红外传感技术（共7篇）
红外传感技术 篇1
摘要：为实现对触头温度的在线监测,针对GIS设备隔离开关的结构特点,提出了一种基于红外(IR)传感的适用于GIS设备触头温度在线监测的方法。因为金属导体表面发射率低,所以在金属导体触头表面涂敷高辐射涂料。针对SF6气体吸收红外光的影响,提出通过调节红外温度传感器的发射率来补偿SF6气体的吸收效应。建立了GIS试验平台,研究了SF6气体体积分数、红外滤光片和环境温度对红外测温的影响。实验结果表明,SF6气体体积分数的升高会导致红外温度传感器读数的下降,需要调低传感器的发射率进行补偿。最后根据所提方法设计了GIS设备触头温度在线监测系统。
关键词：GIS,红外传感,开关,触头,温度,监测
0 引言
随着我国电力工业的大力发展和需求量的不断增长，气体绝缘金属封闭开关(GIS)被广泛应用于电力系统中[1,2]。GIS设备加工工艺严格、技术先进，且绝缘介质为SF6气体，因而具有良好的开断能力且触头烧伤轻微，具有检修周期长、故障率低、维护费用少、占地面积小等优点。正是由于GIS设备的这些突出优点，其在变电站中的应用日益广泛。当GIS设备触头接触不良时，由于接触电阻变大，在负载电流流过时会产生过热现象。触头、母线过热会引起绝缘老化甚至击穿，从而引发短路，形成重大事故，造成巨大的经济损失[3,4]。据不完全统计，国内的众多发电公司、电力公司所采用的GIS设备均不同程度地出现过封闭母线、隔离开关、电缆头等部件由于绝缘老化或接触不良，造成温度异常变化，从而引发事故的现象[5]。因此，实现对GIS设备的在线温度监测，提前发现并消除热故障隐患，对GIS的安全可靠运行具有非常重要的意义。
目前，在现场中应用的预防GIS设备触头过热的措施主要有3种：人工观察触头表面颜色[6]、定期测量回路电阻和使用红外成像仪[7,8]对固定监测点定期进行温度监测。这些方法均存在着一定不足：前2种措施需要GIS设备停电检修，第3种措施中红外成像技术的分辨率和精度都难以达到要求，而且这3种监测方法均难以实现对GIS设备温度的持续测量，即不能实现在线监测。而目前在开关柜触头测温中应用较为广泛的光纤光栅在线测温方法[9,10,11]，由于GIS结构的特殊性还未在GIS设备触头温度检测中得到广泛应用。红外在线测温方法[12,13]不与被测物体直接接触，不会扰动和破坏被测物体的温度场和热平衡，也解决了高压隔离和测量部分的高温问题，更重要的是能够实现连续自动测量GIS设备触头的温度并及时进行温度越限预警，具有广泛的应用前景。本文针对GIS设备结构的特点，提出了一种基于红外传感的适用于GIS设备触头温度在线监测的方法，并对影响红外测温精度的因素进行了实验研究。该方法具有较强的实用性，对提高电气设备运行可靠性和电力系统运行可靠性都具有重要的意义。
1 GIS设备红外在线温度监测特点
红外测温是一种非接触式的测量方法，通过接收被测物体的辐射来确定被测物体的温度。在自然界中，一切温度高于绝对零度的物体都在不断地向周围空间辐射红外辐射能量。物体红外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因而，通过测量物体自身辐射红外能量的大小便能准确地测定它的表面温度，这就是红外测温所依据的客观基础。黑体的发射率等于1，实际物体的发射率都小于1，只有调整红外温度传感器的发射率与被测物体的发射率一致，测量的导体温度值才是准确的。
图1为GIS设备隔离开关红外温度在线监测装置示意图，包括GIS设备外壳、密封盖板和红外温度传感器等。金属壳体为圆形开孔并向外凸起，保证了金属导体与探头之间的安全距离;密封盖板与金属壳体的结合处为由橡胶圈、密封胶和螺丝组成的良好密封系统。
目前影响GIS设备红外测温精度的因素主要有以下3个。
a.金属导体表面发射率。GIS设备内部为了提高绝缘性能，减少沿面放电和局部放电，内部导体多为抛光的金属。然而金属的发射率是很低的，特别是抛光的金属(铝、铜)发射率约为0.05，要测量金属导体的温度就必须提高被测点的发射率。
b.SF6气体吸收带。GIS设备内部充满SF6气体，从图1可以看出，内部导体辐射的红外光要经过SF6气体吸收带才能到达红外温度传感器。然而SF6气体是一种温室气体，对红外光有着强烈的吸收和辐射能力，应尽量减少SF6气体的红外辐射和吸收，以提高测量的准确性和精度。
c.红外温度传感器的参数要求。GIS设备内部处于高电压、强电场、强磁场的环境下，所使用的传感器要具有合适的测温范围、温度分辨率、距离系数、精度、响应时间、长期稳定性和对环境温度的要求。
2 金属导体表面发射率对红外测温的影响
由第1节可知，要测量金属导体的温度就必须提高被测点的发射率，这给测温工作带来了极大的困难，也是从事在线监测的专业人员难以进行GIS设备内部导体红外测温的原因[14]。文献[14]提出了一种在触座上开圆孔槽，在槽底嵌入SF6环境下具有高稳定化学性质且辐射率高的物质的方法。虽然这种方法将不受金属铝的限制，可以将对铝导体的红外测温转化为对普通材料温度的红外测量，但会给GIS设备的加工和组装带来一定的困难，而且2种材料的温度传递过程可能会导致嵌入物质不能及时反映触头温度变化情况。
