红外探测器领域（通用7篇）
红外探测器领域 篇1
摘要：在对红外技术探测原理进行分析的基础上, 分类对红外技术探测设备在工业消防中的应用场合。最后, 从探测设备的安装以及事故处理两个方面分析了红外探测设备在工业消防中的具体应用技术。
关键词：红外探测,工业消防,选型
1红外技术探测原理
工业场所的消防工作是消防部门工作的重点, 而火灾探测与报警一直是一项长期存在、至今没有完全解决的问题。通常, 火灾探测报警系统由于探测原理的局限性问题, 难以满足工业场所的消防灭火要求。当前, 国内外消防专家都在积极的探索适合工业场所的火灾探测报警方式。当前, 红外技术探测设备包括:线缆式火灾探测器、红外光束式感烟探测器、可燃气体式探测器等, 这些探测设备在工业消防工程建设过程中得到了广泛的应用, 同时形成了相应的标准及设计规范。
红外探测器是一种在火灾发生之前或者是火灾发生的过程中探测到火灾迹象的一种被动式火灾探测装置。其基本的工作原理为:当探测设备正常的工作过程中, 由于整个工作环境的温度是正常平衡的, 当环境的局部温度开始升高时, 探测设备的工作环境温度平衡将发生破坏, 由于环境局部的温度高于环境的背景温度, 使得物体向空间辐射的红外线能量发生变化。由于红外探测设备的传感器是采用阻挡层光电阻或者是光敏电阻的原理工作, 其中的热电元件 (钽酸锂晶体元件) 石油很多相互串联的热电偶组成的器件。当红外探测设备接收到现场的红外电磁波发射变化后, 将跟踪探测设备被保护物体的温度变化, 一旦其探测范围内的温度变化超过设定的警戒温度, 探测设备将发出报警信号。
2红外技术探测器类型及其应用场合
2.1 红外光束线型感烟探测器
改型红外线探测设备是利用烟粒子吸收或者散射红外光线的强度发射变化的原理进行工作的。探测设备的工作原理和光电感烟型探测设备相似, 只是其不必进行典型的光电感烟探测采样, 只要其保护空间内的任何地点点上烟, 其都会使得红外光束出现衰减, 进而触红外光束线型坦言探测器报警。通常, 在一个长达100m的路径中可以使用一个红外光束线型探测器替代传统的多个点型感烟探测设备, 其具有保护面积较大、安装位置较高, 可以在湿度较高以及强电场的环境下正常工作的优点。尤其适应与对室内面积大、开放性空间的工业消防产生, 对那些难以使用或者是不能使用点型探测器的工业场所尤其有利。由于工业企业的很多大型库房都是采用无遮挡的大空间布局方式, 例如, 发电厂房、变配电站等, 十分适合采用红外光束线型感烟探测设备。
2.2 多频双波段红外火焰探测器
该型探测器属于一种新型的红外探测设备, 适应于具有特殊消防要求的场合使用。该探测设备采用的是双波段、多通道的处理方式, 在功能实现的过程中有效的避免了阳光、电焊光、热辐射以及其他人工光源的干扰。同时, 采用低频、高频两种不同的波段信号, 可以有效的探测得到易爆、易燃的设备, 避免大型火灾, 有效解决了大型的高频 (40-100HZ) 火灾发生时由于强光干扰造成的探测设备不能感应火警的现象。同时, 和单波段的红外探测设备相比, 双波段的红外探测设备具有更高的灵敏程度, 能够很好的进行大面积范围内的防爆、防水、防尘以及抗干扰等作业, 尤其是对诸如阳光、电焊光以及其他人工光源的热辐射具有较强的抗干扰作用。这种设备十分适合于在火灾发生初期, 出现烟、温的扩散等现象的地下工程以及大空间建筑。另外, 该型探测设备也十分适合于存储有易燃、易爆和粉尘物质等场合的火灾探测使用。例如, 大型粉尘类物质仓库、润滑油库、可燃性气体储罐存放区、地铁站、发电厂、变电站等大型的地下空间及大空间场所。
3红外技术探测器在工业消防领域的具体应用
3.1 探测设备的合理选型
红外探测设备是对高温CO2的频谱技能型探测, 进而感应得到对应的频谱变化, 激发探测设备发出报警信号。通常, 有机物在燃烧的过程中都会发出CO2。因此, 红外探测设备主要用于对碳氢化合物场合进行火警探测, 而不用于金属、无机物等场合的火警探测 (这些场合主要用紫外探测器进行探测) 。
在选择探测设备型号的过程中, 必须考虑以下几点: (1) 对于存在火灾危险的燃料, 必须首先了解哪些燃料具有危险性。机应该对其是有机物还是无机物、是液体还是气体, 或者是金属等进行分析, 确定何种探测设备较为合适。 (2) 对探测设备的使用环境进行分析, 考虑其使用过程中是否存在浓烟、灰尘、蒸汽等影响探测设备正常工作的物质。 (3) 考虑火警探测设备的最长探测距离, 由于探测设备的敏感度以及探测范围与着火点的大小相关。因此, 探测设备的灵敏度一般确定了具体的灵敏度标准。选型过程中应该根据对应的反应时间需求确定相应灵敏度的设备。
3.2 红外技术探测器的安装及事故处理
3.2.1 探测设备安装位置的选择
(1) 安装位置的选择
探测设备应该设置在墙上或者是屋顶固定的支架上, 这样可以有效的避免探测设备工作过程中出现的障碍物阻挡的问题。要求障碍物与探测设备的距离不小于2.5m, 障碍物尺寸不大于0.5m。另外, 当其中的障碍物不可避免时, 则应该根据障碍物的具体情况适当增加探测器数目。
(2) 安装角度
探测器在其中轴位置存在一个正负45°角度的90°锥形视野, 在安装过程中应该将该区域对正被保护的物体。同时, 还应该尽量避免灰尘以及污垢聚集在视窗中, 以免影响探测设备的探测精度。
3.2.2 故障处理措施
一些高灵敏度的感测设备在近距离非火灾温度发生变化时就可能触发设备发出报警信号。即使在对建筑的结构进行优化之后, 探测设备一旦感知得到周围环境发生变化导致的气压不平衡时, 探测设备内部将产生其六, 使得电热元件的温度发生变化, 从而触发设备发出报警信号, 导致设备动作错误。因此, 在报警设备发生错误动作之后, 应该对报警设备的密封装置进行检查, 并适当提高其密封性能, 使得其进入探测设备内的气流不超过50-60mile/hr。
4结语
红外探测设备的出现满足了当前地下及大空间建筑等复杂工业产生的消防需求。随着我国消防装备的不断发展, 必将带动红外探测设备朝向更高的水平前进, 促进我国消防事业的整体发展。
参考文献
[1]陈佳伟, 廖毅波.红外光谱技术在消防工作中的应用和展望.消防技术与产品信息, 2008 (4) :32-33.
