红外热传感（共7篇）
红外热传感 篇1
摘要：利用热释电红外传感器的红外辐射与红外探测的原理, 设计了一种基于红外传感器无线遥控家庭防盗系统, 该系统包括无线语音发射和接收模块、信号采集与信号处理模块、信号输出和报警模块组成, 当非法人员进入后, 红外传感器接收红外辐射能转换成为电信号, 经经放大滤波、A/D转换输入单片机, 经单片机加工处理, 驱动报警装置并利用无线发射语音电路向用户发射报警信号从而达到防盗的目的, 基于热释电红外传感器的家庭防盗报警系统, 抗干扰能力强、灵敏度比较高、使用方便、实用性强, 具有较好的应用价值。
关键词：热释电传感器,单片机,声光报警
引言
随着时代的不断进步, 人们对自己所处环境的安全性提出了更高的要求, 尤其是在家庭住宅房门, 不得不时刻留意那些不法之人。现在很多小区都安装了智能报警系统, 大大提高了住宅的安全程度, 目前国内使用的防盗报警装置基本上是以超声波、主动式红外发射/接收等技术为基础。本文所设计的家庭防盗报警则采用了热释电红外传感器。热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线, 并将其转变为电压信号, 另外, 它还能鉴别出运动的生物与其它非生物。热释电红外传感器不仅用于防盗报警装置, 而且也用于自动控制、遥测等领域。
本文设计了基于单片机控制的热释电红外传感器报警系统。该设计要求完成一个基于单片机控制的红外热释电报警的完整系统, 即当不法人员闯入时, 热释电红外传感器便会采集到红外信号, 并对信号进行放大滤波, 然后通过调理电路并将其转化为适合单片机处理的信号;驱动报警装置并利用无线发射语音电路向用户发射报警信号, 通过单片机的处理, 判断当某一路有信号输入时, 相应的LED数码管会显示房间号同时启动报警器, 以实现报警的效果。并通过GSM无线网络发送给用户, 用户可以及时报给公安部门以达到防盗的目的。
系统的处理方法及工作原理
本系统采用热释电红外传感器进行收集信号, 为了收集的信号准确无误, 设计了多路信号采用的模式。在采集信号时, 当探测器检测红外输出信号时, 才向处理模块发送信号, 进行信号处理, 这样提高了信号采集的准确度。将收集到的模拟信号进行整形放大, 再经过模/数转换模块转换成数字信号, 在以AT89S52单片机作为处理芯片, 以串口的方式作为通信的方式, 向GSM通信模块发送控制指令, 通过无线语音发射接收电路发送给用户。基本的系统框图如图1所示。
系统的硬件电路设计
本系统主要包括信号无线收发电路、报警电路、键盘显示电路、信号检测电路及处理电路以及单片机为核心的控制电路, 系统结构框图如图2所示。设定报警部分为本系统主体工作部分, 即实时监控房内安全情况, 热释电红外探测器探测人体的红外辐射信号, 经过调理电路, 将人体的移动信号转为电信号输入到单片机中, 电平转换模块则是对电平信号进行处理, 使其能够适合单片机读取信号, 并且经过无线发射电路将检测到有人体入侵的探头的地址发送给无线接收电路, 经CPU译码后, LED显示报警地址, 同时发出声光报警或者向主人拨打预先设定的电话进行报警。
信号采集及信号处理模块
采集人体信号用热释电红外传感器RDP-18。热释电红外传感器RDP-18, 它将波长为8-12μm之间的红外信号变化转变为电信号, 并对自然界中的白光信号具有抑制作用, 当无人体移动时, 热释电红外感应器感应到的只是背景温度, 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, 因此, 红外探测器的基本原理就是感应移动物体与背景物体的温度的差异。菲涅耳透镜将热释的红外信号折射 (反射) 在RDP-18上, 将检测区内分为若干个明区和暗区, 使进入检测区的移动物体能以温度变化的形式在RDP-18上产生变化热释红外信号, 这样RDP-18就能产生变化电信号, 如果在热电元件上接适当的电阻, 当元件受热时, 电阻上就有电流流过, 在两端得到电压信号, 将待测目标、菲涅尔透镜、热释电红外传感器相结合使用时的工作原理示意图如图3所示。
稳定信号输出和报警模块
信号输出和报警模块主要由单稳态多频振荡器HEF4538和报警电路KD9651组成。单稳态电路HEF4538的功能是输出一个脉宽大约10s的高电平信号。再利用这一脉宽信号作为报警电路KD9651的输入控制信号, 来使电路产生10s的报警信号, 最后用三极管Q1和Q2再一次对电信号进行放大, 以便获得足够大的电流来驱动喇叭使其连续发出10s的报警声。具体电路如图4所示。
无线语音发射和接收电路
在模拟移动电话中, 一般把从解调输出到受话器之间的电路或送话器到调制输入端称为音频处理电路。在数字移动电话电路中, 从送话器输入到TXI/Q信号输出或RXI/Q输出到受话器声音输出之间的电路称为音频逻辑电路 (参见逻辑电路) 。接收则执行相反的过程。
通常, 送话器拾取的话音信号是一个频率范围为几十Hz到约20k Hz的信号, 事实证明, 人们通常只对频率为270~3400Hz的信号敏感, 且能达到一定的清晰度, 这个频率范围的话音信号完全能满足一般通信业务。所以, 经音频放大器放大后的信号要通过一个带通滤波器以形成话音调制信号的频带。
实际上, 发射音频处理就是将模拟的话音信号进行数字化处理的过程, 如图5所示。模拟的话音信号先经过A/D转换电路 (PCM编码器) , 将模拟的话音电信号转换为数字信号。数字化的语音信号在语音处理器 (通常称其为DSP) 中经加密、分间插入等处理, 得到数字语音信号。送话器转换得到的模拟话音电信号首先在音频处理模块COBBA中进行前置放大, 放大后的信号在PCM编码器中进行A/D转换, 得到数字语音信号。该信号经串行总线将信号送到DSP。在DSP中, 数字语音信号经话音检测、语音编码、卷积编码、分间插入、脉冲格式化与调制, 得到数字语音信号。该信号经无线通信呼叫处理器的DSP接口与COBBA接口, 将信号送到COBBA的数字接口电路中。在COBBA中, 信号经一个线性分离器及D/A转换, 得到67.707k Hz的发射基带信号。
接收信息通道完成的是与发射音频通道相反的过程, 它将数字信息信号进行处理, 得到数字语音信号。数字信号经过D/A转换 (PCM解码) , 得到模拟的电信号。语音接收电路如图6所示。
系统软件设计
整个系统控制以单片机AT89S52为核心, 由单片机监测传感器网中是否有不法人员进入。当有不法人员, 驱动报警电路, 系统软件设计主要由单片机程序来完成, 整个系统程序从功能来讲主要分为以下几个部分:主要无线发射接收电路、通信控制部分、报警电路和显示电路等。主程序流程图如图7所示。
