渐减少,光敏三极管的导通电阻将逐渐增大,最终体现在分压电路的输出电压V的数值变化上。设最初没有灰尘时分压电路的输出电压为V0,故只需要调节红外发射管的工作电流,使V趋近于 V0即可起到抗尘作用。通过PWM功能配合软件设计,可以实现上述自动调节,发射管的最大工作电流应小于20mA,否则将影响使用寿命。
1.10 单片机选型
要求单片机具有高可靠、低价格、小体积和通用性强的特点,此外还应满足以下要求:
1) 为实现软件模拟PT2262编码的功能,要求在编程时每30μs定时中断一次。因此,要选用高主频和单时钟/机器周期(1T)的型号。
2) 为实现发射电流自动调节功能,还要求单片机具有高速A/D转换功能。
为此,选择了宏晶科技有限公司设计生产的STC12C2052AD单片机,并采用TSSOP-20封装,完全可以满足以上要求。
2 显示终端的设计
2.1 LCD显示模块
由于在作业时需要同时显示多达24支排种管的工况信息,所以传统的LED显示方式已不适用。本设计选用武汉中显科技有限公司的VTK8048-7型LCD智能液晶显示模块,主要性能指标如下:
分辨率/: 800×480
接口方式: RS232
屏幕尺寸/mm: 177.8
工作电压: 直流12V
工作温度/℃: -30～85
主机只需要通过串口按约定的格式发出指令即可随时更新显示内容,简化了接口电路,节约了研发时间。缺点是成本较高,但由于终端数量只有一台,在没有投入批量生产以前,这种成本上的差异还是可以接受的。
2.2 壳体及支架
采用金属壳体和表面喷漆工艺,线缆引出采用防水接头方式。支架选用了车用万向支架,可在3个自由度方向上随意调节,以适应不同的驾驶习惯,固定方式为吸盘吸附或螺丝紧固方式。
2.3 供电电源
拖拉机上的直流电压一般为12V,但有些大型拖拉机上的直流电压为24V,加上拖拉机工作时负苛变化剧烈,其直流输出电压很不稳定。为提高产品的适用性,并确保显示模块能够可靠工作,采用了广州金升阳科技有限公司的DC-DC电源模块,型号为PWA2405MD-6W,其产品特点如下:
1) 效率高达85%;
2) 隔离电压1500VDC;
3) 输出短路保护(自恢复);
4) 工作温度为-40～85℃;
5) MTBF>106h。
3 主机的设计
3.1 单片机选型
参见1.10。为了弥补I/O口数量上的不足,选用了SOP-28封装,型号为STC12C5410AD。
3.2 数据传输时序控制
已知每只探头的工作电流为10mA,则全部24只探头的总电流为240mA,因此串联在总线上的电阻R(阻值为5.6Ω)上的压降约为1.34V。在主机需要启动一次数据传输时,通过控制三极管BG导通,使电阻R被短路,并持续100ms。这样在总线上就会出现一个峰值约为1.3V、宽度为100ms的启动脉冲。
上述启动脉冲同时被所有探头检测到,其检测电路如图2所示。
3.3 无线数据接收
接收模块型号为KL-JS06,其解码芯片为SC2272-M6。由于相对于编码而言,解码的计算量较大,为减少单片机的负担,没有采用软件解码。
在使用无线接收模块时,要注意以下几点:
1) 采用315MHz专用天线,安装于主机壳体外侧,角度可以自由调整,用同轴电缆引至模块的天线(ANT)输入端。
2) 在设计电路板时,要考虑单片机产生的数字脉冲信号对于接收模块的干扰。该干扰将大大减少接收距离。本设计主要是采用DC-DC电源模块以及高速光电耦合器进行隔离来解决这一问题。
3) 要保证解码芯片SC2272的振荡频率与编码芯片SC2262的振荡频率匹配,最佳参数为前者是后者的2倍。
3.4 软件编程
采用MCS-51汇编语言编写。受篇幅限制,只分别讲述一下编程要点。
3.4.1 主机软件的编程要点
1) 定时中断的时间间隔为10ms,在中断服务程序中要进行发送启动脉冲、接收无线数据、显示刷新以及键盘处理等工作。
2) 主程序则进行各个排种管落种数量统计、故障告警处理以及填写显示数据缓冲区等工作。
3.4.2 探头软件的编程要点
1) 定时中断的时间间隔为30μs,在中断服务程序中要进行计时、模拟SC2262编码发送数据、记录落种信号和抗自然光干扰处理等工作。
2) 主程序则进行落种计数处理、故障判断以及数据发送处理等工作。
4 试验结果
2009年4月29日,在黑龙江省勃利县由黑龙江省农机鉴定站对配有本装置的2BJQ-9气吸式精密播种机进行了田间实验。