[2]姚秋霞, 李民, 莫崇典.红外技术探测原理及其在工业消防领域的应用.
长波红外探测器的辐射定标 篇2
文中对长波红外探测器进行辐射定标,建立辐射定标数学模型。为充分了解探测器响应的输出性能,采用长波红外热像仪和高温黑体炉进行定标实验,分析探测器响应灰度值与黑体辐射、积分时间的关系。提出综合考虑两者的简化定标计算方法,即利用该模型只需选取两个不同积分下的三个定标点即可完成定标过程。根据探测器响应输出的饱和点,得到该热像仪的理论测温范围。处理定标数据进行黑体温度反演,给出测温误差。实验证明该定标模型不仅能够满足辐射定标精度要求,而且具有简便、快捷和低成本等优点。
1 辐射定标数学模型
1.1 探测器定标模型
辐射定标的目标是确立探测器的每个探测单元像元响应与目标辐射能量之间的对应关系。因此在运用红外探测器进行辐射定标时,需要提供高精度、温度可调的黑体作为辐射源,同时还需考虑环境参量和相机光学系统透过率等参数的影响。定标数据与辐射能量的传递过程可描述为:标准黑体辐射源发出热辐射,辐射在大气传输过程中根据大气透过率进行衰减,最终被探测器接收到的热辐射,利用探测器响应度、探测器积分时间和光学系统透过率等数据确定的探测器与热辐射的耦合值进行数据耦合,最后根据获取的图像得到像元灰度值。定标数据传递过程如图1所示。对红外系统进行实验室定标时,环境参量(温度、湿度和气压等参数)保持在一个理想状态,由于测量距离较近,因此不考虑大气衰减过程,即设定大气透过率为1。
黑体辐射源的热辐射量可根据普朗克公式进行计算。假设黑体设定的温度为T,黑体表面辐射出射度为Lb,则红外系统接收辐射量可表示为:
式(1)中:c1和c2分别表示第一辐射常数和第二辐射常数,εb为黑体发射率,λ1和λ2表示探测器接收辐射量的波段范围。
通常情况下,在探测器响应波段范围内,探测器响应灰度值Gi,j可表示为[6,7]:
式(2)中:Gi,j为探测器响应图像上坐标为(i,j)的像元灰度值,k定义为线性响应率,b为响应截距。响应截距主要来源于红外系统内部自身辐射和噪声引起的偏置输出等因素引起的像元灰度响应。
1.2 辐射定标实验
实验室进行辐射定标的步骤如下:
(1)根据需要标定的温度范围选择适宜量程范围的黑体辐射源。
(2)调整探测器位置使之与黑体辐射中心位置准直,保证黑体辐射面充满红外系统视野,并且成像清晰。
(3)设置定标的探测器积分时间,调节黑体的温度至定标点,待温度稳定后记录红外系统的灰度值。然后按照一定的温度梯度将黑体升温,重复进行上述实验。
1.2.1 响应灰度值与辐射出射度的关系
实验选择定制的GH—G003型红外热像仪,波长范围为:7.7~12.6μm,帧频:40 Hz,探测器响应目标图像大小为384×288。红外镜头焦距为100mm,光圈F为1.0,视场角为:13.7°×10.6°。黑体辐射源选择美国MIKRON公司生产M390C—2型高温黑体炉,工作温度范围为600~3 000℃,发射率为0.99,温度分辨率为0.1℃。
保持定标时探测器积分时间固定,设定黑体温度为600℃,待黑体温度稳定后记录系统响应灰度值,然后以某一温度间隔进行升温,重复进行实验。实验结果如图2所示。
从实验结果可知,总体看来响应曲线的斜率随积分时间变长而增大。在积分时间相同时,黑体辐出度与灰度值响应曲线不太一致:6μs和12μs基本上为正相关,24μs分为线性区和非线性区。根据以上实验结论,在线性响应区间内,针对上述3组实验数据进行灰度值与黑体辐射亮度的线性拟合。拟合结果如表1所示。
表1中,确定系数R-square表征拟合效果的好坏程度。R-square定义为预测数据与原始数据均值之差的平方和与原始数据与均值之差的平方和的比值。当确定系数越接近1,表示拟合效果越好,即拟合曲线越接近探测器实际的响应曲线。由拟合方程可以看出,不同积分时间下的线性响应率变化与积分时间呈现正相关。响应截距变化比较大,分析其原因可能是由于黑体温度升高后,导致背景黑体温度升高,背景黑体辐射反射引起探测器像元响应[8]。
响应曲线的非线性区域的产生极有可能是由于人为因素造成的。为避免这种因素的干扰,在相同的黑体温度下,重复进行多组实验,实验结果中灰度值很稳定,与人为因素无关。分析其原因应该是探测器进入饱和状态,输出的响应灰度值保持不变[9]。
1.2.2 响应灰度值与积分时间的关系
为避免探测器饱和造成的测温误差,进行实验以便进一步的了解探测器的响应特性。保持定标时环境温度不变的情况下,设定黑体温度,待黑体温度稳定后,以一定的时间间隔设定探测器积分时间并记录系统响应灰度值,然后改变黑体温度,重复进行实验。实验结果如图3所示。
从实验结果可知,响应曲线的斜率随目标温度增大而增大。当黑体在合适的温度范围内时,积分时间与响应灰度值近似线性关系。因此,应用红外热像仪进行测温时,根据目标温度范围匹配合适的探测器积分时间可以有效地减小测温误差。
1.3 定标模型的数学表达式
综合实验结论,在线性响应区间内,定标模型的数学表达式可表示为:
式(3)中:Gi,j为探测器响应图像上坐标为(i,j)的像元灰度值,t为积分时间,k为线性响应率,b为响应截距,Lb为黑体辐射亮度,Gc为背景黑体辐射反射引起探测器像元响应。
从公式(3)的定标模型表达式可以看出,其中只有线性响应率、背景黑体辐射反射引起探测器像元响应和响应截距为未知数,因此定标时只需要设定两个不同的积分时间读取黑体不同温度的三个图像即可,该过程大大简化了常规的定标过程。
1.4 热像仪的理论测温范围确定
热像仪的测温范围与探测器的响应特性相关。利用实测的定标响应曲线中非线性区的起始点作为探测器饱和状态的阈值,代入公式(3)中,给定积分时间,就可以反演出该积分时间下的最高可探测温度。
2 实验数据处理
由于红外探测器每个像元的响应率不同,导致红外图像的非均匀性甚至盲元(噪点)的出现对定标误差的影响很大。实验过程中采取一定的策略降低非均匀性和随机噪声的干扰,即在黑体温度稳定后,随机采集20帧图像,选择并读取图像中黑体中心位置15×15区域内的灰度值,然后求平均值作为当前定标点的像元灰度值。计算公式如下所示:
式(4)中:k为帧序号,Gi,j,k为第k帧中所选区域i行j列的像元灰度值。
在每帧中选取(201,126)到(216,141)的像素点作为样本值,根据公式(4)计算可得平均灰度值。本文的辐射定标数据如表2所示。