本文提出了一种在金属导体触头表面涂敷高辐射涂料的方法，将对金属导体的红外测温转化为对导体表面涂料温度的红外测温，其有以下几点优势。
a.通常情况下，金属及其他非透明材料的辐射发生在表面几微米内，发射率是表面状态的函数，而与尺寸无关。因此，涂敷或刷漆的表面发射率是涂层本身的特性，而不是基层表面的特性。
b.在GIS设备正常运行过程中，通常内部导体连接部位在额定电流作用下的温度为100℃左右，由于被测物体测量温度范围较小(特别是非金属物体的发射率随温度的变化很小)，在实验中可近似认为被测物体表面的发射率不变。
c.在GIS设备正常运行时，开关电流短时间内一般不会出现剧烈波动，涂敷材料与导体触头处于热平衡状态，两者温度相同。
d.简单经济，便于加工，而且涂料与金属紧密结合，能够更好地与金属导体达到热平衡，从而更灵敏地反映金属的温度变化。
e.涂敷的涂料为非金属，不会产生沿面放电、局部放电等现象，具有广泛的应用前景。
本实验中表面涂敷HS-2-1低温红外辐射涂料(图2)，该涂料性能优良，红外线法向全发射率达到0.86，且发射率不随温度的变化而改变。将被涂的底材清除油污，进行喷砂处理后再进行喷涂。施工以喷涂为宜，亦可手工刷涂。涂敷厚度为70～100μm，涂敷区域直径根据下式确定：
本实验中采用的红外温度传感器的距离系数是15∶1，红外温度传感器探头到测温区域的距离是30 cm，则测温区域的直径最少应为2 cm。当涂敷区域直径小于测温区域最小直径时，背景辐射能量就会进入温度传感器干扰测温读数，造成误差。为保证足够的测量精度，在实际测温时，以被测目标尺寸超过测温区域最小直径的50%为宜。
3 SF6气体对发射率的影响
GIS设备内部从被测物体到传感器之间存在着SF6气体吸收带，红外光在SF6气体中传播时会因为气体分子对辐射的吸收、散射而衰减[15]。SF6气体对中心波长为10.55μm的红外波段具有非常强的吸收和辐射特性[16]，而对其他波段的红外光吸收较小。由于SF6气体自身固有的辐射特性，所以选择的红外温度传感器应尽量避开对应的吸收带，优先选用的工作波段为6～10μm。然而经市场调研发现，目前主流的测量低温范围的红外温度传感器工作波段为8～14μm，且现有工作波段在6～10μm的红外传感器报价特别高，不利于测温方法的推广应用。
鉴于可调发射率的红外温度传感器在有烟尘及浓雾等条件下的应用，笔者对通过调节红外温度传感器的发射率来补偿SF6气体的吸收效应进行了实验研究。在红外测温过程中，只有红外温度传感器的发射率与被测物体的发射率一致时才能显示正确的温度示数。由于SF6气体的吸收效应，红外温度传感器接收的红外光要小于被测物体发出的红外光，因此其读数小于实际温度值，此时只有调低红外发射率才能得到正确的温度读数。
SF6气体对红外光的吸收效应与SF6气体的体积分数和温度有关。SF6气体封闭在GIS设备内部，尽管不同地域、不同季节外界的环境温度变化可能较大，但设备正常运行时SF6气体的温度变化不大，可近似认为SF6气体温度变化对红外光的吸收没有影响，因此影响红外测温精度的因素主要是SF6气体的体积分数。
本文对不同体积分数SF6气体对发射率的影响以及发射率校准的可行性进行了研究。实验平台包括大电流发生器、GIS隔离开关实验模型、红外温度传感器、热电偶等。其中，红外温度传感器为可调发射率的HE-155A型红外温度传感器，导体表面涂敷HS-2-1低温红外辐射涂料，热电偶埋入隔离开关的触头处作为温度标准值。
3.1 不同SF6气体体积分数对发射率的影响
保持大电流发生器的输出电流值不变即保持导体的温度不变，改变SF6气体的体积分数，观察红外温度传感器的示数变化，然后调整发射率直到红外温度传感器的读数与标准值(热电偶温度的读数)一致，记下此时的发射率见表1。由于气体压强越大，气体体积分数越大，所以表1中用气体压强表征气体体积分数，后同。红外温度传感器的初始发射率设为0.86，与涂料的辐射率一致。
通过结果可以看出，随着SF6气体体积分数的升高，红外温度传感器的读数下降，这是由于SF6气体体积分数的升高导致对红外光的吸收增加所致。此时只有调低红外传感器的发射率作为补偿，才能得到正确的温度值。
3.2 加装红外滤光片对发射率的影响
GIS内部长期处于高温、强电场环境中，在短路时开断电流产生的高温电弧可能会损伤红外温度传感器的探头，因此在工程中在探头前装设红外滤光片来加以保护。然而，红外滤光片不能够完全地通透红外光，其会对红外温度传感器的读数产生影响。加装红外滤光片后，保持大电流发生器的输出电流值不变即保持导体的温度不变，改变SF6气体的体积分数，观察红外温度传感器的读数变化，然后调节传感器的发射率直到传感器的读数与标准值(热电偶温度的读数)一致，记下此时传感器的发射率，结果见表2。