4.1 故障检知率测试
在9只种箱中随机选取4只,放入少量种子并记录下其编号,其余种箱为满箱种子,再进行播种作业。主机先后发出4次“种箱空”报警,其编号与预先记录的种箱编号相符。
4.2 落种计数检测精度
在排种实验台上,通过精密气吸式播种器使大豆种子均匀落下,速度为30粒/s左右。当累积落种计数达到500～700粒之间时,随机停止落种。将计数值与人工清点的数值相比较,结果如表1所示。
5 结论
1) 该装置在结构设计上有所突破,在降低成本、提高实用性、易用性方面做了较多的尝试,尤其是单片机在装置中得到了广泛应用,提高了产品的智能化水平。
2) 存在的问题是为了做到防尘、防水以及避免自然光的干扰,其探头的固定采用了外套热缩管的方式固定,安装时需要对原有的排种管进行改装,在便利性方面略有欠缺。
相信随着研制工作的进一步开展,上述问题会得到有效地解决。
参考文献
[1]周利明,张小超.基于电容测量的精密播种机监测系统研究[J].农机化研究,2009,31(11):37-39.
反射红外 篇5
1 红外光谱分析技术的基础理论
量子力学的理论[2]提出:分子振动的频率包括基频、各级倍频和各种合频。对环境中频率与分子的基频、倍频与合频相同的电磁波,可通过共振被分子吸收。中红外谱区与分子的基频频率相一致,而近红外谱区与分子的倍频、合频频率相一致。用近红外光照射分子(辐射的能量不足以引起电子能级的跃迁,只能引起转动或振动能级跃迁),所得到的吸收光谱被称为振动转动光谱或者近红外吸收光谱。由有机物中不同键伸缩振动和弯曲振动力的常数范围可推算出,有机物基频吸收的波数范围约在中红外区。而分子在中红外谱区的吸收是由于振动状态在相邻振动能级之间的跃迁而形成的。吸收近红外光和中红外光的分子是含氢化学基团,这些基团产生的光谱吸收峰和强度不同。因此,具有不同吸收峰的光谱就对应了含有不同基团的被测样品。根据朗伯-比尔定律的基础理论,随着样品的结构或者数量的变化,相应的反射光谱也发生变化[3]。这就是红外光谱分析技术的基础理论。
2 农药残留红外检测方法
选用农业上常用的有机磷类农药敌百虫、敌敌畏作为研究对象。由于近年来,一些不法商贩大量超标施用此类农药,且高出标准要求许多倍,甚至一两个数量级[4],故对这两种农药的检测对检查超标使用禁用农药有一定的积极意义。敌敌畏是无色至琥珀色液体,能与大多数有机溶剂和气溶胶推进剂混溶。我国对农产品中残留敌敌畏的限量标准是:原粮0.1,蔬菜,水果0.2,食用油中不得检出[5]。敌百虫是白色结晶粉末,其的限量标准是:原粮、蔬菜、水果0.1[5]。根据这两种农药的理化性质,为方便配置样品,选择常用试剂氯仿作为制备敌敌畏样品的溶剂,蒸馏水作为制备敌百虫样品的溶剂。
2.1 两种农药的普带归属
各种化合物红外光谱谱带的不同与它们所代表的各种振动形式的频率之间成一定的规律。因为谱带波数的多少与化学键的强弱成正比,与振动涉及的原子的折合质量成反比,因此,吸收频率越高的即为价键越强的。故由两种农药的分子结构式可以分析出它们大致的谱带归属[6],如表1所示。
2.2 两种农药的红外特征吸收情况
将适量农药(敌敌畏和敌百虫)分别溶于强挥发性溶剂丙酮,再把适量的农药丙酮溶液分别涂在傅里叶光谱仪附件液体ATR晶体表面,待丙酮完全挥发后,便有一层农药薄膜附着于晶体表面。检测这层薄膜得到的光谱信息可视作农药纯品的光谱,这种获取红外光谱的方法称作涂片法。再由涂片法实测,得到了农药敌敌畏和敌百虫纯品的中红外谱图,如图1所示。
两种农药在中红外波段的特征吸收位置,如表2所示。
同样地,用涂片法检测了两种农药纯品的近红外光谱(在石英窗上涂片),但没有观测到明显吸收(见图2)。
由实际检测到的农药纯品光谱可见,在近红外波段,两种农药的吸收率很低,由于分子振动具有倍频、合频吸收及其线性组合特性,吸收光谱曲线平缓,特征性不强。而在中红外波段,敌敌畏、敌百虫分别在1268.2cm-1,1155.2cm-1,1045.7cm-1,984.1cm-1,865.1cm-1,1178.4cm-1;1235.0cm-1,1176.0cm-1,1097.9cm-1,1047.7cm-1位置出现了特征吸收,这与农药分子化学键官能团的谱带归属相吻合。并且敌敌畏、敌百虫分别在1295.3cm-1,1147.3cm-1,1055.6cm-1984.4cm-1;1225.1cm-1,1147.3cm-1位置呈现出特征峰吸收强烈的特点。可见这两种农药在中红外波段指纹区的特征性明显,可以实现中红外方法的检测。