依据本文的定标模型进行定标实验只需从表2随机抽取三个定标数据即可。定标点选择积分时间为12μs和24μs,黑体温度分别为1 700℃和1 900℃。取三组数据代入公式(4),就可以计算得出定标数学表达式。计算结果为:
确定定标响应曲线后,可根据像元响应值和热像仪的积分时间反演出黑体温度Tfy。通过比较黑体实际温度To和计算温度Tfy,可以得出热像仪的测温误差。本文采用绝对定标误差指标作为评价标准。评价公式如式(6)所示:
温度反演计算方法:首先根据像元响应值和相对应的积分时间,代入公式(5)反推出目标黑体辐射亮度;然后运用普朗克公式由辐射亮度反推黑体温度。由于普朗克公式[公式(1)]为超越方程,解析解难以求出,因此采用数值逼近的算法进行计算得出T’fy代替解析解Tfy。为保证计算精度,逼近误差控制在10-5以下。逼近算法具体实现过程如图4所示。以表2定标数据为例,进行误差分析,计算结果如表3所示。
由表3黑体反演结果可知,利用该方法反演黑体温度的最大误差为2.72%,测量结果最大温差为40.75℃。绝对定标误差存在差异性,且具有较大的随机性。根据任务需求,辐射定标的指标要求绝对定标的误差小于8%。实验结果证明:在误差允许范围内,利用简化的定标模型可以快速、有效地进行长波红外探测器对高温黑体的辐射定标,测量误差在3%以内。
根据图2的定标曲线可知,选取积分时间为24μs时,1 700℃的响应作为探测器饱和阈值,通过计算可知热像仪的测温范围(表4)。
3 结论
文中对长波红外探测器的辐射特性进行研究。通过定标实验讨论探测器响应灰度值与黑体辐射和积分时间的关系,得出简化的定标计算方法,即利用该模型只需选取两个不同积分下的三个定标点即可完成定标过程。根据定标响应曲线非线性区域的起始位置作为探测器响应输出的饱和点,结合定标公式,得到该热像仪的理论测温范围。经过实验数据处理对该方法进行验证。实验结果显示,反演黑体温度的误差在3%以内,满足任务需求。根据理论测温范围可知:红外热像仪测温没有范围上限,但是由于不同积分时间下,探测器的像元响应度存在差异性,直接影响测温结果的精度。因此,在实际应用时应首先根据需求选择适宜的积分时间进行测量。实验结果证明该方法满足应用需求,不仅能够快速、有效地完成辐射定标,而且对实际的应用过程具有一定的指导意义。
参考文献
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石墨烯基红外探测器研究 篇3
红外探测器在通讯、热成像以及传感方面具有广泛的应用。实用化的红外探测器除HgCdTe、InSd等本征结构红外探测器外, 还采用硅和硅化物的肖特基势垒光电探测器, 由于使用厚的金属电极, 使得响应率低, 导致其发展受到一定限制。纳米材料制作的红外光电探测器由于具有高的光响应率, 因此近年来基于量子阱、量子点、石墨烯、有机半导体的红外探测器被大量报道[1]。作为红外探测器的一种重要的半导体材料, PbS量子点的响应率达到2700A/W, 可以与单晶硅制作器件的响应性相比较[1]。由于半导体光电探测器的响应性与其载流子迁移率成正比, 但是量子点的迁移率远低于石墨烯的迁移率。因此, 使得量子点红外光电探测器的发展受到了一定限制。
2 石墨烯在光电探测器中的应用前景
石墨烯是碳六元环单原子层构成的二维纳米材料, 具有非凡的载流子迁移率200, 000cm2V-1s-1、良好的透明性和导电性等优异性质[2]。与现有其他纳米材料相比, 石墨烯天然的平面结构更容易实现与现有半导体器件制造工艺兼容, 从而可以获得基于石墨烯的超敏、超快、高性能的探测器件。由于石墨烯缺乏带隙, Dirac电子线性色散使其在超宽带能够得以调节, 这个线性色散暗示了对于任何激发总会有一个电子-空穴对的共振。石墨烯作为超快的光电探测器具有宽带 (>500 GHz) 光探测能力, 宽光波长探测范围, 低的暗电流操作, 良好的内部量子效率和容易制作等优点。但是, 由于石墨烯在广泛的光谱范围内对光吸收仅约为2.3%, 使得其响应率 (6.1mAW-1) 较低, 光电流在nA量级, 同时也缺乏波长调控性。
3 石墨烯与PbS纳米点在光电探测器方面的应用
将石墨烯与PbS纳米点结合来提高光电探测器的响应特性是一条重要途径。Chitara, et al.报道了还原型氧化石墨烯和石墨烯纳米带在红外波段的光电响应率为1A/W, 这一值远低于相应纳米点的光电响应率。Konstantatos等报道了机械剥离的单层或两层石墨烯和PbS量子点的光电响应率达到107A/W。但是从技术和实用的角度来讲, 目前机械剥离的石墨烯尺寸大部分都在微米量级, 大面积制作机械剥离的石墨烯是不可能的。因此, 采用CVD法大面积 (超过厘米见方) 的石墨烯与PbS量子点结合是提高石墨烯基近红外光电探测器的有效途径。
4 结束语
从以上国内外研究进展可以看出, 虽然石墨烯-硫化铅纳米点异质结红外光电探测器研究方面取得了一定进展, 但以上研究中石墨烯表面的硫化铅纳米点的尺寸和分布不可控, 导致器件的可重复性不高, 性能不可控, 以及由此而产生的效率不高。本课题组已经在超薄氧化铝模板制备及光电探测器件制造及高效能量转化材料器件研究方面已经有了丰富的积累。因此, 通过在高结晶性的化学气相沉积法制备的石墨烯表面, 利用高度有序的超薄氧化铝模板制备技术结合, 有望构建高性能的石墨烯基红外光电探测器。
参考文献
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红外气体探测器的设计与实现 篇4
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。
量子线红外光子探测器的研究进展 篇5
能量状态密度D(E)定义为单位能量变化区域内的能量状态数.D(E)随维数的变化如图1所示,随着维数的降低,连续能带消失,直至量子点中出现完全分立的能级.低维量子结构与体材料在D(E)上的差异,导致了它们电子性质上的不同.例如,与体材料和量子阱相比,量子线在能带边上具有更加尖锐的电子态密度,这一点有望使量子线获得较高的量子效率,激发了人们对于量子线红外光子探测器(quantum wire infrared photodetector, QRIP)的研究兴趣.QRIP的发展潜力包括较高的工作温度、信噪比增加、暗电流降低、光谱波段较宽、以及垂直入射光响应等[1,2,3].以下介绍了近年来有关QRIP的研究进展.