调节大电流发生器的输出电流值即改变导体的温度，待导体温度恒定后，改变SF6气体的体积分数，观察红外温度传感器的读数变化，然后调节传感器发射率直到红外温度传感器的读数与标准值(热电偶温度的读数)一致，记录此时的发射率，实验结果见表3，表中Io为输出电流。
通过表2可以看出，加装红外滤光片后，随着SF6气体体积分数的升高，红外温度传感器的读数下降，这是由于SF6气体体积分数的升高导致对红外光的吸收增加所致。此时调低红外传感器的发射率作为补偿，仍然能够得到正确的温度值。通过表3可以看出，加装红外滤光片后，不同温度下红外温度传感器的发射率基本不变。这是由于被测物体为红外辐射涂料，其发射率在不同温度下的发射率恒定;同时，体积分数一定的SF6气体对红外光的吸收和辐射特性一定，所以，不同导体温度下红外温度传感器的发射率基本保持不变。从上述实验结果可看出，加装滤光片后，只要SF6气体的体积分数一定，则红外温度传感器的发射率基本恒定，这说明了通过发射率校准来补偿SF6气体吸收效应的可行性，相关发射率的实验数据可为红外温度传感器的工程应用提供参考依据。
3.3 外界环境温度变化对红外测温的影响
保持大电流发生器输出电流值和SF6气体的体积分数不变，对GIS外壳局部加热40 min，记录红外温度传感器读数变化情况见表4。
从表4可以看出，外界环境温度的局部变化(如现场中光照、局部温度升高)，对于红外温度传感器的测量基本没有影响。
4 GIS设备触头在线温度监测系统的设计
基于红外原理的GIS设备触头温度在线监测系统主要包括可调发射率的红外温度传感器、红外温度传感器前端装设的红外滤光片、被测金属导体表面涂敷的红外辐射涂料和温度信号处理电路。整个温度监测系统分为硬件系统和软件系统：硬件系统包括红外温度传感器、数据采集和发射模块、信号中继点、数据管理平台;软件系统包括温度数据采集程序、无线通信程序、数据管理平台温度管理程序。红外温度传感器分别装在隔离开关、断路器和母线的触头处，采集的数据经过无线发射装置被中心节点中继后，通过GPRS网络传输到数据管理平台。
图3给出的是触头处红外温度传感器的结构示意图。导体触头上的黑色部分为涂敷的红外辐射涂料，可以提高被测金属导体的发射率，同时涂敷的范围要满足红外温度传感器距离系数参数的要求。在红外传感器探头的前端装有红外滤光片，能够过滤干扰波段，而且能够承受断路器开断短时高温电弧的冲击，保护红外温度传感器的探头。红外传感器上集成有无线发射模块，采集的温度信号可以通过无线网络传输到控制台。从图中可以看出，红外测温方法不与被测物体直接接触，能够不扰动和破坏被测物体的温度场和热平衡，也解决了高压隔离和测量部分的高温问题，相对传统的测温方法具有明显的优势。
图4为GIS设备触头温度在线监测系统图。断路器、母线、隔离开关等触头处测量的温度数据经过无线信号中心节点中继，通过无线网络传输到控制台(数据管理平台)，这样在控制台侧就可以实时观察到触头温度的变化情况，能够实现连续自动测量GIS设备触头的温度并及时进行温度越限预警。
红外温度传感器采用可调发射率的HE-155A型传感器，无线通信网络选择具有抗干扰能力强、通信距离远、延迟短等优势的ZigBee网络。红外传感器实现高电压、强磁场的隔离，而且不破坏GIS设备内部温度场。采集的温度数据通过无线传输方式可以不受距离限制、无需现场布线。集成的红外温度在线监测系统结构简单，成本较低，安装方便，抗干扰能力强，且具有较高的运行稳定性和可靠性，应用前景广阔。
图5给出了大电流发生器的输出电流为1 kA时连续监测隔离开关触头温度的结果。从图中可以看出，触头温度不断升高，经过40 min基本保持稳定。经过反复测试和优化设计，整个红外测温系统的测量精度为1℃，重复精度为0.5℃。
5 结论
为了实现GIS设备触头温度的在线监测，本文提出了一种基于红外原理的适用于GIS设备触头温度在线监测的方法，并对影响红外测温精度的因素进行了研究。
a.通过对SF6气体下红外温度传感器的实验研究，得到了温度传感器发射率的变化规律，为GIS设备红外温度传感器的实际应用可行性奠定了基础，也为GIS设备红外温度传感器的参数选择提供了依据。
b.外界环境温度的改变对于红外测温基本没有影响。将红外温度传感器安装于现场，当环境温度改变或光照等因素导致GIS设备局部温度改变时，红外温度传感器仍能保持良好的稳定性。
c.提出了一种基于红外原理的GIS设备触头温度在线监测系统，该系统结构简单，成本较低，安装方便，抗干扰能力强，且具有较高的运行稳定性和可靠性。
所提方法不与被测物体直接接触，能够不扰动和破坏被测物体的温度场和热平衡，也解决了高压隔离和测量部分的高温问题，具有广阔的应用前景。
红外传感技术 篇2