3 农药残留红外检测方法的分析
分别检测相同浓度(10000ppm)的敌百虫水果溶液和水溶液的吸光度数据(如图3)。可见,在这两种溶剂中,敌百虫的特征吸收峰位置都很明显。实验结果显示:农药敌百虫在两种溶剂中的吸收峰位置完全吻合;在水果汁中的吸光度略低于在蒸馏水溶液中的,认为是未滤除的水果纤维等杂质的吸收造成的影响。
因此,得出结论:在中红外波段,农药在果汁中的特征吸收基本可以完全反应其在标准试剂中的特征吸收,也即可以用农药在标准试剂中的吸收情况反应其在水果中的吸收情况,并证明了利用中红外技术检测水果中的农药可以排除色素等原因的干扰,既而说明实验的可操作性。
4 中红外衰减全反射方法检测农药溶液的实验设计
实验仪器:
本文实验用到的是Perkin Elmer Spectrum GXL FT-IR光谱仪自带的投射式水平衰减全反射附件(Though Attenuated Total Reflection Accessory,简称ATR),用于检测液体样品。该附件所采用的晶体为硒化锌(ZnSe),其折射率为2.4,适用波长为17000-650cml。ATR采用的方法是:多重衰减全反射,以45°角入射,全反射次数为12次。使用该附件进行测量的光路结构,如图4所示。
样品情况;
本课题侧重于研究中红外衰减全反射(ATR)方法的可行性,故以检测敌百虫作为实验目的。采用敌百虫原药和蒸馏水配制农业范围9000-5000ppm(间隔100ppm)的42个敌百虫水溶液样品。用临近背景方法,根据处理过的样品能量光谱数据,获取样品的吸光度光谱。
对42组敌百虫吸光度光谱数据在特征吸收峰处的吸光度值进行一元线性回归分析,结果(见表3)波数范围(cm-1)
由表3可得,回归分析得到的相关系数不理想,在1188cm处权为0.86;并且得到的SEP值也很大,可见回归分析的结果不太好。这是由于,虽然中红外波段的光谱数据反映的是农药分子各官能团的基频振动,吸收峰彼此分离,位置相对稳定,但选用的溶剂不同,对扣除不同背景溶剂后的吸收光谱数据的分析也不尽相同。
水在1250-1000cm范围(敌百虫吸收峰集中区域)也有一定程度的吸收,此时按朗伯-比尔定律[3]扣除纯水背景将引入一定的误差,因此对被扣除掉的有关水的信息,可以通过偏最小二乘(PLS)建立多变量回归模型予以补偿和修正,从而提高敌百虫的预测精度。
对42组敌百虫样品的吸光度光谱数据进行PLS建模预测。建模集取全部42个样品,在1250~1200cm,1197~1175cm,1122~1083cm波段,分别对浓度进行预测。所得建模结果如(表4)。
与一元线性回归结果相比,多变量回归模型的相关系数和预测标准差都有了很大的改善。相关系数提高到0.95,预测标准差降至40ppm以内。
5 小结
用涂片法先后检测了农药纯品的近红外光谱和中红外光谱,发现近红外吸收光谱曲线平缓,特征性不明显,而在中红外波段指纹区特征性强,因而可以实现中红外方法的检测。通过研究农药敌百虫在水果汁溶液中的中红外衰减全反射光谱数据,得到农药在水果汁中与蒸馏水中的吸收相同,表明可以通过农药在水中的吸收建立模型来模拟其在水果体内的吸收。
利用投射ATR装置,对农药溶液样品(42个敌百虫水溶液样品)进行检测,并用一元线性回归和多变量回归数据分析方法对农药溶液样品检测精度的最佳值进行了分析评价。由此可见,用偏最小二乘(PLS)建立的多变量回归模型,精确了相关系数和预测标准差,相关系数提高到0.95,预测标准差降至40ppm以内。
摘要：本实验主要验证中红外衰减全反射(ATR)检测方法的理论可行性和实验可操作性。通过一元线性回归和多变量回归数据分析方法评价分析出了农药溶液样品检测精度的最佳值,并用偏最小二乘法建立多变量回归模型,得到了更精确的相关系数和预测标准差。
关键词：中红外检测,一元线性回归,多变量回归,偏最小二乘法(PLS)
参考文献
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[6]卢涌泉,邓振华.实用红外光谱解析[M].北京:电子工业出版社,1989.