1 QRIP的制备工艺
QRIP可以利用Ⅲ-Ⅴ族、Ⅳ族或Ⅱ-Ⅵ族半导体制成[1].图2为一种QRIP的结构示意图,器件包含由一段量子线有源区和一段量子线势垒区构成的结,两端均以欧姆接触终结.欧姆接触可用电子束光刻制备[4].可以用作有源区和势垒区的Ⅱ-Ⅵ族半导体材料的例子包括CdSe、CdS、CdTe及其合金如CdSSe、CdZnSe等.类似地,Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的例子包括GaAs、GaN、InGaAs及其合金例如AlGaAs、AlGaN和InGaN等.
QRIP的红外探测机制是基于子能带间跃迁.在没有红外辐射的情况下,仅在有源区量子线的最低子能带E1聚集有电子,这部分电子没有足够的能量克服势垒穿过结区.当有红外辐射入射到结区附近时,能量的吸收将使其中的一些电子从E1输运到较高的子能带能级E2;这些具有较高能量的电子容易进入势垒区而形成光生载流子.光生载流子的采集通过在2个欧姆接触之间设置偏压来实现.
多孔阳极氧化铝(anodic aluminum oxide, AAO)模板法是近年来使用较多的一种量子线制备方法.将高纯铝(99.999%)置于硫酸、铬酸、磷酸、草酸等酸性电解溶液中,铝阳极氧化可产生分布均匀且紧密堆积的六角形膜胞,每个膜胞中心有一个纳米级的微孔,如图3所示.通过化学反应,如电化学沉积、电化学聚合、化学聚合、熔胶-凝胶沉积和化学气相沉积等,在微孔中合成量子线.这种工艺特别适合Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体,已有很完善的电化学合成工艺.而对于很难用电化学方法合成的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料,可以通过模板导引辅助刻蚀来形成量子线[1].
对于红外探测来说,模板结构上的这种有序排列有助于降低随机噪声,提高信噪比.AAO模板微孔大小基本一致,孔径可在4 nm～数百nm之间变化,孔深在几微米,孔密度达109～1012 个/cm2,这种高密度可以在每个光敏元中安排许多量子线,从而改善器件冗余度.一旦制备得到所需纳米材料,AAO模板即可用溶解方法除去.AAO模板可配用各种衬底材料,并与现有标准硅制造工艺兼容,使得可以在硅衬底上制备红外探测器,实现与硅基电子器件的集成.文献[5,6]报道用AAO模板制备了包括CdTe、CdSe和CdS在内的Ⅱ-Ⅵ族半导体纳米线.以这种方式制备的纳米线具有较高的工作温度,并且具有垂直入射光响应的能力,可用于制备中波和长波红外探测器及多色焦平面器件.
利用不同晶面生长速度不同的V型槽生长技术制备的量子线又称为V型槽量子线(V-QWR).在80 K下Al0.5Ga0.5As/GaAs V型槽量子线的光电流谱中可以观察到9.2 μm的红外响应[7,8].文献[9]报道通过优化InP缓冲层厚度,可使在V型槽InP衬底上生长的In1-xGaxAs量子线接近晶格匹配.
自组织是指通过适当的制备和加工方法,无需人工干预而使原子、分子或单元自行按照一定的分布排列.通过应变诱导横向层有序排列 (strain-induced lateral-layer ordering, SILO)方法生长的自组织Ⅲ-Ⅴ族量子线近年来引人注意.SILO的应变平衡性质可使InGaAs多层量子线结构中有一小部分应变保留下来.利用这一性质,在InP(001)衬底上生长应变平衡的(GaAs)1.80/(InAs)2.35短周期超晶格,获得了高密度的InGaAs量子线[10,11,12].在10 K温度下,该器件在6.3 μm 处的光响应具有3.13×109 cmHz1/2/W的峰值探测率.文献[13]分析了用SILO生长的InGaAs自组织QRIP的光学性质.文献[14]考虑了以量子线结构为基础的SPRITE型器件,分析了此类MCT探测器的技术原理,并对器件性能做了预测.
通过控制碳纳米管(carbon nanotube, CNT)直径和螺旋度,CNT可以表现出金属、半金属或半导体的性质.CNT的弹道电子输运性质使得其噪声等效温差小于其他半导体材料[15].利用CNT的半导体性质,可以构成CNT红外探测器.CNT红外探测器的发展方向仍然是阵列器件.CNT红外探测器的基本单元如图4所示,一组CNT构成一个光敏元,当它受到红外辐射时,大于带隙的辐射被吸收而使导电率增加.文献[16]报道了一种在硅衬底上实现的CNT异质结阵列,在制冷及非制冷状态下可以观察到近红外和中红外光电流响应.使用纳米模板生长方法,可以制备高度有序、均匀、密集封装、平行以及具有半导体性质的CNT阵列.实验及理论研究表明,其波长响应范围可在1～15 μm之间调谐[17].文献[18]介绍了一种可与硅技术相兼容CNT模板.
CNT的密集封装(～1010 个/cm2)可以为红外探测器阵列中的每个光敏元提供数百至数千个CNT,因此可以有很高的冗余度去抵销失效[17].但这也构成CNT红外探测器发展的一个关键问题,即如何以一种可靠并且可重复的方式实现CNT与电极的连接[15].在CNT上制备电极的方法有多种,如将CNT生长在电极之间、用介电电泳法将生成的CNT沉积在电极上、用电子束光刻或掩膜在已沉积的CNT顶部制备电极、或者通过化学反应过程自组织构造CNT和电极.在一定程度上,这些方法在可重复性、可批量生产性、以及消除不确定性方面均有缺点.文献[15]报道利用原子力显微镜构成的纳米机械手系统,可以实现基于CNT的红外探测器的自动化制备.
2 计算问题
量子器件材料的吸收系数直接关系到红外探测器的探测效率,其测量与计算逐步成为研究半导体量子结构的通用方法.就吸收系数的计算而言,关键是求解定态薛定谔电子波动方程
∇2《undefined《(r)=0 (1)
式中,∇2称为拉普拉斯算子,《(r)为自由电子的波函数,(r)为位置矢量,m为自由电子的质量,h为约化普朗克常数,E为能量;V(r)为周期性的晶格势能,它满足泊松方程
undefined《n(r)|2+
NA(r)-ND(r)] (2)
其中,q为电荷的电量;ε0为真空介电常数;εs为半导体的相对介电常数;Nn为第n个子带的电子浓度;NA(r)为电离受主杂质浓度;ND(r)为电离施主杂质浓度.在式(2)中,《n(r)又是式(1)的解,因此上述两式构成了一个自洽问题.在具体求解器件的物理性能时,需要考虑薛定谔方程与泊松方程的自洽解.有的商业软件包提供了自洽计算的功能[19].