主程序初始化后, 每隔一段时间检测一次红外线传感器的输出信号, 观察是否有人闯入, 如果是, 则认为有盗情出现, 单片机首先关中断使能, 不让外部信号对通信产生干扰, 驱动语音报警电路, 通过GSM网络给用户发语音信息, 告知盗情出现。
在系统软件设计中另外两个必不可缺少的程序是发射部分和接收部分, 其流程图分别如图8、图9所示, 由单片机AT89S52负责主要控制部分, 使其实现数据的无线传输, 当系统上电后, 首先要进行系统的初始化。发射部分要先设置成交换机端口接收数据, 以接收握手协议, 接收部分则配置成发送数据, 发射信号;当双方通信成功后, 接收部分要先进入接收模式, 发射部分的单片机送出采集数据, 每次采集完数据后, 延时一段时间, 此时单片机将读取内部RAM数据, 数据全部读入单片机后, 开启发射功能, 将数据无线发送。当发送成功后, 系统回到初始状态, 等待下一次的入侵信号。
结论
本系统通过热释电红外传感器采集信号, 经放大滤波、A/D转换输入单片机, 经单片机加工处理, 驱动报警装置并利用无线发射语音电路向用户发射报警信号从而达到防盗的目的。基于热释电红外传感器的家庭防盗报警监系统, 抗干扰能力强、灵敏度比较高、安装使用方便、传输距离远、实用性强, 具有广泛应用前景。
参考文献
[1]赵燕.传感器技术与应用[M].北京:北京大学出版社, 2010:78-79
[2]姚学军.红外测温原理与测温技术[J].中国仪器仪表, 1999 (1) :10-13
[3]戴景明.辐射测温的发展现状与展望[J].自动化技术与应用, 2004 (3) :1-5
[4]RIGHINF, ROSSOA.Ten Years of High Speed Primary at IMGC.Temp.It’s Measur.and Contr.in Sci.and Ind., 1982 (5) :421-426
[5]马鸿雁等.我国智能化住宅小区发展综述[J].北京建筑工程学院学报, 2003 (1) :88-93
红外甲烷传感器光学气室设计 篇2
红外气体传感器以其检测精度高、检测范围宽、重复性好、不易老化等优点,广泛应用于矿井安全、石油勘探、污染源监测、大气物理等领域中[1,2]。红外气体传感器基于气体分子吸收红外光谱的原理而设计。红外光谱吸收法是利用双原子分子对红外光具有特定吸收峰这一特性来实现的,也就是说某种气体只对应吸收某一波段处的红外光能量,该波段称为这一气体的特定红外吸收峰。它并不与其他气体的吸收峰干扰,而气体吸收的能量与气体在红外光区内的体积分数有关[3,4,5]。红外气体传感器中光学气室就是将红外光源、热释电探测器及气室腔集成到一起的组合体,其设计直接影响检测传感器的响应时间、分辨率、精度和稳定性等性能,因此,气室结构设计是检测传感器性能最重要的部分。本文以红外甲烷传感器为例,介绍光学气室的设计方法,并通过实验测试了光学气室对传感器检测信号的影响,为热释电型红外气体传感器的研制提供了依据。
1 红外光学气室设计
图1为红外甲烷传感器的结构,主要由吸收红外探测器、红外发射光源和光学气室[3] 3个部分构成。红外探测器选用PYS3228双滤光片热释电红外气体探测器,红外光源选择IR-715,该红外光源属于热辐射型光源,辐射强度大,尺寸小,半径仅为1.6 mm,辐射波长范围广,适用于碳氢化合物(3～5 μm)的测量[6,7,8]。
1.1 光学气室设计和加工原则
(1) 为保证红外光源尽可能多地被反射到热释电探测器上,光学气室的内壁要保证足够的光滑度及稳定的性能,不吸收有效红外辐射,不与被检测气体反应。本文中光学气室内壁材料选用黄铜镀金。
(2) 为保证传感器的便携式及红外辐射能多次穿过被测气体,光学气室的光路设计成反射式,这样相对增加了光程的距离,从而提高了传感器的检测精度。但考虑到光线能量的损失影响,光线选择在气室中折射4～6次为最佳[9]。
(3) 为了减小灰尘、水汽、污垢等对传感器的影响,气室应为密封结构,只留些供气体交换的小孔,以保证气体有较高的灵敏度。在设计加工光学气室时要进行防尘防水处理。在光学气室的进气处加装防护罩,防护罩包含了0.2 mm孔的防静电网和0.45 μm孔的聚四氟乙烯膜。防静电网起消除静电和隔离火花的作用,聚四氟乙烯膜具有耐腐蚀、耐火、不吸水和油等优点[10,11,12]。
1.2 气室参数的确定
在实际应用中,气室的长度是根据待测气体的组分和种类而确定的,是在线性刻度范围内选择最长的气室长度,同时又要保证传感器的检测精度,这就需要确定气室的最优光程长度,即在有效波长红外光谱中携带足够的信息,满足气体吸收后到达探测器的红外光足够强,使探测器输出实际可用信号。确定气室的最优光程长度是进行光学气室设计的首要工作。根据Lambert-Beer定律[13]和红外气体吸收光谱[14],红外甲烷传感器气室的最优光程长度为60 mm。以下为具体计算过程。
由Lambert-Beer定律:
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式中:I为出射光强度;I0为入射光强度;L为光程长度;C为待测气体体积分数;-k(λ)为吸收截面数。
设最优光程长度D=CL,由式(1)可得
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设传感器的最小分辨率undefined,则有
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得
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查甲烷红外吸收光谱图[15],可得:标准谱光程长度Dbzp=96 mm,甲烷的最佳波数吸光度A=0.016。由于
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则
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在常温环境下,将不同直径的气室放在实验配气设备中,测试其响应时间,结果见表1。
由表1可知,在气室光程长度一定的情况下,气室直径在10～30 mm时对红外甲烷传感器的响应时间影响不大。气室直径太大或太小都会影响气体对光谱的吸收度,从而对传感器造成一定的影响。因此,选择气室直径为20 mm。图2为光学气室的剖视图。