反射红外 篇6
高反射率光学元件在激光系统中的广泛应用迫切要求精确测量高反射率,而传统方法(如分光光度计)无法满足高反射率的测量精度要求。目前能高精度准确测量高反射率(>99.9%)的方法只有光腔衰荡光谱技术(CRDS)。光腔衰荡光谱技术[1]是上世纪八十年代提出的一种高灵敏度吸收光谱检测技术,广泛应用于痕量气体的微弱吸收检测,测量灵敏度高达ppt(10-12)量级[2],在有毒气体和爆炸物气体检测、大气监测、工业废气和汽车尾气污染测量、农业环境气体监测、疾病诊断以及各种工业制造过程监控等诸多领域存在广泛的应用需求。
当腔内未充吸收气体时,光腔衰荡光谱技术也被广泛用于精确测量反射光学元件的高反射率[3]。由于光腔衰荡技术测量的是激光强度在腔内的衰荡时间,不随激光束强度的涨落而改变,所以测量结果不受光源的光强波动的影响。因此与传统的光谱测量方法相比,具有灵敏度高、抗干扰能力强、信噪比高等优点。目前国内在相关领域已进行了大量的研究工作,所用光源涉及染料激光器[3]、光参量振荡器[5,6](OPO)及半导体激光器[7,8],工作波长主要在650 nm[8]、830 nm[7]、1 315 nm[5,6]等可见、近红外波段,在中远红外波段尚未见报道。本文以中心波长为9.7µm的量子级联激光器(QCL)为光源,利用红外光腔衰荡光谱技术开展了中远红外波段高反镜的反射率测量研究。
1 基本原理
脉冲光腔衰荡技术的基本原理如图1所示,由两个反射率在99%以上的反射镜M1和M2凹面相对构成光学谐振腔,脉冲激光束沿着光轴入射到光腔内,激光脉冲在两个反射镜之间来回反射而形成振荡,在腔镜M2后由高速的光电探测器探测谐振腔的出射光强度的时间变化特性。
根据Beer定律,忽略腔内衍射和散射损耗,光腔的输出信号遵循单指数衰减规律[3],即
式中:τ为光腔的衰荡时间,定义为脉冲光强衰减为初始光强的1/e时经过的时间,I0为光的初始输出强度。衰荡时间与腔镜反射率的关系为
式中:R1和R2为两个腔镜的反射率,L为腔长;α为腔内介质吸收系数,若谐振腔内为空腔或介质无吸收,即α=0,此时衰荡时间只与腔长和腔镜的反射率有关。即:
如果两个腔镜反射率相等,则:
在光腔衰荡高反射率测量实验中,首先测量光腔输出信号随时间的指数衰减波形,然后按单指数函数拟合得到衰荡时间τ,利用衰荡时间与反射率的关系式(4),计算得到待测腔镜的反射率R。所测衰荡时间τ值只与光强的衰减速率有关,而与初始绝对光强无关,因此光腔衰荡法测量高反射率优点之一是测量结果不受光强度波动的影响,测量精度高。
2 实验装置
实验装置如图2所示。激光光源选用脉冲量子级联激光器(Model sb13,Alpes Laser,Switzerland),波长调谐范围9.72～9.78µm,可输出脉宽≤50 ns、占空比<2%的光脉冲;激光器波长调谐通过改变激光器的工作温度和驱动电压实现,图3为该量子级联激光器在不同的温度及驱动电压下的输出谱线图。量子级联激光器的输出光束具有很大的发散角(FWHM:60°×40°),须使用高数值孔径准直透镜准直后方可与衰荡光腔模式匹配。实验装置中选用直径15 mm,f/0.8的非球面准直透镜(QCL Lens,Optical Solution,USA)实现量子级联激光器的光束准直和与光腔的模式匹配。
准直后的脉冲激光束经分光镜后进入衰荡腔并在腔内振荡传输,从衰荡腔镜透射的激光束由离轴抛物面镜(A8037-102,Janos,USA)会聚并由快速红外探测器(KMPV11-1,Kolmar,USA)接收,探测器将光信号转化成电信号,转换后的电信号通过数据采集卡(Model UF2-3025,Strategic Test,Sweden)记录并输入计算机,由基于LabVIEW的测试软件进行分析处理,拟合衰荡时间,计算反射率。氦氖激光器用于辅助调节光路。图4为该实验装置的典型光腔输出信号。
3 实验结果