近年来,红外前视成像设备在工业和民用领域的应用越来越广泛[1,2,3]。其实际应用往往需安装在非固定的平台上,非固定的平台通常会产生随机的非稳态抖动,而红外前视成像设备输出图像的稳定性对整个系统的性能影响至关重要。所以建立稳像系统,克服随机非稳态抖动影响,获取稳定的输出图像,意义十分重要。目前大多数应用成熟的稳像系统比较多的都是采用纯数字图像处理的方法,利用运动矢量估计进行图像配准[4,5,6],其中较为先进的方法是在图像配准算法中加入神经网络的“经验学习型”算法,以获取图像的像移量化数据。纯软件化的方法,实现容易,基本不增加硬件,但易受各种干扰因素的影响。特别是在原始图像对比度较差,或者成像对象浑沌性较强(如无较强目标进入成像区域的多云天空背景),往往难以完成图像配准,导致无法计算出正确的像移数据。同时若安装平台抖动的随机性较强,或抖动频率较高,成像输出不是很有规律的序列图像,纯软件的运动矢量估计算法将可能震荡而无解,从而无法获得正确的像移数据。
传统意义认为,使用光机电传感系统进行像移量化数据的获取和实现图像稳定,虽然具有较高的准确性,但会大大增加系统的体积、重量和设计成本。由于常规的用于姿态测量的机电检测元件(如陀螺等)需要具有较高的安装精度(垂直度和平行度),并需提供精确位置进行周期性检校,这样将大大增大系统的研制难度[7]。
伴随着微机械元件(MEMS)的日趋成熟,微机械加速度计的体积已经达到芯片级水平,用微机械加速度计为核心器件构成相应的图像像移采集系统,实现图像像移的实时测量,不仅体积小重量轻,而且结构简单易于安装。本文介绍的一种以微机械加速度计ADXL335为核心器件构成的“像移采集电路板”,尺寸仅约10 mm×60 mm×5 mm,重量不足5 g,其中ADXL335芯片体积约4 mm×4 mm×1.5 mm,重量不足0.2g,同时提出了一种适用的量化处理方法,只要保证像移测量装置安装面与成像系统光轴基本平行,位置基本刚性不变即可。工作中周期性输出相对像移矢量,以供后续稳像环节处理使用。
1 图像像移产生机理分析
安装红外前视设备的平台抖动会传递到红外前视设备上,表现为图像像移抖动。造成像移抖动的平台的不稳定性在空间上可以分解为六维姿态变化,即相对于空间直角坐标系三个坐标轴的轴向平移(dX,dY,dZ),围绕三个坐标轴的旋转(eX,eY,eZ)。如图1所示。下面分别讨论六维姿态变化对图像像移的影响。典型的红外前视设备中单个像素角分辨率,或者称为瞬时视场为,通常约0.1~0.5 mrad;红外前视设备到观测目标距离L约0.5~20 km。本文中试验所用设备的瞬时视场指标为0.1 mrad。
红外前视安装平台通常有车辆、船舰、飞机和自然人手持,本文以振动强度较大的直升飞机平台作为典型例进行分析讨论。按照GJB150.16A中直升机的典型振动谱,以人眼心理学模型中“注意抖动”200 ms为时间度量Teye,可获知直升机平台在Teye时间内的标准平均振动平移量S约为10 mm,平均旋转振动角度量约为4.2 mrad。
首先讨论平动的影响,其中dY和dZ是沿焦平面行方向和列方向的平移,按同一类情况考虑。其几何关系模型如图2所示。
图中S为红外前视系统振动平移量,L为红外前视系统离观察目标的距离,θ为目标偏移角度。由图2可建立如下的关系式:
由直升机平台在Teye时间内的标准平均平移量S和典型观测距离L可得:
按照光学系统反演理论,可以认为θ等效于像方在焦面上的角位移,转换为焦面的线位移量约θ/a=0.2,即0.2个像素。可认为dY和dZ方向上的平移对图像的稳定性无明显影响。dX是沿光轴方向的平移,表现为红外前视设备与观测目标之间的距离变化,其变化关系如图3所示。
图中S为红外前视设备沿光轴方向的移动量,L为平移发生前红外前视设备与观察目标之间的距离,θ为目标点(与未平移时瞬时视场角对应的目标点)的观测张角,α为瞬时视场角,由图3可获得如下的近似关系式:
由于红外设备距目标的观测距离L远大于红外设备安装平台的抖动平移量S,由此可算得目标观测张角θ约等于α。可认为dX方向上的平移对图像的稳定性基本没有影响。
下面讨论旋转振动影响,其中eY和eZ是红外前视设备产生围绕行和列方向的角位移,由于直升飞机平台平均旋转运动角度量β约为4.2 mrad,试验所用设备的瞬时视场约为0.1 mrad,由此可有如下的近似关系式:
即图像的行方向和列方向的随机移动范围为42个像素(±21个像素),如不对图像进行稳定,图像将在水平和垂直方向产生严重的晃动。
eX为焦面内的平面旋转,旋转关系如图4所示。
按照红外前视成像系统的典型分辨率(M×N≤640×512),以图像中心为旋转参考点,最边缘图像在边缘处的位移可以用以下公式估算:
对直升机平台,可算得hM≤1.344,hN≤1.075,即列方向和行方向边缘处产生约1个像素的轻微像移。
按照以上分析可知:造成图像非稳态像移的主要影响因素是eY、eZ的旋转影响,其次是eX影响,轴向平移(dX、dY、dZ)的影响一般情况下基本可以忽略。
2 采用微机械加速度传感器的像移测量系统
本文中采用空间直角坐标系三轴加速度传感器ADXL335作为核心测量器件,测量系统综合精度约0.11mg(1.08 mm/s2),测量范围约±3.6 g(±35.280 m/s2),测量输出频率P为500 Hz。