薛定谔方程一般情况下没有解析解,需要做近似计算.各种算法大体可以分为2类,一类是纯粹的计算数学方法,例如有限差分法、有限元法、变分法等.另一类是有一定物理背景的方法,如微扰法、准自由电子近似方法、紧束缚电子近似方法等.
文献[5]首先利用有限圆柱势阱模型求解薛定谔方程,得到可用于中波和长波红外探测、并且仅由一种材料构成的均匀量子线的直径尺寸;随后以此为基础,用有限差分法求解了包括有源区和势垒区的完整量子线模型,其中引入的因素包括电子状态、量子线两部分的异质结构和界面效应、所加偏置电压、掺杂等.获得量子线中电子的全部量子态后,再用一阶微扰理论和费米黄金法则计算量子线的吸收率.
在紧束缚电子近似方法中,电子波函数被近似为原子轨道函数的线性组合.由于原子轨道处在不同的格点上,由它们组成的基函数一般是非正交的,因此将遇到多中心积分的计算成本问题,而且本征方程形式也不方便.为了克服这些困难,出现了多种解决方案,其中一种是有效键轨道模型(effective bond orbital model, EBOM),该方法特别适用于复杂体系.文献[13]将EBOM模型和价力场 (valence force field, VFF) 模型引入InGaAs量子线的光学性质分析,计算结果表明其子能带间跃迁波长在10～20 μm,而能带间跃迁波长<1.5 μm,反映出该材料具有双色探测的潜力.
从计算角度来说,将微分形式的薛定谔方程转化为积分方程也是一种求解途径.格林函数方法就是此类方法之一.例如,文献[7]用格林函数方法计算了V型槽Al0.5Ga0.5As/GaAs的电子结构.
一般情况下,半导体器件所涉及的电子运动只是集中在能量极值附近很小的范围之内(导带底和价带顶).在这样一个很小的能量范围内,E～k之间通常具有抛物性关系.但是Ⅱ-Ⅵ族和Ⅳ-Ⅵ族化合物的情况比较复杂,在离开导带极值很小的地方就要考虑能带的非抛物性.V-QWR能带结构自洽非抛物性计算的结果表明[21],自洽性和非抛物性使得子能带边缘移动,有时候甚至朝着相反的方向移动.对于V型槽量子线子能带间吸收的精确描述而言,自洽性和非抛物性这2种效应都应考虑[20,21].文献[22]介绍了一种矩形量子线的自洽计算方法,该方法依赖于波函数的傅里叶展开.为了提高效率,还使用了Lundefinedwdin微扰方法.
式(1)只有当能量E为某些特定值时才可能有解.这些E的特定值称为本征值,相应的波函数称为本征函数.复变函数理论中的保角映射可用于求解微分方程.文献[23]提出一种计算V型槽量子线本征值和本征函数的方法,该方法基于保角映射对波函数做傅里叶展开,其中考虑了薛定谔方程的厄米性以及有效质量的非抛物性.分析了厄米性和非抛物性对于计算结果的影响,表明如果忽略两者的影响将出现高达30%的误差.
蒙特卡罗方法近年来已广泛用于半导体器件的仿真计算.文献[24]用蒙特卡罗方法计算了量子线超晶格子能带间的光学吸收特性,结果表明对于8～20 μm的长波探测,这些结构值得考虑.
3 结 束 语
红外探测器领域 篇6
1 基本原理
红外气体探测器主要基于不同气体由于不同的分子结构会对不同波长的红外光进行吸收, 而吸收满足比尔-朗伯定理。穿过气体后光强的减弱与气体的浓度和光线在气体中的行程相关。
式中I1为穿过气体后的光强, I0为入射光强, α为吸收系数, L为光程, c为气体的浓度, 由此可见穿过气体后的光强与入射光强成正比, 与气体浓度和光程长度成反比, 在入射光强确定后, 我们知道吸收系数α, 只要确定光程和出射光强就能根据公式得到气体浓度。
2 整体光路设计
在光路设计中选择了双光源, 单探测器的对射式方式, 具体结构如图1所示。
如图1所示, 探测器的光路由两个红外光源、发射侧的窄带滤光片、发射侧准直透镜、气室、接收透镜、接收侧的窄带滤光片以及Pbse探测器组成。两个红外光源发出的红外光通过一个分划板使两束光沿同一光路传播, 经过准直透镜得到与气室平行的红外光, 红外光通过气室中, 气室中的气体对红外光进行吸收, 在接收端, 通过接收透镜使光聚集成为一个光斑打在Pbse探测器上, 通过探测器观察两个信号的大小。
在光源的选择上, 尽量选择相同的光源来排除长时间工作后由于老化程度的不同对测量造成的影响;在光源传播路径加滤光片得到两个波长的信号:3.9um (甲烷吸收的吸收峰) 和3.1um (甲烷无吸收) 分别作为测量光和参考光。
分划板的作用是通过镀膜使其反射3.3um的红外光, 而可以透过3.9um的光, 这样可以使测量与参考在气室中经过的光程相同。准直透镜使进入气室的光为平行光, 排除由于光路对测量造成的影响。在气室两端我们安装了视窗, 视窗要求有足够高的透过率, 视窗的作用是使气室与发射/接收端隔离, 避免气体进入发射端/接收端, 对光源/探测器造成影响, 从而对测量结果造成影响。在接收端, 接收透镜可以把打过来的平行光聚集成为一个光斑打在探测器上, 这时要求探测器在透镜的中心轴上, 探测器放置的位置在透镜的焦点附近得到最大的光强, 同时在透镜和探测器中间放置一个3-5um的宽带滤波片, 滤除可见光对探测结果造成的影响。同时Pbse传感器相比传统的红外热释电探测器, 灵敏度更高, 响应速度更快, 温飘很小, 可以提高探测下限和测量精度。
3 基本硬件电路设计
红外气体探测器一般由以下几部分组成 (如图2) :光源驱动电路, 探测器电路, 信号处理电路, ADC采样以及MCU, 输出电路构成。MCU控制光源发光, 使测量光源和参考光源交替闪烁, 使探测器可以在一个周期内得到测量信号和参考信号两个完整的信号。探测器得到的信号通信号处理模块进行放大和滤波。最后通过ADC进行采样并传入MCU进行数据处理得到浓度, 并通过4-20m A电路和RS485电路对外输出。
3.1 光源驱动电路