2 实验结果分析
选用RCS2000(A)计算机自动配气系统,对基于上述气室结构的红外甲烷传感器进行标定实验,同时检测其性能。配气系统采用国外最先进的配气技术,具备配气精度高、操作简单、配气效率高、稳定性好、配气功能强等优势,可配制出高精度、高质量的标准混合气体。
实验中,载气选择纯度为99.9%的N2,将N2和CH4同时通入配气系统,系统将会根据上位软件设置气体体积分数。把配置好的气体通入放有传感器的密闭腔体内,大约10～15 min后气体均匀分布在整个密闭腔体内,达到传感器的平衡点。等待实验显示数码管数值稳定后,记录下显示数值。具体实验测试过程:
(1) 将红外甲烷传感器上电后放入指定密闭腔体内。
(2) 打开装有配气系统的电脑,在系统界面下设置配置的气体体积分数和一些必要的流量参数。
(3) 打开装有N2和CH4的气瓶,并在实验过程中不再调节气瓶调节阀,以保证实验的一致性,减少误差。
(4) 点击系统软件开始通气,等待传感器平衡点,实验显示数码管数值稳定后,记录显示数值。
(5) 在系统软件界面下改变配置的气体体积分数值,重复步骤(4)。配置的气体体积分数分别为0.25%,0.50%,0.75%,1.00%,1.25%,1.50%,1.75%,2.00%,2.25%,2.50%,2.75%,3.00%。
(6) 处理记录数据。图3为红外甲烷传感器标定曲线(横坐标表示单片机采集的A/D值,简称数据量)。经过多次实验验证,该曲线具有很好的重复性。从图3可看出,红外甲烷传感器随着CH4体积分数的增大,数据量明显增大,说明设计的气室结构具有一定的可行性,并且灵敏度很高。
3 结语
红外甲烷传感器直射式气室设计 篇3
红外甲烷传感器是利用红外光谱吸收原理来监测CH4体积分数的仪表,已在煤矿广泛应用,有效地遏制了瓦斯爆炸事故的发生,提高了煤矿安全生产水平[1,2]。红外气室作为红外甲烷传感器的核心部件,直接影响到测量精度和其他性能,在很大程度上决定了传感器的优劣。目前市场上流行的气室大多为反射式红外气室,这种气室用2倍气室中腔长度估算光程,使测得的CH4体积分数误差较大。笔者采用半导体硅MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,微机电系统)红外片状光源设计了一种新型直射式气室,其光程就是气室中腔的长度,测量结果更加准确。
1 直射式气室红外甲烷传感器工作原理
直射式气室红外甲烷传感器的工作原理如图1所示。
直射式气室红外甲烷传感器工作时,含CH4体积分数信息的电信号的产生、输出全部是在气室内完成的。一束红外光通过待测的CH4时,CH4只对红外光中的某段红外光能有吸收作用[3]。CH4吸收的最强红外光的波长称作CH4的特征波长[4]。大部分非对称双原子和多原子分子在红外区都有自己的特征波长,当红外光通过待测气体时,其吸收关系服从朗伯-比尔(Lambert-Beer)吸收定律[5]。出射光强计算公式为
式中:I0为入射光强;K为被测气体的吸收系数;C为被测气体的体积分数;L为红外光通过被测气体的光程。
2 直射式气室设计
2.1 气室结构
直射式气室由红外光源罩、半导体硅红外片状光源、气室中腔、双通道红外探测器组成,如图2所示。该气室利用MEMS工艺将光源发射、红外光传播、红外光吸收、光电信号转换及信号处理等工作区域中除电路测控外的部分全部集成在一起,因此,其优劣很大程度上决定了整个甲烷传感器性能的好坏。
2.2 红外光源选择及光源罩设计
2.2.1 红外光源选择
红外光源选择Intex17-0900硅半导体片状光源。该光源是1.7mm×1.7mm硅膜MEMS工艺的热辐射红外光源,其红外光输出谱线为中红外区的1~20μm窄带,调制频率范围为0~140Hz。相对白炽灯红外光源,这种新型的基于半导体材料的红外光源的主要优势是具有高转换效率和高红外光光通量。目前市场上流行的白炽光源光谱都是从可见光区到中红外区,而气室需要的是CH4特征波长(3.3μm)前后窄带的红外光[6],若采用白炽光源,大部分光能都无法被吸收而浪费掉。白炽灯的发光部分是一段灯丝,而该半导体光源的发光部位是边长为1.7mm的正方形区域,因此,其光通量远远高于普通的灯丝,辐射红外光的均匀程度也高于普通灯丝的红外光,从而气室内CH4对红外光的吸收就更加充分、均匀。因为红外光有热效应,能加热气室内部的气体,所以高光通量的Intex17光源能促使气室内气体和外界气体更迅速地进行交换,进而很好地降低气室的反应时间。Intex17光源在不同灯体温度下的光谱能量分布如图3所示。
2.2.2 光源罩设计
光源罩设计成曲率为9 mm的旋转抛物面,将红外光源放置在曲面的焦点处,以保证投射到抛物面的光线会沿着近似平行的路径传播,得到一束近似平行光[7]。平行光优势:(1)平行光可以很大限度地减少红外光在气室中辐射时的能量损失,大部分光能不会因为在气室内折射、反射而浪费。(2)光束近似平行光,则气室中腔的长度近似为光程,与反射式气室相比,没有过多的反射光程,估算误差更小,进而算得的CH4体积分数会更加精确。图4为用光学仿真软件Zemax模拟的红外光传播路径和在探测器位置上形成的光强分布。可见,光强经过反射罩、气室中腔到达探测器位置时的光强分布均匀、对称。
2.3 气室尺寸的确定
2.3.1 气室直径
理论上,气室直径越小则气室的响应时间就越短,所以气室直径应在满足光源、探测器封装尺寸的前提下做到最小。片红外光源的直径为10mm,探测器的直径为9.2 mm,所以气室内径确定为10mm。
2.3.2 气室长度
由Lambert-Beer定律可知,气室越长,CH4吸收红外光越充分,则气室的检测精度、灵敏度越高。综合考虑气室集成化、便携性以及红外光在气室内部折射和反射造成的光耗等因素,气室长度不宜太长。气室长度的确定主要取决于被检测气体的种类和检测灵敏度要求,应该在满足灵敏度要求的前提下做到最短[8]。本文中的气室要求能检测出体积分数为100cm3/m3的CH4,即φ(CH4)=0.03%。在室温下、气室内径为10mm时,采用不同气室长度的红外甲烷传感器检测φ(CH4)=0.01%的CH4的结果见表1。
在气室内径确定的情况下,气室长度过短则灵敏度达不到预期要求,检测不出CH4体积分数;而气室长度越大则响应时间越长。由表1可看出,当气室长度取80~110mm时能达到灵敏度和响应时间的均衡,因此,设计气室长度为95mm。