根据前面分析,eX仅在最极限的情况下才对图像边缘产生约1个像素的影响,故本文所建立的系统不研究eX的测量问题,仅研究主要影响因素eY、eZ的测量方法。根据研究试验需要,研制的“像移采集电路板”如图5所示。该电路板固定在光学系统中段与光轴平行的位置上,板上两个微机械加速度传感器(计为1号、2号),平行放置,其中心距D为50 mm。
测量系统安装完成后,首先放置在三维加速度平台上,完成两个传感器的归一化和正交化参数采集校正。两个传感器校正后输出的瞬时加速度数据分别计为A1X、A1Y、A1Z,A2X、A2Y、A2Z。其中A1X和A2X输出与光轴同轴,不能用于度量旋转运动,故略去。以下以A1Z和A2Z来讨论像移测量方法的建立。
A1Z和A2Z是两个不同轴、互相平行的矢量,同时又垂直于Y轴,故可用于度量ez。系统本身是运动平台,所以需将系统的正常旋转运动eY0和由非稳定性带来的像移抖动eY区分开来。本文中将直升机平台的正常运动响应时间Tpe计为10 s。则系统的正常旋转运动的角速度应满足以下积分关系:
按照P=500 Hz,Tpe=10 s进行离散化处理:
人眼“注意抖动”Teye=200 ms,在这个时间内求得的瞬时角速度减去系统正常运动的本底角速度weY0,即为产生非稳态像移的瞬时角速度,应满足以下离散化公式:
同理可得:
利用式(7)和式(8)可以计算按照500 Hz频率输出的weY和weZ两个矢量,积分后可得所需的角速度矢量eY,eZ。
3 三维模拟摇摆台上稳像试验研究
本文试验使用的红外前视设备的图像输出帧频为50 Hz,利用ωeY和ωeZ可以计算出每一帧图像(帧间隔周期为0.02 s)的行方向瞬时角位移量KHn和列方向瞬时角位移量KVn。行列方向的角位移量可以通过以下公式计算:
按照计算所得位移量对应像素值反向补偿红外前视设备的视频输出,即可获得稳像后的图像。
将安装了像移采集板的红外前视设备(试验装置)固定到三维模拟摇摆台上,首先在摇摆台固定不动时对着大约400 m的目标“冷却塔”成像,图6为摇摆台静止时所获得的图像。
然后使摇摆台按2º/s的角速度扇形扫描,并在扫描过程中叠加三种不同情况的扰动信号,在扰动过程中对同一目标以Teye为时间段进行成像,分别获得:图6(a)非稳像状态成像图;图6(b)利用成像系统中原有纯软件算法稳像图;图6(c)采用本文方法采集像移矢量进行稳像的成像图。
第一种情况:摇摆台只在行方向叠加固定的周期抖动(±1.2 g,25~200 Hz扫频)时其成像对比如图7所示。
由图7可见,在简单有规律的周期抖动情况下,图7(b)方法经过一段时间的神经网络“经验学习”可以达到较好的稳像效果,但仔细观察不如静止图像锐度高,应该是在复杂边缘没有完全消除半像素混叠(运动配准失调),与摇摆台静止时图像比较,图7(c)方法稳像效果非常明显。
第二种情况:摇摆台仍然在行方向叠加固定的周期抖动,同时增加列方向的随机抖动(±0.2 g,25~400 Hz随机),其成像对比如图8所示。
由图8可见,在简单有规律的周期抖动情况下叠加了正交方向上的随机抖动后,采取图8(b)方法图像稳定性虽有改善,但与静止图像差距较大,而图8(c)方法稳像效果与摇摆台静止时图像无明显差别,表明稳像效果仍然十分理想。
第三种情况:摇摆台在行方向和列方向都叠加固定周期抖动,同时两个方向上也叠加随机抖动,其成像对比如图9所示。
由图9可见,在行和列方向均有简单有规律的周期抖动的情况下,同时叠加随机抖动后,图9(b)方法产生了“算法死区”,不能达到图像稳像效果,而图9(c)方法稳像效果仍然有效,并且很理想。
结束语
本文提出了一种便于实现的、基于加速度传感器对红外前视图像由于安装平台非稳定性抖动产生像移的准确测量方案。研制了相应的“像移采集电路板”,在三维模拟摇摆台上进行了试验研究,验证了其理论的正确性和试验装置的有效性。由于该像移检测系统输出频率达到500 Hz,为此可推广应用到高帧频成像设备的稳像应用,或常规帧频输出、但积分凝视时间超长的成像设备的积分回扫上。
摘要：本文对安装于非固定平台上红外前视设备的像移产生的机理进行了详细分析,在此基础上提出了采用微机械加速度传感器获取像移矢量的方法及算法,并研制了可安装于红外前视设备上的像移矢量测量系统,利用三维摇摆台进行了像移测量和稳像试验,并与纯软件化稳像效果进行了比较,验证了本文提出的理论和方法的正确性,以及试验装置的有效性。
关键词：微机械加速度传感器,稳像,像移,红外图像
参考文献
[1]韩绍坤,赵跃进,刘明奇.电子稳像技术及其发展[J].光学技术,2001,12(8):71-74.HAN Shao-kun,ZHAO Yue-jin,LIU Ming-qi.Electronic image stabilization techniques and development[J].Optical Technique,2001,12(8):71-74.