实验中选用一对曲率半径为1 m且凹面镀有相同的高反膜的平凹高反镜构成稳定谐振腔。量子级联激光器的工作温度设定为-30℃,驱动电压为-11.5 V,此时激光器输出功率为10 mW,输出脉宽50 ns,输出波长约9.735µm,且在整个实验过程中保持不变,以避免因激光器输出波长变化引起的反射率测量误差。
为降低噪声影响,数据处理时首先将64光腔衰荡信号平均而后再按单指数函数拟合衰荡时间,计算反射率。图5为一组光腔衰荡信号的原始数据及其拟合曲线,从图中可以看出所测的光腔衰荡信号很好的遵循单指数衰减规律。
在构成稳定腔的条件下改变衰荡腔的腔长,分别测量不同腔长下光腔的衰荡时间和腔镜的反射率,结果如表1所示。
不同腔长下测量的腔镜反射率的统计结果为99.9464%±0.0014%,如图6(a)所示,其中虚线为统计均值。同时根据(3)式,衰荡时间与腔长成正比关系,对不同腔长下测得的衰荡时间做直线拟合,最终计算得到腔镜反射率为99.9460%,误差为0.0004%,线性拟合情况如图6(b)所示。实验结果表明,不同腔长情况下测得的反射率结果高度一致,证明了测量结果的可靠性。
据式(4)知在忽略腔内吸收、衍射损耗时,腔镜反射率R=exp(-L/cτ)≈1-L/cτ,则其测量误差可表示为∆R=1(-R)(-∆L/L+∆τ/τ),即测量误差与(1-R)成正比。可见腔镜的反射率越高,其测量误差越小,测量精度越高。实验中|∆L/L|<1%,|∆τ/τ|<%2,腔镜反射率99.946 4%,对应∆R<1.6×10-5,与实验结果基本一致,说明实验装置具有很好的重复性。
4 结论
基于量子级联激光器,利用红外光腔衰荡技术,建立了9.7µm高反射率测量装置,并测量了不同腔长下光腔的衰荡时间和腔镜的反射率,测得其反射率的统计平均值为99.946 4%,误差小于0.001 4%,与通过对不同腔长下衰荡时间做直线拟合计算得到的反射率一致,符合误差分析结果。基于量子级联激光器的反射率测量装置,结构简单,易于调节,测量重复性高,可用于该波段高反镜的反射率测量。
摘要：利用光腔衰荡技术开展了中远红外波段的高反镜反射率测量研究。以中心波长9.7μm附近的脉冲量子级联激光器为光源,构建了高反射率测量实验装置。利用该装置对不同腔长下腔镜的反射率进行了测量,最终测定其反射率为99.9464%,测量重复性误差优于0.0014%。实验表明该测量装置重复性精度高,可用于中远红外高反镜反射率的精确测量。
关键词：红外测量,高反射率,量子级联激光器,光腔衰荡
参考文献
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反射红外 篇7
关键词：红外热像仪,信号完整性,反射,阻抗匹配
随着数字电路信号速度的提高, 信号完整性问题的影响也愈加突出。信号完整性 (简称SI) 指信号在电路中以正确的时序和电压做出响应的能力如果电路中信号能够以要求的时序、持续时间和电压幅值到达, 则该电路具有较好的信号完整性。否则, 当信号不能正常响应时, 就出现了误触发、过冲等造成时钟间歇振荡和数据错误的信号完整性问题 (简称SI) [1]。
从广义上讲, 信号完整性指的是在高速数字电路中由互连线引起的所有问题。它主要研究互连线与数字信号的电压, 电流波形相互作用时, 电气特性参数如何影响产品的性能。信号完整性问题主要包括各种传输线效应现象, 如信号反射、时延、振铃、信号的过冲与下冲以及信号之间的串扰等, 涉及传输线上的信号质量及信号定时的准确性[2]。
良好的信号质量是确保稳定时序的关键。本文从信号阻抗匹配的角度针对所设计的手持式红外热像仪系统的视频信号的传输进行了反射问题研究, 并利用Altium Designer进行了系统反射模型的仿真。
1系统中信号完整性问题
手持式红外热像仪具有系统复杂, 结构紧凑, 附属设备多等特点, 如图所示。
由于系统存在一些功率器件和电磁设备如电机等, 而且系统空间结构非常紧凑, 因此很容易对系统中传输的视频信号产生电磁干扰问题, 对于这一类问题, 通常采用的做法是屏蔽, 即对系统主要电路模块加金属屏蔽外壳, 同时传输导线采用同轴屏蔽线等方式解决[3]。从结构图中我们还可以看出由于视频信号在多个模块之间同时进行传输, 因此传输线间的阻抗匹配问题将会带来严重的信号反射, 从而影响系统正常使用。