气室采用可拆卸结构,即光源部分、探测器部分通过螺丝和气室中腔装配到一起,要用不同长度的气室时只需换上适当长度的气室中腔即可。该结构节省了实验材料,且采用同一光源和探测器可大大减小实验误差。
2.4 红外气体探测器设计
选择铌酸锂(Lithium Niobate,LN)晶体作为探测器的光敏单元。LN晶体是一种多功能材料,具有良好的热释电性,硬度低,易研磨,物理化学性能稳定,所以其作为光敏感材料在光电探测中的应用一直倍受关注[9]。红外探测器的光敏单元由薄板电容器组成,而薄板电容器由LN晶体化合物组成,当光敏单元吸收红外光源辐射的热量时便会反向承载产生热释电效应。
为了消除光源辐射光能不稳定以及外界温度对探测器性能产生的影响,采用双通道双补偿原理设计红外探测器[10],以提高测量精度。双通道分别为对比通道和检测通道。因为CH4在红外光3.3μm波长具有特征吸收峰值特性,故检测通道装有3.3μm的滤光片;对比通道则选用稳定的没有气体吸收的4.0μm波长滤光片滤光,以实现参考和补偿功能。由公式(1)推导可得红外探测器检测通道的输出电压信号为[11]
CH4对于4μm的红外光吸收程度不深,同理可知,红外探测器对比通道的输出电压信号为
式中:K1、K2为2个通道的比例因子,可通过将气室放在高纯氮气中测量得到;L为气室的长度,对于一个确定气室来说,K和L都是确定的;C为待测气体的体积分数;I1、I2为红外光到达2个通道时的光强。
因为在实际检测过程中光强因子容易受外界影响而难以准确测量,所以应消除光强因子的影响。由2.2.2节中的Zemax仿真可知,红外光在探测器位置的光强分布是均匀、对称的,所以有I1=I2,对式(2)、式(3)求比值即可消除光强因子的影响:
式(4)是一个求取气体体积分数的简单计算式,其计算结果经单片机AD转换后即可输出到数显模块显示。
2.5 光源及探测器的视窗材料选择
因为煤矿井下环境特殊,虽然气室做了防尘和防潮处理,但气室内仍然会有粉尘和水汽进入,对光源和探测性能产生不利影响,所以要对光源和探测器进行保护。视窗主要用来保护光源、探测器,防止水汽和粉尘对器件造成损害。视窗材料要有较好的机械性能且对红外光有高透性。目前常用的红外透射材料主要有GaF2、MgF2、BaF2等几种氟化物。4种氟化物在红外光区的性能见表2。
从透过率及透过光谱来说,4种氟化物都能满足视窗设计要求。但BaF2主要应用于低温制冷成像系统中,并且其所在的环境一定要保持干燥,井下的潮湿环境会降低其透过性;LiF主要应用于航天和激光光学系统,其水溶性高,容易潮解和变形,在恶劣的井下环境中使用会严重地降低其性能;GaF2和MgF2性能相近,其硬度高,抗机械冲击和热冲击能力强,且可透过的红外波段相近,满足视窗设计要求。综合考虑价格因素和材料来源,选择GaF2作为视窗材料。图5为GaF2红外光谱透过曲线[8],图6为直射式气室实物图。
3 标定与实验
在传感器标定过程中,采用99.9%的高纯N2作为CH4的载气。计算CH4体积分数可采用以下方法:将气室放入配气箱,开启配气系统,将配比好的混合气体送入配气箱中;待混合气充分均匀并充满配气箱后,得到探测器2个通道的输出电压值,设检测通道值为D,对比通道值为C,用D、C及式(4)进行相关计算即可得到CH4的体积分数。但这种方法会大大地占用微处理器的资源,耗费微处理器时间,影响传感器的整体性能。本文采用程序查表的方法计算CH4的体积分数:事先把标定好的数组拷贝到单片机中,当D、C值满足某种关系时,CH4体积分数就对应数组中的某个值,通过查表显示该体积分数值。采用的关系式为
式中:R为CH4体积分数的等效值;Nd、Nc分别为探测器在纯N2下测得的2个通道的输出电压值。
选择一组R值进行数据处理和线性拟合,结果如图7所示。通过多次试验证实该曲线有很好的重复性,并且线性度良好。
对不同体积分数的CH4进行测试,对比其体积分数标准值和实测值,表3为0~2.5%CH4体积分数范围内的测试结果。可见,最大测量误差仅为±0.05%。
4 结语
采用半导体硅MEMS红外片状光源设计了一种新型红外甲烷传感器直射式气室,成功地将新型红外光源和NL热释电敏感材料运用于CH4检测领域,通过双通道红外气体探测器实现了对红外辐射光能的选择吸收。0~2.5%CH4体积分数范围内的测试结果表明,采用直射式气室的红外甲烷传感器的最大测量误差仅为±0.05%。目前,该传感器已取得防爆证书及国家质量监督检验中心的认证,并在中电科技集团公司四十九研究所、哈尔滨佳启科技开发有限公司等单位试用。
参考文献
[1]马游春,梁刚,薛晨阳,等.基于CAN总线的红外CH 4监测仪设计[J].仪表技术与传感器,2009(2):32-34,64.
[2]任晓力,梁庭,谭秋林,等.基于红外光学原理的便携式甲烷报警仪[J].工矿自动化,2010,36(2):7-10.
[3]CHAN K,ITO H,INABA H,et al.10km-long fibre-optic remote sensing of CH4gas by near infrared absorption[J].Applied Physics B,1985,38(1):11-15.DOI:10.1007/BF00691764.
[4]梁刚.微型红外气体检测仪的研制[D].太原:中北大学,2008.
[5]MULROONEY J,CLIFFORD J,FITZPATRICK C,et al.Detection of carbon dioxide emissions from a diesel engine using a mid-infrared optical fibre based sensor[J].Sensors and Actuators A:Physical,2007,136(1):104-110.
[6]谭秋林,张文栋,薛晨阳,等.基于红外原理的微型多气体检测系统的设计[J].哈尔滨工业大学学报,2009,30(12):282-285.
[7]郁道银,谈桓英.工程光学[M].3版.北京:机械工业出版社,2011.
[8]刘玉川.非分光红外瓦斯检测仪的研究与实现[D].太原:太原理工大学,2008.
[9]金娜,刘卫国.单晶热释电探测器混合集成制造方法研究[J].应用光学,2010,31(2):313-316.
[10]米新江,许爱东,王英华,等.分时差分式光纤甲烷气体检测仪的研制[J].仪表技术与传感器,2003(6):12-14,19.
[11]翟成瑞,谭秋林,马游春,等.MEMS红外瓦斯传感检测系统的设计[J].中国科技信息,2006(2):52-53.