由于系统采用双光源单探测器, 所以要严格控制灯泡的上电时间以及占空比, 信号大小与占空比有直接关系, 信号越大信噪比越高, 所以要使占空比尽量大, 但是实际应用中, 由于探测器和光源的性能原因, 停止给灯泡供电后探测器接收到的信号是一个渐变的信号, 为了防止探测器接收到两个光源发出信号相互影响, 方便探测器接收到的信号的处理, 选择20%的占空比, 这样在一个周期内, 我们可以得到我们所需的两个完整的信号, 同时又可以使信号幅度达到较大的值。在频率选择上最好的是4-8Hz, 小于4Hz的信号在后期信号处理电路中较为复杂, 同时每秒得到的数据会减少, 通过平均达到减小噪声的目的会减弱。而高于8Hz后能量减少较大, 接收到的信号较小, 信噪比会变差。
灯泡的电阻随着灯泡两端施加的电压而改变, 因此在灯泡由关闭突然打开时, 瞬时电流可能过大, 可能产生电流溢出, 为了保护灯泡, 可以采用以下措施: (1) 在关闭灯泡时保持一个0.4V左右的电压; (2) 串联一个小电阻; (3) 使用一个限流调节器。在我们的设计中, 选择串入一个小电阻 (如图4所示) 。
3.2 探测器接收电路
探测器方面选择的是Pb Se探测器, 这种探测器对于1-5微米的红外信号有较宽的探测域, 较快的响应速度, 以及较好的温度特性, 使其可以工作在室温的环境下。Pb Se探测器的主要原理是光传导效应, 是光打在探测器上, 由于光传导效应使Pb Se探测器的阻值发生变化, 随着光强度增加, Pb Se探测器的阻值会降低。利用这个特性, 我们只要使用一颗与Pb Se探测器阻值相近的电阻与探测器串联分压, 通过检测电阻两端的电压变化即可检测探测器接收光信号的大小 (如图5所示) 。
如图5所示可以计算LR两端的电压为
接收的光发生变化之后影响dR, 从而影响oV
3.3 信号处理电路
在信号处理电路上, 应该注意一级放大电路与探测器的距离越小越好, 同时一级放大应选用低噪声, 且要有足够大的放大倍数, 这样可以减小噪声和其他电学信号的干扰。使用的光源信号是8Hz的信号, 因此在信号处理电路中, 放大的同时我们应该设计带通滤波器, 来减小其他频率的噪声的影响, 在设计中, 应该注意带宽的选择, 带宽过宽会导致噪声的引入, 较差的信噪比, 如果带宽过窄, 滤波器会对组成器件的误差和温度变化十分敏感。经过测试隔直, 滤波, 放大之后最后得到一个类似于正弦波的信号 (如图6) 。
3.4 采样与处理器
用ADC对放大后的信号进行采样, 给微处理器进行数据处理, 微处理器将采集的数据进行软件滤波以及峰峰值的采集, 并通过算法进行最后浓度的计算。设计中应注意参考电压的干净, 不应引入过多的噪声。微处理器对采样得到的信号进行处理, 算法计算等工作, 根据完成的功能要求等选择不同的单片机进行控制。
3.5 输出电路
输出电路选择了工业常用的4-20m A输出电路, 连接控制器, 可以直观地显示计算出来的气体浓度;同时我们使用RS485总线与PC通信, 通过上位机对仪器参数进行更改, 以及对采样数据进行观察。
4 软件设计
由于探测器接收到的信号是与光信号相关的, 在同一浓度下信号会以基线为中心上下波动, 而ADC采样是对一个周期内完整信号的采样, 在进入MCU后要经过处理才能得到正确的比值信号, 从而得到最终的浓度值。具体软件处理方法如图7所示:
系统上电后, MCU首先自检, 自检通过后, MCU发出命令, ADC进行数据采样。ADC采到的信号在MCU中进行平滑滤波, 去除单个波形信号中的毛刺, 得到较为平滑的完整波形, 通过时钟判断参考/测量信号后用过峰值算法得到信号的峰峰值。因为峰峰值在同一浓度下也是上下波动的, 所以的到峰峰值之后, 应该进行累加平均来减小噪声。累加平均选取的点数越多信噪比越好, 但是同时也会使响应时间增加, 选取10个点进行累加平均得到较好的信噪比的同时响应时间不会太慢。得到正确的比值之后, 通过ADC采集到的温度信息进行温度补偿, 并通过算法计算浓度。最后对浓度值进行滑动平均后输出浓度值。
5 通气测试结果
仪器的测量结果是基于测量信号 (Um) 与参考信号 (Ur) 的比值而来, 有红外吸收原理可知, 由于气体对特定波长的红外 (Um) 信号的吸收, 笔者得到的比值信号 (Um/Ur) 应随通入气体的浓度的增加而减小。测试了从0到100%LEL (0-5%体积分数) 甲烷进行了测试。测试结果如图8所示:
由图8可以看出, 随着气体浓度的增加信号比值逐渐减小, 而且变化量越来越小 (相同的浓度变化情况下) 。对采集到的数据进行数据统计, 发现虽然信号是在一定范围内波动的, 但是只要在同一浓度取一定点数进行平均, 得到的平均值几乎不变, 也就是说信号是围绕一定基线上下波动的。
由比尔-朗伯定理得到公式:
在实际应用中常将1-I1/I0记为吸收率 (η) , 一般由吸收率对应计算出相应的浓度, 由于引入了参考信号, 可以把吸收率 (η) 表示为:
式中Um1, Ur1为一定浓度时的测量信号与参考信号, Um0, Ur0为浓度为0时的测量信号与参考信号。将得到的比值换算成η与浓度C之间的关系进行拟合得到结果。根据拟合结果编写算法, 对0-100%LEL内每10%为一个点对浓度进行测试, 以观察仪器线性度及满量程误差。
由此可见, 红外气体探测器误差小于1%LEL, 线性度误差满足≤±2%FSD, 重复性C.V=0.49%重复性, 线性度良好, 误差较小。同时响应时间小于6s, 响应时间较快, 满足设计要求。
6 小结
本设计是基于气体红外光谱吸收原理的一种双光源单探测器的甲烷气体检测装置, 通过对光源占空比和频率的调节, 使探测器可以检测到较为完整而准确的信号, 从而提高仪器的准确性, 使得仪器能够实时、准确地检测环境中甲烷的含量 (0-100%LEL) 。相较于传统的电化学, 催化燃烧传感器, 该设计具有响应快, 精度高, 使用寿命长等优点, 在环保, 化工, 以及放置气体泄漏等领域将会有较好的应用。
参考文献
[1]梁永直, 李卯东, 夏路易, 等.红外甲烷传感器检测中的算法研究[J].仪表技术与传感器, 2012, (11) :149-150.