通过理论分析可知, 一般有两种情况会导致反射的存在: (1) 走线上的阻抗不均匀; (2) 终端阻抗不匹配。假设我们已经仔细设计了走线, 并保证它有恒定的、受控制的特征阻抗。如果它的终端阻抗合适, 就不会在这一端造成反射。但是如果终端阻抗选择得不合适, 就会产生反射。反射的大小用反射系数ρ来衡量。在单个的终端电阻并联在走线远端的情况下, 电压反射系数的定义为[4]:
式 (1) 中RL是终端电阻或负载电阻, Z0是传输线特征阻抗。
如果RL=Z0, 那么反射系数的大小就变为0, 从而不存在反射。如果走线是开路的 (即RL是无限大) , 那么反射系数就是RL/RL=1。这表明反射是100%, 并且反射信号的符号是正的。如果把走线短路, 那么终端阻抗是0, 从而反射系统是-Z0/Z0=-1;这说明反射是100%, 只是反射信号的方向与原信号方向是相反的。所以反射系数值的范围在-1到+1之间, 在走线开路的情况下, 反射系数的值是+1;在走线短路的情况下, 反射系数的值是-1。反射系统是0, 说明走线终端阻抗精确匹配。
综上分析可知, 只要在信号传输路径上出现瞬态阻抗改变, 信号就会发生反射。为减小这一基本特性造成的信号完整性问题, 可使用可控阻抗负载线和传输线接的方法, 从而实现传输线阻抗匹配, 这是高速电路设计追求的理想目标。
2 阻抗匹配方式
控制传输线一端或两端的阻抗从而减小反射的方法称为传输线的端接。传输线终端匹配最常用的形式有五种[5]。
2.1 并联方式
等于传输线特征阻抗的一个电阻 (RL=Z0) 连接在传输线的末端。在走线上传播的所有能量都被电阻吸收, 从而不存在反射, 如图2 (a) 所示。这种方式具有电阻的值易于确定;只有一个元件;容易连接;对分布负载 (即负载沿着走线分布) 来说性能良好等优点。但有一个缺点是它提供了一个连续到地的直流路径, 因些带来了功率的损耗。
2.2 戴维宁方式
如图2 (b) 它包括一对电阻, 一个连接到电源, 一个连接到地。这对电阻在终端阻抗匹配功能之外还提供了上位/下拉的作用。因此, 它除了给分布的负载提供并联的终端阻抗之外, 还可以在某些特定的场合提高噪声裕度。但这种方式相对于并联方式并没有减弱功率的损耗, 反而增加了一个额外的元件, 而且这种方法只适合于双极型器件 (两个状态) , 不适合于三态逻辑系列。
2.3交流终端匹配方式
即给并联终端电阻串联一个电容, 如图2 (c) 所示, 这种方式优点是电容阻止了直流电流, 但带来的问题是增加了一个元件, 而且在电容阻值选择上也会带来一些信号影响问题。
2.4串联方式
该方式在高速设计中越来越常见, 如图2 (d) 所示。它只使用了一个元件而且没有DC电流。然而串联终端匹配电阻放置在走线的开始位置而不是末端, 因此, 走线末尾如果是开路的就会出现100%反射。
2.5二极管匹配方式
使用二极管进行终端匹配不是为了把反射减少到最小, 而只是为限制反射。这种技术仅仅是把反射信号的幅度限制在VCC和地电平之间, 如图2 (e) 所示。
3 系统模型仿真
在一个已有的PCB上分析和发现SI问题是一件非常困难的事情, 即使找到了问题, 在一个已成形的板上实施有效的解决办法也会花费大量时间和费用。为此, 期望能够在物理设计完成之前查找发现, 在电路设计过程中消除或减小SI问题, 这就是EDA工具需要完成的任务。先进的EDA工具可以仿真实际物理设计中的各种参数, 对电路中的SI问题进行深入细致的分析。在本系统的设计中, 采用TVP5150视频解码芯片由DSP进行视频的采集, 并通过CH7024芯片将DSP处理后的视频进行编码输出, 采用了Altium Designer的信号完整性分析工具对所设计的PCB板的视频信号部分电路 (如图3所示) 对并联阻抗匹配和串联阻抗匹配两种阻抗匹配方式进行了仿真。