[2]钟平.机载电子稳像技术研究[D].长春:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,2003:3-7.ZHONG Ping.Study on Electronic Image Stabilization Technology for the Image Sequences of the Aero-Borne Camera System[D].Changchun:Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,2003:3-7.
[3]Carlos Morimoto,Rama Chellappa.Fast electronic digital image stabilization[C]//Proceedings of the13th International Conference on Pattern Recognition,Aug25-29,1996,3:284-288.
[4]赵红颖,晏磊,熊经武.一种稳定船载电视侦察图像序列的灰度投影拟合算法[J].光学技术,2004,30(1):83-88.ZHAO Hong-ying,YAN Lei,XIONG Jing-wu.Gray projection-fit algorithm for stabilizing image sequences acquired from ship-borne TV reconnaissance System[J].Optical Technique,2004,30(1):83-88.
[5]周渝斌,赵跃进.基于C6711DSP的实时数字稳像系统[J].北京理工大学学报,2004,24(5):435-438.ZHOU Yu-bin,ZHAO Yue-jing.Real-Time Digital Image Stabilization System Based on C6711DSP[J].Journal of Beijing Institute of Technology:Natural Science Edition,2004,24(5):435-438.
[6]赵志强,陈盈.一种基于灰度投影与块匹配的视频序列快速稳像算法[J].光电工程,2011,38(6):146-150.ZHAO Zhi-qiang,CHEN Ying.A Fast Electronic Image Stabilization Algorithm of Video Sequences Based on Gray Projection and Block Matching[J].Opto-Electronic Engineering,2011,38(6):146-150.
红外甲烷传感器光学气室设计 篇3
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:
undefined
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
undefined
设传感器的最小分辨率undefined,则有
undefined
得
undefined
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
undefined
则
undefined
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
德国快速红外搜索跟踪侦察传感器 篇4
作为防空系统的组成部分, 快速红外搜索跟踪侦察传感器可以探测多种空中目标, 如直升机、巡航导弹和无人航空器.它作为被动传感器系统, 难以被敌方雷达发现.系统主要包括传感器头和与显示控制单元相连的信号处理单元.全部图像数据由信号处理单元进行分析.在进行数据处理的同时, 软件系统仍可以自主探测飞行目标.如果被探测目标的光谱处于威胁光谱范围, 系统会自动生成告警, 并将数据发送给网络系统.系统具有极好的分辨率, 探测距离远, 设计小巧轻便.该系统还可作为告警传感器以保护民用目标.
红外传感技术 篇5
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.
红外传感技术 篇6
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:
undefined
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
undefined
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
undefined
对于第二级电路,其传递函数为
undefined
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
undefined
谐振放大倍数为
undefined
上限频率为
undefined
下限频率为
undefined
带宽为
undefined
品质因数为
undefined
由此,整个信号调理电路的放大倍数为
undefined
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
undefined
当甲烷气体体积分数为0时,式(14)为
undefined
定义undefined,将式(14)和式(15)相除得甲烷体积分数检测理论公式:
undefined
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