[2]张静.基于红外吸收原理的甲烷浓度监测仪[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2008.
红外探测器领域 篇7
被动红外探测器是入侵报警系统中的重要组成部分,其探测性能直接决定系统的灵敏性与稳定性,是整个系统防范能力的关键。在设计入侵报警系统时,一般根据被动红外探测器产品说明书中指明的性能参数来确定探测器的选型和安装方位[1]。然而,被动红外探测器探测区域实际上是不可见的,所以用户无法直观衡量探测器是否满足防范要求。如何直观地表现被动红外探测器的探测范围,对防范空间进行有效布控,是入侵报警系统亟待需要解决的问题。
1 研究综述
对被动红外探测器和视景仿真技术进行研究,查阅相关文献,在现有研究成果的基础上,提出了被动红外探测器探测空间的三维仿真。以下列出若干相关领域的研究成果。
对被动红外探测器及报警系统的研究与应用从未间断,文献[2]对热释电传感器接收器的汇聚装置进行了研究,设计并实现了多边球面反射镜。文献[3]基于红外报警器的探测原理,研究得出了系统的探测几率和报警器部分参数的表达式。文献[4]基于热释电红外传感器的工作原理,提出并设计了一种反应灵敏、抗干扰能力强、安全可靠的被动式热释电红外报警器。
随着视景仿真相关方面技术研究的逐步深入,视景仿真技术正逐步应用于军事、航空等工程实践中。文献[5]讨论了基于Vega Prime的视景仿真框架,提出将OpenGL引入到Vega Prime中的方法,并阐述了水下武器对抗视景仿真系统中的鱼雷自导声波显示和武器实体间通信链路可视化过程中的方法。文献[6]结合视景仿真工具Vega Prime 和开放图形库OpenGL 两者优点,设计并实现卫星在轨运行视景仿真系统。文献[7]提出了对实际被动红外探测器在真实环境中,探测概率的评估方法。在现有的研究中,视景仿真技术应用于安防系统仿真和评估的研究甚少,也鲜有对探测器的三维仿真研究。现基于视景仿真技术,根据被动红外探测器的工作原理,设计并实现了被动红外探测器探测范围的可视化仿真模型。
2 被动红外探测器仿真建模
2.1 被动红外探测器探测原理
被动红外探测器是利用红外光敏元件,将移动物体发出的微量红外线转换成相应的电信号,实现非接触检测。探测器本身不发射任何能量而只被动探测、接收来自环境的红外辐射,当入侵者在探测器区域移动时,红外辐射发生变化,使红外光敏元件内部自发极化强度改变,在材料表面释放电荷,形成电信号输出,即触发报警。图1为被动红外报警器的原理框架。
在被动红外探测器中有两个关键性元件,一个是热释电红外传感器(PIR),它能将波长为(8—12)μm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。另外一个器件就是光学元件,与红外探测器配套的光学系统有三种类型,即反射式、透射式和折射式。其中反射式的灵敏度最高,探测距离远。菲涅尔透镜属透射式,灵敏度最低,折射式居中。菲涅尔透镜体积小,密封容易,稳定性好,价格较低,因此目前国内外多采用透射式系统。研究对象选取的光学系统为菲涅尔透镜[8]。
2.1.1 热释电元件
热释电元件的主体是一薄片铁电材料的电解质[9]。铁电材料在外加电场作用下极化,当撤去外加电场时仍保持极化状态,称之为“自发极化”。自发极化强度与温度有关,温度升高,极化强度降低;当温度升到一定值时,自发极化强度突然消失,这时的温度称之为“居里点”。在居里点以下,根据极化强度与温度的关系制造“热释电元件”。图 2表示了热释电效应形成的原理。
当一定强的红外辐射照射到极化的铁电材料上时,引起铁电材料温度升高,极化强度降低,因而表面极化电荷减少,释放了一部分电荷,即形成输出电压。若有相同强度的辐射继续照射,铁电材料温度稳定在某一值上,不再释放电荷,也就没有电压输出。因此,只有在辐射到热释电元件的能量发生变化时,热释电元件才可形成电信号,进而触发报警。在被动红外探测器的探测区域内,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,当人体进入探测器区域,热释电红外感应器即可探测到人体温度与背景温度的差异,从而触发报警。
2.1.2 光学系统
光学系统的作用是汇聚辐射热的能量到热释电元件,同时还要让汇聚在热释电元件上的辐射热有升降的变化,从而使热释电元件在有入侵者进入防范区域时有电压信号输出。为了使热释电元件只检测到需要的红外信号,需要加装干涉滤波片,对人体以外的红外辐射进行干扰抑制。
红外光线的聚焦原理与可见光相同。在自然环境下物体辐射的红外线能量比较弱,通过加装特殊的光学装置可以增加探测距离,提高探测效率。菲涅尔透镜就是一种红外透镜。菲涅尔透镜在把探测区域空间辐射的红外线聚焦到传感器上的同时,还可以将目标的移动信息反映出来。比较低廉的菲涅尔透镜使用低密度聚乙烯材料,在光滑的光学镜面上进行棱状或者柱状的处理,使其形成多个透镜,每个透镜保持了原有的曲率半径。使监测区域产生一系列交替的狭小红外“敏感区”和“盲区”[10]。当有人在透镜前走过时,人体辐射的红外线便会交替地经过“敏感区”、“盲区”进入传感器里,形成连续脉冲信号,提高探测器的可靠性。
2.2 探测区域感应模型分析
任何一种被动红外探测器在其出厂说明书上都有探测区域的模型图,根据模型图和产品手册的相关参数信息,可以从中得到探测器探测区域的角度信息、最远探测距离、最宽的警戒作用距离以及探测器应该安装的高度。通过这些信息,根据被动红外探测器探测原理,可将探测区域模拟为从球面截下的四棱锥,其底面是以顶点为球心、探测距离为半径的球面。根据菲涅尔透镜的透射原理(见图3),可将探测区域视为明暗相间的小四棱锥集合。
2.3 探测区域仿真计算
在三维场景中展现探测器的探测区域,需要对探测区域的边界点坐标进行计算。图 4所示为探测器中,菲涅尔透镜透射形成探测区域的示意图。其中,点C为探测区域的顶点,其坐标为探测器位置坐标;点C`为探测区域底面中心坐标,CC`即为探测区域中心线;点bl、br、tl、tr分别为探测区域底面的四个顶点。在下文讨论中,bl`、br`、tl`、tr`表示四个顶点在物体坐标系C-UVW中的坐标值,bl、br、tl、tr表示这四个顶点在世界坐标系O-XYZ中的坐标值。
在物体坐标系C-UVW中,探测区域顶点与C点重合,探测区域中心线与U轴重合。根据图示,可得C`点的坐标为:
其中,L为探测距离。