FLIREx推出系列红外热像仪 篇4
Ex系列热像仪秉承人体工程学设计理念专为入门级用户量身打造, 搭载固定式免调焦镜头, 3种红外图像分辨率 (160×120;240×180;320×240) 可选, 0.1~250℃的测温范围内, “即瞄即拍”的JPEG红外图像, 囊括了所有必要的温度数据。多波段动态成像 (FLIRMSX) 专利技术可实时提供详实清晰的热图像以满足不同的热成像需求。内置的可见光数码相机镜头有助于更快速、方便地观测, 可视图像还可作为热图像的基准参考。简单操作便可快速扫描并锁定潜在问题区域所在。
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为报表添加页眉、页脚和标识语
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用户可通过该软件将红外图像导入计算机, 以获得基本报告与结果分析。需要更多分析功能的客户还可选择FLIR Tools+软件。
舰船与海面红外热像仿真 篇5
关键词：海面目标,辐射特性,粗糙海面,红外热像
近年来,中国周边海域局势越来越复杂,增强海上军事力量是维护国家利益的强大后盾。而舰船作为海上战场的主要工具已成为重点研究对象。模拟红外热像可以直观定性地分析舰船目标与海面背景的对比特征,判别舰船目标识别的特征部位。同时也能为红外制导武器的研制降低成本,缩短研发周期,凭借其对实际军事的强烈需求和应用背景,成为各国海军及国防部门的热点课题。
国外对有关方面的研究开展较早,上世纪90 年代以来,美国的ERIM( Environmental Research Insti-tute of Michigan) 将海洋背景和目标结合,已经建立了极为精确的红外模拟方法［1］。1999 年,加拿大的DAVIS工程公司( W R Davis Eng. Ltd) 发布了与美国NRL( National Research Lab) 一起开发的功能强大的舰船红外特征管理软件［2］。2013 年,美国的Gray等人通过神经网络法模拟了舰船跟踪识别系统,能够有效排除红外诱饵弹对舰船目标的干扰［3］。国内相关研究起步较晚,2007 年,任海霞等利用实时海面舰船红外热像仿真平台模拟了不同天气状况、不同观测视角的舰船红外热像［3］。2014年,姜笛等提出了一种高效的舰船红外特性建模方法,得到了比传统方法精度更高的红外仿真图像［4］。
本文选择某一型号的舰船,首先根据坐标变换及投影法并结合大气传输模型编写程序模拟舰船的红外热像,然后使用Cox - Munk粗糙海面模型和遮蔽函数并结合蒙特卡洛方法编写程序模拟不同条件下海面的红外热像,最后将舰船目标与海面背景的红外图像进行融合,分析不同探测距离条件下海面背景下舰船目标的红外热像特征。
1 舰船红外热像模拟
1. 1 舰船温度分布计算
通过合理简化得到舰船的几何模型如图1 所示。对舰船进行网格划分,每个网格面元需要考虑导热、对流和辐射三种换热形式。其中导热形式较为简单,可以用单元面与周围相邻面元的导热方程进行计算; 对流包括两部分,当舰船表面与空气接触时,对流换热的经验公式［5］,当舰船表面与海水接触时,采用外掠等温平板的对流换热关联式; 辐射包括两部分,太阳辐射利用太阳加载模型进行计算,舰船动力舱与船体表面的辐射换热利用Surface to Surface模型进行计算。
1. 2 舰船辐射特性计算
在计算舰船表面温度分布的基础上分析目标的辐射特性。舰船目标的辐射包括自身的漫发射和太阳、天空及海面对目标的反射两部分。舰船的辐射亮度表示如下
式中Tt———目标温度;
ε———目标发射率;
Eb(Tt)———温度为Tt的黑体辐射出射度;
ρl、ρs———长波与短波的反射率;
Esky、Esea、Esun———天空、海洋和太阳的辐照度。
由于大气中微粒和云雨等气象条件的影响,光谱辐射亮度透过大气会被吸收和散射,沿传递行程的衰减规律用布格定律表示,即
式中 μa( λ) ———衰减系数;
τa( λ) ———光谱透过率;
R———目标与红外系统之间的距离;
Lλ,R———距离探测器R时目标的辐射亮度;
Lλ,0———零视距时目标的辐射亮度。
1. 3 舰船红外热像模拟结果
模拟舰船红外成像即将三维场景图转化为二维平面图,可以用光学几何投影的方法将舰船模型沿探测方向投影到探测器平面上。具体示意图见图2。设舰船坐标系为XYZ,探测器平面坐标系为X*Y*Z*,将小面元位置集中在面元中心点,根据投影定理求出舰船表面点M在探测器平面的投影点M*坐标。并将舰船坐标系下投影点坐标转换成探测器坐标系,从而确定探测器每个像素覆盖的面元数N。并对每个小面元的辐射强度进行叠加求和,再除以N个小面元在探测方向上的投影面积,则可得到每个像素辐射强度的平均值为
式中Lk，r———面元k的辐射强度;
Sk———面元k的面积;
θs———面元法向与探测方向的夹角。
在计算舰船目标红外热像时,有关背景的数据皆为0。模拟8 ~ 12 μm波段舰船红外热像见图3,图中明亮的部位表示辐射强度大,可以看出,行进中的舰船烟囱出口的辐射强度最大,这是因为排烟温度高,辐射亮度大,因此烟囱出口是舰船探测最主要的识别部位。
2 海面背景红外热像模拟
2. 1 粗糙海面模型建立
海面粗糙程度可以用海面双向反射分布函数( BRDF) 表示。BRDF的表达式为［6］
式( 4) 表示沿( θs,φs) 方向的散射亮度d Lr( W/( m2·sr) ) 与沿( θi,φi) 方向入射的辐照度d Ei( W/m2) 之比,其几何示意图如图4 所示。
这种粗糙性可以认为是由许多小波面构成的。本文利用Cox - Munk海谱模型并结合蒙特卡罗方法计算粗糙海面BRDF。利用随机射线来模拟能量离散量。利用Frensel定律计算小波面反射率,判断光线是否被吸收,如果该光线被吸收,则跟踪结束;如果该光线被反射,则继续跟踪直至被探测器吸收。设 θn和 φn分别为海面小波面法向量的天顶角和方位角。各项异性海面坡度分量概率分布模型为［7］
其中,σ2为小波面的斜坡方差,该公式是风速U的函数。由式( 5) 和式( 6) 可得
其中,q = 1 - P( θn) 和q1为[0,1]的随机数。
2. 2 海面辐射亮度计算
海面红外辐射由海面本身的红外辐射和对环境辐射的反射组成。海面辐射亮度可表示为
其中,εθs为海面的定向发射率,在海面红外辐射实际应用中,应针对具体的仿真要求,在满足精度要求的基础上选择较为简单的发射率计算模型,以减小计算负荷并提高计算时间。因此,本文将海面当做黑体处理,同时考虑海浪遮蔽因子s*对发射率的影响
2. 3 海面红外热像模拟结果
模拟海面的红外热像,需要计算探测器上的红外辐射总量,首先要计算出探测器上每个像素的平均红外辐射。对于海面背景可以看成是有许多小面元构成的。因此,将这些小波面的辐射值进行简单的统计平均则可得到该像素的平均红外辐射值,在特定探测方向上,探测器每个像素对应的辐射亮度值可表示为［8］
其中,探测器上每个像素所覆盖的面元的个数n = Nh× Nν个,Nh和Nν分别为垂直探测器视线平面内水平方向和垂直方向所覆盖的小面元的数量。