在仿真时, 我们设置匹配电阻的阻值为75 Ω, 敷铜皮的厚度为35 μm, 仿真传输100 ns周期内的视频信号, 其中纵坐标表示信号幅度, 单位为V, 横坐标表示信号传输时间, 单位为ns。仿真结果示意图如图4。
由图4中可以看出, 两种匹配方式都能很好地保持信号的完整性, 同时我们还注意到, 由于视频输出端需要同时驱动两块液晶屏, 因此在驱动信号上升和下降沿上都有一部分过冲, 但其幅度还不至于影响系统正常工作。考虑到手持式设备对功耗问题的敏感性, 我们在该系统采用了串联电阻匹配方式来抑制信号的反射。
4 总 结
基于信号完整性基本理论, 利用EDA工具的信号完整性仿真功能, 对自行研制的手持式红外热像仪系统进行了信号反射问题的分析, 通过对系统参数的优化选择, 确定了解决系统信号反射的方案, 由仿真结果可以得出, 我们的方案合理可行。
由于目前随着高速电路设计技术的发展, 在PCB板实际加工以前, 通过对PCB板进行软件仿真, 可以提前发现系统问题, 不仅缩短了硬件设计的开发周期, 还降低了研发的费用。
参考文献
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[2]曾斯坚, 周凌宏.基于DSP的图像处理平台的信号完整性分析.计算机科学与技术, 2008, 26 (4) :39—41
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反射红外 篇8
红外光谱技术是研究高分子材料结构和组成的重要手段之一,其常规分析方法有很多,有压片法、涂膜法、漫反射法等。常规测试方法对一些特殊样品,如难溶、难熔、难粉碎等高聚物试样如橡胶、塑料、纤维,还有珍珠、翡翠等就很难直接测得红外光谱。衰减全反射(attenuated total refraction,简称ATR)红外附件的应用简化了难溶、难熔、难粉碎的高聚物的测试。
ATR通过样品的反射信号获得样品表层有机成分的结构信息,对于均匀的样品,表层信息即代表样品信息。该方法不破坏样品,对样品的大小、形状没有特殊要求,属于样品无损测量。
ATR作为红外光谱法的重要实验方法之一,简化了样品的制作过程,使许多采用传统透射方法无法完成的样品分析成为可能,极大地扩大了红外光谱的应用范围。广泛应用于塑料、纤维、橡胶等高分子材料制品的表面成分分析。
本文应用傅立叶变换红外光谱的ATR附件,以多种常见高分子材料制品为例,讨论了ATR在高分子材料分析中的应用。
2 几种常见高分子材料红外光谱解析实例
红外光谱最基本的用途是对高分子化合物进行结构分析,也就是看高分子化合物中有哪些官能团,这对高分子化合物的合成研究有很大的帮助。
2.1 聚乙烯(PE)
图1是聚乙烯的红外光谱图。
这是最简单的高分子光谱图,只在2918、2849、1471和719cm-1四处出现了吸收峰,说明该分子结构中不含苯环、羧基、羟基等官能团,只含有亚甲基—CH2—,其中2918cm-1、2849cm-1、1463cm-1分别对应饱和C—H的反对称伸缩振动、对称伸缩振动和弯曲振动,据此可初步判断该材料为聚乙烯。至于719cm-1对应的峰可以不解读。根据资料介绍[1],该峰为[CH2]n (n≥4)弱吸收峰,用于判断碳链的长短,碳链越长,吸收峰越强。仔细观察可发现该处实际是双峰,低波数对应无定形聚乙烯吸收峰,高波数对应结晶态聚乙烯吸收峰[2]。因此可认定该材料就是聚乙烯。
2.2 聚丙烯(PP)
图2是聚丙烯的红外光谱图。
PP比PE在结构上多一个甲基,但是红外光谱图就变得复杂了。除了亚甲基之外,还有甲基、次甲基基团。聚丙烯中每两个碳就有一个甲基支链,因而除了1460cm-1的CH2弯曲振动外,还有很强的甲基变曲振动谱带出现在1376cm-1。CH3和CH的伸缩振动与CH2的伸缩振动叠加在一起,出现了2800～3000cm-1的多重峰。聚丙烯谱图的另一个主要特点是在970和1155cm-1出现[CH2 CH CH3]的特征峰,其峰强度不受聚丙烯结晶度大小的干扰,可以用来作参考峰。