设菲涅尔透镜的焦距为f,热释电传感器表面长和宽分别为h和v,则该菲涅尔透镜对应的探测区域底面的长H和宽V有如下关系:
根据三维空间中的位置关系,可通过点C`计算出视场底面两垂直边中点的坐标,进而得到探测区域底面四个顶点的坐标。探测区域底面右垂直边(上下左右相对探测器顶点位置而言)中点M`(xm`,ym`,zm`)坐标为:
进而得到探测区域底面右上顶点坐标为tr`(xtr`,ytr`,ztr`):
同理由公式(4)可得其他三个顶点tl`、br`、bl`的坐标:
世界坐标系O-XYZ中,设探测器的坐标为(xt,yt,zt),则物体坐标系到世界坐标系的平移变换矩阵为:
物体坐标系相对世界坐标系绕Y轴的旋转角度为α,其对应的变换矩阵为:
物体坐标系相对世界坐标系绕Z轴的旋转角度为β,其对应的变换矩阵为:
由于在实际情况下,探测器一般不会出现转角度的变化,即探测器的物体坐标系到世界坐标系的变换不会出现绕X轴旋转的情况。根据三维空间坐标系的变换顺序,上图中物体坐标系到世界坐标系的变换矩阵可由公式(8)得到。
经过坐标系变换后,tr`(xtr`,ytr`,ztr`)点的坐标可通过公式(9)变换到世界坐标系中,从而得出公式(10)所列的该点的坐标值tr(xtr,ytr,ztr)。
同理根据公式(11),公式(12),公式(13)可得其他三个顶点的坐标。
通过以上运算,可对被动红外探测器单菲涅尔透镜透射形成的探测区域进行绘制。对于被动红外探测器整体探测区域,可将每个菲涅尔透镜透射形成的探测区域进行组合得到。其中,整体菲涅尔透镜阵列透射形成的探测区域如下图所示(见图5),虚线为探测区域中心线,因此,在计算每个菲涅尔透镜透射形成的探测区域时,需根据其探测方向设置固定的方向偏移量。
根据以下流程便可完成被动红外探测器整体探测区域的绘制(见图6)。
3 被动红外探测器探测区域仿真实现
根据被动红外探测器仿真建模研究,利用软件平台Vega Prime和OpenGL,基于入侵报警探测器的探测原理,开发出探测器探测区域三维仿真系统。用户可以根据入侵报警系统的设计方案,在仿真环境中部署被动红外探测器,直观地核查探测器的防范空间,以评估和调整入侵报警系统设计方案。
3.1 系统总体设计
系统包括参数计算、实体建模、视景仿真驱动和三维显示4个模块。参数计算模块功能为根据探测器的技术参数和探测原理,计算探测器的覆盖范围;实体建模功能为根据探测器的实际物理模型建立三维实体模型;视景仿真驱动模块是利用视景仿真软件Vega Prime,结合所建立的场景模型,根据鼠标键盘等设备的输入以及系统其它部分状态参数生成实时视景;三维显示模块是将真实场景和OpenGL 渲染的探测区域在屏幕上显示。系统设计框架图如图 7所示。
3.2 系统程序结构
Vega Prime是美国Multigen-Paradigm公司推出的先进软件,主要用于实时视景仿真和科学计算可视化等领域。基于Vega Prime视景仿真主要包括视景模型的预处理、LynX Prime图形界面设计和视景仿真程序设计三部分。通过利用Vega Prime 提供的API函数直接调用视景模型预处理生成的模型库,或者调用由LynX Prime图像设计生成的.acf文件实现对视景模型库的控制,从而实现实时仿真。
Vega Prime应用程序在Windows平台上有多种结构,如控制台应用程序、标准Windows应用程序和基于MFC的应用程序等。目前使用最多的是控制台应用程序,系统开发使用的是基于MFC的应用程序。不论哪种结构,Vega Prime应用程序的实现都包括以下5个阶段:(1)系统初始化,包括初始化静态变量、框架类、内存分配、渲染库、acf文件、接口模块和Vega Prime内核类等;(2)系统定义,包括通过程序代码或acf文件创建对象实例;(3)系统配置,根据系统定义阶段创建的变量,配置系统的运行情况,如线程模式、线程优先级和处理器分配等;(4)帧循环,构成应用程序的刷新和循环,实现实时仿真;(5)关闭系统,释放内存、结束线程等[11]。一个基本的Vega Prime应用程序的框架流程如图8。
3.3 Vega Prime和OpenGL混合编程
利用Vega Prime可以实现视景仿真,对仿真场景中的对象实体进行操作,而对于探测区域的实现,要通过与OpenGL混合编程实现[12]。OpenGL在Vega Prime中的应用是在Vega Prime的回调函数中实现的。Vega Prime设计了很多回调函数接口,在条件满足时,系统自动调用绘图函数。在程序运行中,系统对每一帧的处理分为三个阶段:Application、Cull、Draw,OpenGL绘制功能的实现,就需要添加Draw回调函数,响应vsChannel的EVENT_POST_DRAW或EVENT_PRE_DRAW事件。其中EVENT_POST_DRAW表示在创建通道之后,调用交换缓冲区器之前通知事件订阅者,EVENT_PRE_DRAW则表示在创建通道之后,开始场景绘制之前通知该事件订阅者。
在系统配置阶段,添加订阅者,声明回调函数:
之后要重载vsChannel::Subscriber的虚函数notify(),在其中实现OpenGL绘制。
3.4 探测区域仿真实现
采用OpenGL中三角扇形组成四棱锥来模拟探测器探测区域。探测器的位置为探测区域顶点,根据设备参数和探测范围计算结果,对探测器的探测区域进行绘制。图 9示例中,根据探测器的菲涅尔透镜参数,选取菲涅尔透镜按三排排列,从上至下的透镜个数以此为10个、6个、5个的探测器进行仿真。
3.5 探测器动态变化及参数显示
根据仿真情况,需要对探测器的位置和方向进行调整。为在此键盘响应函数中调用getRotate()、setRotate()和getPostion()、setPosition()。通过键盘控制调整探测器的方向和位置。同时,将探测器的相关参数实时输出到操作界面,如图 10所示。
4 结论
被动红外探测器探测区域的不可见性,对入侵报警系统中探测器部署的设计和评估都提出较高的要求。本课题探究被动红外探测器探测区域的三维空间仿真,将实际不可见区域在视景仿真环境中进行可视化成像。仿真结果表明系统形象、逼真地显示了被动红外探测器的探测区域,用户可以直观地了解被动红外探测器的防范区域,对于入侵报警系统的完善和评估将起到重要作用。
参考文献
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