undefined
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.
红外传感技术 篇7
《智能楼道灯——红外线传感器》是苏科版 (2013年修订) 小学六年级《信息技术》第2课的内容, 主要介绍了红外线传感器及其应用, 重点体现了信息的感知。在物联网的体系架构中, 信息感知是基础。只有全面感知信息, 才能安全传输信息, 并最终实现智能应用。而传感器技术是感知层的重要技术手段, 红外线传感器也是众多传感器技术中最常见的。正确认识红外线传感器及其应用, 可加深学生对信息感知的理解, 为后续的学习打下坚实的基础。
学情分析
本节课的教学对象是小学六年级的学生。通过前面的学习, 学生已经具备了一定的信息素养;通过第1课《物联网就在身边——初识物联网》的学习, 已经了解了物联网及其应用的相关知识。这些都为本节课的学习打下了良好的基础。然而, 六年级的学生对于生活中诸多物联网技术的应用, 往往是“知其然, 不知其所以然”。所以, 消除学生对物联网的神秘感, 帮助学生完成建构较为完善的知识结构网络图, 是教学设计的重点。
教学目标
知识与技能目标:了解红外线, 知道人体能发出特定波长的红外线;认识红外线传感器, 能辨认常见的红外线传感器;了解红外线传感器的特点, 能够列举红外线传感器的常见应用;了解“智能楼道灯”系统的工作过程。
过程与方法目标:通过对“智能楼道灯”系统的分析与建模, 体验分析问题、解决问题的一般过程;通过对“红外线传感器探测范围”的探究实验, 体验较为科学的实验研究方法;通过讨论、评价日常生活中“红外线传感器”的典型应用, 学会评价它们的特点及其与实际生活的关系。
情感态度与价值观目标:通过情境设置与视频观察, 发现生活中的物联网应用;通过建模体验与探究实验, 产生保持学习与使用物联网技术的兴趣;通过讨论交流与展示同龄人的新发明, 促进创新思维, 激发创新意识。
教学重点、难点
重点:认识红外线传感器, 能描述它的特点及探测范围;通过对“智能楼道灯”系统的分析建模, 体会信息的感知及物联网的体系架构。
难点:红外线传感器及其特点; “智能楼道灯”系统的工作过程。
教学过程
1.情境导入, 激发兴趣
课前事先在机房门口放置“红外线迎宾器” (如图1) , 当学生进入教室的时候, 会自动发出“欢迎光临”的问候语。以“迎宾器”的“自动感应”联想生活中类似的物联网应用, 如自动门、感应龙头、烘手器、楼道灯等, 并播放《校园内的自动感应楼道灯》视频。教师和学生通过对生活中自动感应现象的罗列与梳理, 提出问题:以上物联网应用中, 物与物是如何相联的, 即“物”如何感知“物”的信息, 经过信息传输, 最终实现对“物”的自动控制?引出课题——“智能楼道灯”, 即以智能楼道灯系统为例, 探究这些物联网应用背后的科技之光。
设计意图:第一环节关键词——发现。发现生活中与红外线传感器相关的物联网应用。以生活中的情境、生活化的问题导入新课, 激发兴趣, 引起求知欲, 令学生注意力集中。人性化的迎宾器, 舒缓气氛, 拉近与学生的距离, 也是课堂的悬念。
2.分析架构, 凸显核心
(1) 分析:“感知信息”的设备是什么?①提出问题:教师设问人和灯之间是否存在另一个设备在起作用?②大胆猜测:学生仔细观察“智能楼道灯”系统图 (如图2) , 大胆猜测, 并尝试在图2上指出该设备。③小心求证:通过视频求证。教师继续播放《校园内的自动感应楼道灯》视频, 学生观看视频, 最后视频的画面定格在“红外线感应开关”上, 由此验证了前面猜测的正确性。
(2) 分析:人体的哪种“信息”被感知?①提出问题:教师设问人有哪些信息可能被感知?它 (指红外线感应开关) 是不是看到了什么, 或听到了什么?②大胆猜测:学生大胆猜测, 多个学生轮流补充回答, 人体可能被感知的信息, 如“外貌、声音;身高、体重;指纹、虹膜”等。③小心求证:通过课本求证。学生阅读课本P4~5, 用“一句话概括”回答下列问题:什么是红外线?人体会发出红外线吗?什么是红外线传感器? 学生阅读课本获得关于红外线、红外线传感器的文字描述, 初步体验。教师通过课件给出关于红外线、红外线成像的图片描述, 再以小组为单位提供给学生红外线传感器的实物, 让学生近距离观察红外线传感器的外观, 体会红外线传感器的小身材, 大用途;同时拆开迎宾器, 让学生指出迎宾器中红外线传感器的位置, 加强学生的体验。
(3) 小结:①在智能楼道灯系统中, 是“物的信息”被感知, 而非“物”本身, 即感知了人体发出的红外线。②“红外线感应开关”里的奥秘:里面必定包含有“红外线传感器”。
设计意图:第二环节关键词——分析。以“提出问题—大胆猜测—小心求证”的学习模式, 师生共同就“智能楼道灯”系统的两个问题展开分析:①感知信息的设备是什么?②人体的哪种信息被感知?同时, 渗透学习方法, 即由问题出发, 先提出假设, 再科学求证。
3.搭建模型, 解读原理
红外线传感器是如何探测红外线, 并转换成电信号, 最终实现对灯的自动控制?为了更好地认知它的工作过程, 教师现场演示利用实验器材搭建“智能楼道灯”的系统模型。通过让部分学生实践体验, 其余学生观察体会, 解读“智能楼道灯”系统中红外线传感器的工作过程, 并由此提炼出物联网的体系架构。
(1) 教师介绍实验器材, 红外模块 (如图3) , 里面包含有红外线传感器和一盏普通的电灯 (如图4) 。
(2) 教师演示将普通电灯接入电源, 并验证:仅有电灯接入电源不能实现自动控制灯的开关。教师演示同时接入一个红外线传感器, 并验证:当接入红外线传感器以后, 可以实现自动控制灯的开关。
(3) 1~2位学生上讲台前现场体验自动控制灯开关的过程, 其余学生观察并思考:在这个过程中, 谁在发出红外线?谁感应到了人体发出的红外线? 教师和学生通过对回答的总结与梳理, 提炼物联网的体系架构:感知—传输—应用。