另外,全同聚丙烯与无规聚丙烯的主要区别是,全同聚丙烯除上述五条谱带外,在841、998和1304cm-1等处存在一系列与结晶有关的谱带,而无规聚丙烯不能结晶,故不存在这些谱带[3]。
2.3 聚苯乙烯(PS)
图3是聚苯乙烯的红外光谱图。
由于其吸收峰很尖锐,聚苯乙烯谱图常作为标准谱图。在3000cm-1附近有丰富的谱带,可分辨出2849、2923、3000、3025、3060和3082cm-1等锐峰。2800～3000cm-1的谱带是饱和C—H或CH2的伸缩振动,而3000～3100cm-1的谱带属于苯环上C—H的伸缩振动。1600cm-1的强峰是苯环的骨架振动。700和760cm-1是苯环上氢的面外弯曲振动,它们的倍频和组频出现在1670、1740、1800、1870和1940cm-1,都有力地证明了存在单取代苯。
2.4 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)
图4是聚甲基丙烯酸甲酯的红外光谱图。
特征谱带是1730cm-1的C=O伸缩振动以及1150、1190、1240和1268cm-1的C—O—C伸缩振动。在C—O—C四个峰的低波数侧有一个1060cm-1的小峰,这是间同立构峰,虽然样品是无规立构体,但总含有少量间同立构体。2900cm-1附近甲基和亚甲基的伸缩振动有明显的多峰。
2.5 聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)
图5是聚对苯二甲酸乙二醇酯的红外光谱图。
由于苯环的共轭使得羰基伸缩振动吸收峰的位置漂移到1718cm-1处,1130和1260cm-1处强度相似的两个强峰是对苯二甲酸基团的特征峰。700～900cm-1区有丰富的吸收峰说明存在苯环。730cm-1是对位双取代苯环上氢的面外弯曲振动吸收,虽然不很典型,但也是对苯二甲酸基团的另一个证据。830cm-1谱带属于芳环上2个相邻的C—H的面外弯曲振动。苯环在1450～1620cm-1区间内还应有多个吸收峰。
3 共聚物或共混物的组成测定
除此,还可用于共聚物或共混物的组成测定。选择每一组分一条比较尖锐的特征谱带。
以乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)为例,在EVA膜的红外光谱图上,醋酸乙烯VA单元与乙烯单元E具有各自的特征吸收峰,而2种特征峰的吸光度比值与EVA中VA含量具有直接的关系。
图6为用ATR-FTIR测得的EVA膜典型的红外光谱图。
实验选择酯基的醚键不对称伸缩振动峰1241cm-1作为VA组分的分析键,选择长链—CH2—平面摇摆振动峰720cm-1作为E组分的分析峰。通过选择5种已知醋酸乙烯酯的EVA粒子进行红外光谱测试,绘制分析峰吸光度比与2组分浓度比的关系曲线。标准工作曲线方程为:y=6.7486x+0.6342。可推算未知EVA膜中醋酸乙烯酯VA的含量。
4 结论
ATR附件现在也是应用于法庭科学的手段之一。比如潘纯华[5]等应用ATR附件为某刑侦机关不同来源的纱手套进行成分分析和刑侦鉴别,所得样品的红外谱图与标准谱图进行对照,并对其定性,为有关部门侦破案件提供了重要线索。
红外光谱是一种有效的表征高聚物形态与结构的方法之一。它的发展十分迅速,新技术、新仪器不断涌现。各种新技术的不断出现使红外光谱的运用领域越来越广泛:化学化工、生物制药、环境保护等各个领域都有应用,全方位地服务于生产建设,造福全人类。
摘要：衰减全反射作为红外光谱法的重要实验方法之一,快速、简单、不破坏样品,极大地扩展了红外光谱的应用领域。用红外光谱技术分析了几种常见高聚物的红外光谱图,通过这些红外光谱图的特征峰可以有效确定聚合物的类型。最后以乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)为例讨论了该技术在共聚物或共混物组成测定方面的应用。
关键词：红外光谱技术,高聚物,特征峰,组成测定
参考文献
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