本节计算8 ~ 12 μm波段,风速分别为3 m/s、5 m / s、7 m / s、8 m / s、9 m / s、10 m / s、11 m / s和13 m / s时的海面热像,太阳入射角度 φ = 90°,θ =18°,探测天定角为45°。其中四个风速条件下的海面红外热像如图5 所示,海面辐射亮度平均值随探测天顶角的变化如图6 所示。可以看出:
( 1) 海面红外热像呈现随机性,明暗相间;
( 2) 海面平均辐射亮度随风速的增大而减小。
3 海面与舰船红外热像融合
利用已经完成的计算模块进行目标与背景融合的红外热像,主要方法为: 根据模拟场景的时间日期、地理位置和环境条件,确定太阳辐照和天空辐照,并根据大气传输模型,模拟相应环境下的海面红外热像,然后将与海面背景相同观测方向、观测距离和探测器视场角的舰船目标红外热像镶嵌到背景图像中。
本节计算的条件为: 大气环境20℃,相对湿度Hr = 20% ,大气压p = 1. 012 × 105 Pa,视能见距离为20 km,相应的衰减系数如表1 所示。计算波段8 ~12 μm,探测器空间分辨率为0. 32 mRad,探测天顶角为20°,探测方位角为90°,不同高度下的融合图像见图7。不同探测高度下融合图像最高辐射亮度随探测距离的变化趋势见图8。
可以看出,随着探测距离的增大,舰船相对海面的几何尺寸减小,舰船整体辐射亮度减小,主要是由于大气衰减的影响,随着探测距离的增大,大气透过率减小,舰船辐射亮度减小。烟囱出口辐射亮度随距离的增大迅速减小,主要是由于探测距离的增大,每个像素探测的实际面积增大,覆盖的面元辐射强度差异很大,使得每个像素的平均值减小。
4结论
本文首先根据坐标变换及投影法则并结合大气传输模型编写程序模拟了8 〜12 p m波段舰船的红外热像。然后使用C ox - M im k粗糙海面模型和遮蔽函数并结合蒙特卡洛方法模拟了不同风速条件卜海面的红外热像。最后将舰船目标与海面背景的红外图像进行融合,分析不同探测距离条件下海面背景下舰船目标的红外热像特征。主要得到以下结论:
( 1 ) 对于运动中的舰船,烟囱出口处最明亮,是舰船探测最主要的识别部位;
( 2 )海面红外热像呈现随机性,明暗相间随着风速的增大海面平均辐射亮度减小;
红外热传感 篇6
随着社会的发展,21世纪的人们越来越重视安全问题,特别是医疗和医用安全问题,目前,医院给病人输液一般采用护士专人值守,或者病人家属专门监控。在这种情况下,一旦人工值守监护不到位,就可能导致瓶装输液在液体输完后气体由输液管路进入人体,既通常所谓气体栓塞,会对患者造成严重的身体伤害,甚至造成死亡。而输液报警装置可以解决这个问题,社会上输液报警器采用各种各异的原理与制作方法,主要的测试方法有利用压力传感器测量瓶内液体的重力,进而将重力这一物理量转化为瓶内液体高度的物理量。这种方法,思路清晰简单明了,但是操作困难。主要是因为瓶内液体一般不是纯净物,密度不好确定;另外瓶内液体是否混合均匀也是影响测量的一个重要因素,因此这种方法实际上并不可取。
利用光的直线传播与折射原理,用红外探头照射液面并用相应的接收装置接收信号,根据接收到的模拟信号来检测液面并报警,装置简单,但由于光的折射、散射、透射导致精度不高;而利用红外传感器加载在输液管两端来记录滴数的方法,不仅装置和原理简单,精度高,最重要的是成本低,且具有便携式,方便护士的拆装和药物利用同时也不污染药物,达到非接触式测量,很好地解决了输液报警的问题,既减少了医护人员的时间和精力,又保证了患者的生命安全。
1 设计原理与方法
1.1 设计原理
本设计原理主要采用测量下落水滴的滴数来确定液位的高度及报警。其工作原理如下:通过输液器使水一滴滴落下,在输液管的滴管两侧分别放置红外发光二极管和光敏二极管,当有水滴落下时,光敏二极管接收到的光将减少,从而导致光敏二极管两端的电压增大,将该电压与电压比较器设定的初始电压进行比较,电压比较器将会在高低电平间转化,通过记录转化的次数就能确定下落水滴的滴数,从而确定液位及实现报警功能。
实验装置框图如图1所示,电路图如图2所示,实物图如图3所示。
1.2 实验基本过程与方法说明
在制作过程中,把可乐瓶装满水倒置固定在焦利氏称上,焦利氏称用来固定仪器,连接上滴管使水滴一滴滴下落。同时使红外发光二极管、光敏二极管及水滴在同一直线上,打开水滴控制开关使液体落下。当水滴下落时,将红外传感器接收端的电压信号进行放大,通过比较器输出高低电平给单片机编程计数,并且通过液晶显示屏显示。当实验开始时,利用按键设定报警点。当计数器所计的滴数达到报警点时,报警器报警。
61板是陵阳大学计划的16位单片机,其核心芯片为SPCE061A。
SPCE061A是继μ′nSPTM系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器。与SPCE500A不同的是,在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能,SPCE061A里只内嵌32 KB的闪存(FLASH)。较高的处理速度使μ′nSPTM能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此,与SPCE500A相比,以μ′nSPTM为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品一种最经济的选择。性能如下:16位μ′nSPTM微处理器;工作电压(CPU)VDD为2.4～3.6 V (I/O);CPU时钟:0.32～49.152 MHz,内置2 KB SRAM,32 KB FLASH,可编程音频处理。
显示屏为4×8的lcd12864。
LS1是8 Ω 0.5 W的喇叭。
运算放大器是OP07。OP07芯片是一种低噪声,非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路,由运算放大器组成的比较电路如图4所示。由于OP07具有非常低的输入失调电压(对于OP07A最大为25 μV),所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低(OP07A为±2 nA)和开环增益高(对于OP07A为300 V/mV)的特点,这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。
超低偏移:150 μV最大;低输入偏置电流:1.8 nA;低失调电压漂移0.5 μV/℃;超稳定,时间:2 μV/month最大;高电源电压范围:-3～-22 V,+3～+22 V。
1.3 单片机中的软件流程
单片机中的软件流程图如图5所示。
先进行初始化,再通过按键key设置初始值a。判断信号接收端的电压如果为高电平,则计数器cout=cout+1,如果为低电平则不加。当计数器的cout等于初始值a时,中断报警,然后重新初始化。如果不等于初始值则继续计数。计数过程实时通过液晶板显示。
1.4 制作所用元器件清单
制作所用元器件如下:
光敏二极管GKF104,红外发射管GKF104,凌阳61板SPCE061A。液晶显示屏lcd12864(见图6),焦利式称,5 V稳压源,电阻,滑动变阻器,导线,医用输液器,2.5 L可乐瓶。
红外发射接收装置的实验中使用的红外发射与接收装置是GKF104元件,实物图如图7所示。该元件是一个集红外发射与接收于一体的元件,这样就保证了红外发射装置发出的红外线一定能被其接收装置所接收。但在实验过程中,红外发射与接收装置不再同一侧,因此将GKF104的红外发射头与接收头人为地分开,并分别正对着放置在瓶子的两侧。当红外接收装置两端的光减少时,它两端的电压会增大。实验中将红外发射二极管接于CR2330(3 V)钮扣电池正负极上,长的引脚为正,短的引脚为负。
光敏二极管的性质曲线如图8所示。
2 数据测量与分析
2.1 测试数据
测量一滴水的体积见表1(先测量400滴水的体积,单位:mL,然后取平均值)。
2.2 数据分析
通过一滴水的体积,可以推算出结果:
2.5 L水:
2 500/0.05=50 000滴
2 L水:
2 000/0.05=40 000滴
当计数器滴数达到设置的初始滴数时,报警器开始报警。
由OP07所组成的比较电路设置的基准电压是4.0 V。理论上大于4 V时输出为5 V高电平,小于4 V时输出为0 V。由于运放漏电流的影响,导致低电平为1.1 V,高电平为4.3 V。
2.3 误差分析
电路在时间上可能有一段时间的延时,造成水滴的计数有一定的误差,但延时是很巨大的,所以可以忽略。
下落的水滴中可能有气泡,导致一滴水的体积没有达到平均值0.05 mL,从而导致当水滴的数量达到一定量时,实际的体积却小于理论值,但水滴中的气泡来自输液管,量水滴时影响不是很大,也是可以忽略不计的。
3 结 语
该装置的主要设计思想是通过红外传感器针对滴管每个水滴的下落进行电信号采集。实验测得,通过此方法测量出的数据比较准确,误差很小。同时该方法思想原理简单,直观易懂,可以直接测量出瓶子中剩余水的准确数量。该方法仅对水滴进行数据采集,不仅消除了由于繁琐的步骤而带来的其他环节的误差,而且显示出的数据几乎可以做到与实际同步,没有延迟。实验中显示出的是剩余水的体积,很好地实现了控制报警的设置。
摘要：为了防止病人在无人看护输液的状态下,因不能及时停止输液给病人带来很大的麻烦甚至生命危险,根据实际运用的需要采用红外传感器无损无污染探测的方法,通过大量的实验获得了最佳的数据和制作方案。成功制作出了一种红外输液测量和报警装置的系统,得到了简单实用的红外传感系统和实验数据以及制作原理,很好地解决了输液报警的问题。
关键词：红外传感器,单片机系统,非接触式探测,液位测量,报警
参考文献
[1]王佰明,刘亚军,王佩.激光探头液面监测与报警装置[D].北京:北京林业大学,2009.
[2]罗亚非.凌阳16位单片机应用基础[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.
[3][日]马场清太郎.运算放大器应用电路设计[M].何希才,译.北京:科学出版社,2007.
[4]新编国内外二极管速查手册编写组.新编国内外二极管速查手册[M].北京:电子工业出版社,2008.
[5]董洪乐,黎湘.雷达与红外传感器异地配置下的数据关联[J].现代电子技术,2007,30(7):4-6.
[6]洪峰.基于气介式超声波传感器的雨量液位测量系统设计[J].现代电子技术,2010,33(23):149-151.
红外热传感 篇7
传统的用于检测气体的传感器大多数通过其探头的电阻或电容变化来测定气体体积分数,灵敏度低,抗干扰能力差。在工业生产自动控制中则主要采用气相色谱仪和计算机联用来检测气体,由于现场环境恶劣,其检测效果普遍不好,在实际应用中比较繁琐。而基于红外光谱技术的气体传感器可以较好地解决上述问题。就目前而言,红外吸收光谱法是最精确的气体检测方法,具有灵敏度高、测量范围宽、精度高、响应速度快、误报率低、不消耗气体等优点[1]。但红外气体传感器信号易受外界光源、电磁等干扰影响,输出信号中存在大量噪声而影响检测精度。本文通过介绍红外气体检测原理和信号的特点,设计了一种可有效提高检测精度的信号调理电路和滤波程序,并给出实际测试图。试验证明该电路可有效滤除干扰信号,准确提取纯净有用信号,加以软件的辅助滤波,提高了传感器精度和稳定性。
1 红外气体检测原理
红外气体传感器的主要原理是基于甲烷对红外光谱的吸收原理,甲烷的吸收谱线峰值分别为3.392、3.433、6.522和7.658 μm[2],其理论基础是朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律:
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式中:I为透射光强度;Io为入射光强度;C为被测气体体积分数;α为气体摩尔分子吸收系数;L为光和气体的有效作用长度(气室长度)。
根据式(1)可知,如果α和L已知,通过测量I和Io就可以得到C。对式(1)进行变换,得
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根据式(2)设计红外气体传感器,其主要组成包括气室、红外光源、热释电传感头等器件。热释电传感头的2个窗口分别装有窄带滤光片,从而构成参比通道和气体通道,红外光源发出的光被气室内气体吸收后,由热释电传感头转换成可采集的电压值,两通道的电压比值便对应着当前气室内气体体积分数。由于热释电传感头必须有变化的光照才有信号输出,故对红外光源进行频率为2 Hz的频率调制,另外由于光照强度的限制,热释电传感头输出的信号很微弱,通过测试发现传感器的参比通道和气体通道的输出电压范围分别为大于65 mV和小于120 mV,并且信号中经常掺杂几千赫兹的干扰信号,偶尔也会有1 Hz和50 Hz的噪声,主要是由于身体触碰、电磁干扰、市电干扰等环境原因造成的,对气体体积分数计算结果和精度影响比较大,这就要求必须设计一套符合该传感器的信号调理电路和滤波程序。
2 信号调理电路
检测信号的困难并不在于信号的微弱,而是由于信号中存在大量的噪声,所以,将有用信号从强背景噪声中检测出来的关键是抑制噪声。提高信号检测灵敏度或者降低噪声的主要方法是分析噪声产生的原因和规律以及被测信号的特征,采用适当的技术手段和方法把有用信号从噪声中提取出来[3]。
根据红外气体传感器输出信号的特征,为了保证调理后信号与原信号的一致性并最大限度地降低成本,本设计采用2路形式完全相同的单电源供电的两级放大滤波电路。每路调理电路的第一级为负反馈放大,主要作用是将所有信号放大到一定程度,调节两通道数据比值,并为后级滤波做基础;第二级主要作用是滤波,2路采用结构和参数完全相同的无限增益多反馈有源二阶带通滤波器,该滤波器反相端输入,失真较小,对元件灵敏度要求比较低,能够达到很好的效果。