(4) 讨论坊:这样的物联网系统给我们的生活带来了什么?具体来说, 红外线感应开关和普通开关相比有什么好处?学生回答, 梳理:非接触、反应快; 安全、卫生;节能、人性化;……
设计意图:第三环节关键词——建模。通过建立模型, 解读“智能楼道灯”系统中红外线传感器的工作过程, 提炼物联网的体系架构。教师现场建模, 目的是为了充分抓住学生的眼球, 让学生觉得就像变魔术一样, 是“见证奇迹的时刻”。现场建模有利于激发和保持学生思维的火花, 调动学生参与的热情, 令学生在注意力集中的状态下观察得更仔细。现场建模在认清了红外线传感器工作过程的同时, 也为第四环节学生动手实验做足了铺垫。从分析架构到搭建模型, 由感性认识上升到理性认识, 帮助学生顺利完成知识的建构。
4.深入探究, 科学实验
学生分组实验, 协作探究红外线传感器的探测范围, 填写实验报告单。
(1) 介绍实验内容。因探测范围有两个参数——距离和角度, 所以实验设有两方面的内容:①角度固定, 距离变化;②距离固定, 角度变化。同时渗透科学研究方法:控制变量法, 即要研究一个量, 把其他量先固定起来的方法。
(2) 介绍实验器材。红外模块和手持终端 (如图5) , 其中红外模块中包含有红外线传感器, 手持终端可以自动识别红外模块。
(3) 介绍实验分工。全班分成5个小组, 4名学生为一组。组长负责整个实验的分工与协调;测试员负责测试不同的位置;观察员负责观察手持终端;记录员负责记录实验数据。学生讨论分工, 确保每位学生在实验开始前都能明确自己的实验任务和在实验中的位置, 以避免无关的实验干扰。
(4) 介绍实验方法。教师课前预先在实验场地标出距离 (如图6) 和角度 (如图7) 。学生完成两组实验, 填写相应的实验报告单。
(5) 学生分组实验。
(6) 交流实验结论。学生回答, 梳理:红外线传感器的探测范围有一定的距离和角度, 同时教师提供“红外线传感器探测范围示意图” (如图8) 。示意图再次有力地说明了智能楼道灯系统的实现原理。回到课堂刚开始时所提到的“自动感应现象”, 说说迎宾器、自动门、水龙头、烘手器等的实现原理, 首尾呼应。
设计意图:第四环节关键词——探究。通过探究实验, 用数据说话, 让学生亲身体验红外线传感器的探测范围有一定的距离和角度, 从而使学生能够正确地操控、辩证地认识红外线传感器, 并且在这个过程中体验较为科学严谨的研究方法。实验结论, 又回到了课堂一开始提到的物联网的应用上, 首尾呼应。
5.评价总结, 拓展延伸
(1) 知识梳理。以知识结构图 (如图9) 的形式, 帮助学生梳理本堂课的知识点, 建构完整的知识网络体系。知识结构图涵盖两个层面:一是学习的内容, 即物联网的体系架构, 核心是感知外界信息的设备——红外线传感器;二是学习的方法, 即由个性到共性, 由现象到本质, 这也正是我们分析解决问题的一般方法。
(2) 学以致用。发挥想象力, 尝试设计富有创意的物联网应用方案。
①通过小组讨论、全班交流, 碰撞思维的火花, 打开创新的大门。②欣赏同龄人设计的红外线传感器控制下的《智慧小车》。小车的车身装有红外线传感器, 靠近行人的时候会自动后退或转弯, 大大减少车祸的发生。③欣赏视频《红外线传感器在现代智能生活中的应用》, 如有新的点子, 可与老师课后交流。
结束语:安全、舒适、智能、环保、节能, 这就是红外线传感器给我们带来的智能生活。事实上, 物联网系统中, 感知信息的设备除了“红外线传感器”, 还有“温度传感器”、“运动传感器”、“称重传感器”等, 在后续的课堂中还会陆续学习。正因为有了这些感知技术的存在, 人与物、物与物才得以相联, 人们才得以与灯沟通、与水龙头对话、与自然万物交流, 才得以开启智能生活的新篇章。
设计意图:第五环节关键词——创新。学习的最终意义是学以致用。这个环节主要是通过讨论交流与展示同龄人的新发明, 促进学生的创新思维, 激发学生的创新意识。课堂的最后留有一些空白设计的形式:如课后与教师交流、与教师发E-mail, 都具有积极的导向和意义, 都是为了促进学生的兴趣与进一步探讨。
教后反思
本节课我在组织和指导学生的学习活动时, 尝试引导学生通过对“智能楼道灯”系统进行分析、建模、探究、评价的过程, 获取科学思维、体验科学研究方法, 在今后的学习生活中能主动发现生活中物联网技术的应用, 并能触类旁通, 发掘其他类似的应用, 且有意识地去思考探究其本质, 不断实践与创新。
◇结构较严谨。本节课从生活中常见的物联网应用入手, 通过“情境导入—分析架构—搭建模型—深入探究—评价总结—拓展延伸”等教学环节, 层层递进, 深入浅出, 帮助学生分析解构、合理推理, 最终揭开了智能楼道灯系统的核心器件——红外线传感器的庐山真面目, 并由此体验了物联网的体系架构, 重点体会了信息的感知, 启发了学生的创新思维。
课堂最后有一位学生提到:在家门口安装红外线传感器, 可以实现当人还未进入家门时, 便自动打开家中的空调, 这样就可以更舒适。另一位学生提到:现在新闻里常有报道电梯扶手夹手事件, 如果在电梯扶手上安装红外线传感器, 那么万一有小孩子的手碰到电梯扶手, 电梯立即停止运行, 这样就可以更安全。这样的金点子, 是课堂动态的生成, 也是课堂上学生思维状态的价值体现。
◇实验有创新。教材的实验设计有两方面的内容:①角度固定, 距离变化;②距离固定, 角度变化。在学生实际实验的时候, 有一组学生走到教室外面, 探究红外线传感器隔着墙壁是否可以探测红外线;有一组学生将红外线传感器背向放置, 探究红外线传感器的背面是否可以探测红外线。新课程所倡导的探索与创新, 不正是需要学生有这样打破常规的思维和实践的勇气吗?