对于单电源运放,其输出电压范围在低电平以上,很少能够完全实现轨到轨摆幅,在实际应用中,只能接近到电源、地线轨的50～200 mV,因此,对输入信号的范围有限制,为满足输入信号的需要,通常需要加参考电压,目的是使输出电压范围满足单电源运放的输出电压范围。本设计采用高精度、低噪声、低成本的集成运放LM358,外加1.2 V参考电压。通过实际应用发现该电路能够有效滤除噪声,提高电路稳定性,并能准确提取有用信号。气测通道信号调理电路如图1所示。
根据电路的放大特性,第一级放大倍数计算公式为
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对于第二级电路,其传递函数为
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式中:Vo(s),Vi(s)为Vo,Vi的拉普拉斯变换;Re=R33//R11;C=C12=C13;s为复自变量。
这是一个具有零点的二阶系统,其系统的自然振荡角频率undefined,阻尼比为undefined。
谐振频率为
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谐振放大倍数为
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上限频率为
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下限频率为
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带宽为
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品质因数为
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由此,整个信号调理电路的放大倍数为
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通过测试,可得如图2所示的电路幅频特性实测曲线。
图2下半部输出的波形显示传感器输出的波形中夹杂着一些高频率的噪声;上半部为通过信号调理电路处理后的信号,有效滤除了噪声,达到了预期的滤波效果。实际电路放大倍数为20.5倍,与计算值有偏差,其主要原因是电容的误差比较大,造成电路的中心频率偏移,传感器信号通过时有所衰减。其频率特性曲线如图3所示,横坐标表示频率,Hz;纵坐标表示衰减系数,dB/m。从图3可看出,电路中心频率为2.3 Hz,在2 Hz时大约衰减22.447 dB/m,虽有一定衰减,但仍在误差范围之内,满足设计要求。因为最终使用的是2路数据的比值求甲烷体积分数,电路中只要焊接同批次的电容即可保证2路电路基本相同。另外,此电路稳定性较好,通过各种干扰测试,电路都可以很好地提取出有用信号。
3 数字滤波
本文设计所选用的红外探测器为双通道热释电红外探测器,其输出2路电压信号,分别为气测通道电压信号Ugas和参比通道电压信号Uref,2路信号反映了λ=3.31 μm波段的红外光通过待测气体后的强度变化,根据红外气体检测原理,2路信号与入射光强I有如下关系:
式中:Cgas和Cref分别为气测通道和参比通道的滤光片的特性常数。
将式(12)、式(13)相比得
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当甲烷气体体积分数为0时,式(14)为
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定义undefined,将式(14)和式(15)相除得甲烷体积分数检测理论公式:
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可见F和体积分数C理论上呈指数关系,只要测出F,便可根据式(16)求出C。但是在实际中,由于各种因素的影响,很难找到一种合适的指数模型拟合这条曲线,只能将式(16)按泰勒公式展开,用多项式去拟合它们之间的关系,根据气测通道和参比通道的数据在Matlab中利用polyfit函数拟合F和C的多项式关系,由s=polyfit(F,C,5)得到其系数:
由以上分析最终得出公式为C=s(1)×F5+s(2)×F4+s(3)×F3+s(4)×F2+s(5)×F+s(6),然后采取中位值平均滤波算法,将最后计算结果写入单片机,最后可计算出甲烷气体体积分数C。
中位值平均滤波法是中位值滤波算法和平均滤波算法组合的复合滤波算法,即在一定时间内,对输入信号进行连续采样,然后除去最大值和最小值,求取剩余采样结果的平均值[4]。
在工程应用中,中位值平均滤波算法能够有效克服因偶然因素引起的波动干扰,消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差,并且对周期性和热噪声产生的干扰也有很好的抑制作用。采样次数的取值取决于系统参数,如果系统对灵敏度要求较高或者对反应时间要求较快,则采样次数的取值越小越好。考虑到灵敏度,以连续采样8次进行均值计算为宜。滤波后数据能够很好地保持信号的真实性,为单片机进行准确的甲烷气体体积分数转换提供了保证。具体方法:每次均值滤波处理后结果并不直接进行甲烷气体体积分数计算,而是与前次测量结果按不同权值求出一新的结果,该结果用于计算甲烷气体体积分数,公式为
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式中:undefined分别为n,(n-1)次测量甲烷体积分数的加权平均值;Cn为第n次测量甲烷体积分数;P为权值,范围为0～1,本文取0.5进行试验。
将传感器置于一个标准大气压(T=24±0.2 ℃)下,对传感器进行检测,得到如表1所示的数据。
由表1可知,随着甲烷气体体积分数值的不断增大,相对误差大致呈减小趋势,当测量体积分数为2%的甲烷气体体积分数时,相对误差最大为4.5%,分析误差造成的原因有拟合误差,由于标定的数据点有限,所测的关系式与真实关系式有一定误差,虽然采取了恒温措施,但是恒温箱内温度还有一定波动,由此造成了结果的不准确。根据满量程精度定义,到70%量程的精度=测量最大绝对误差/满量程×100%,得到甲烷气体体积分数检测的满量程精度为0.54%。
4 结语
红外气体传感器信号调理电路可有效克服信号中混入的噪声,采用中位值平均滤波算法不仅对周期性和热噪声产生的干扰有很好的抑制作用,还提高了电路的稳定性和精度,甲烷气体体积分数检测的满量程精度可达到0.54%。
参考文献
[1]潘小青,刘庆成.红外技术的发展[J].华东地质学院学报,2002,25(1):66-69.
[2]张帆,张立萍.红外吸收光谱法在气体检测中的应用[J].唐山师范学院学报,2005,27(5):62-64.
[3]杨新峰,杨迎春,苑秉成.强噪音背景下微弱信号检测方法研究[J].舰船电子工程,2005(6):123-125.
[4]夏路易.单片机原理及应用——基于51及高速SoC51[M].北京:电子工业出版社,2010:291-295.
[5]牛余朋,成曙.单片机数字滤波算法研究[J].中国测试技术,2005,31(6):98-99.