红外探测器

红外探测器（共10篇）

红外探测器 篇1

红外测温技术伴随着红外探测器的发展广泛应用于各行各业。利用该技术可实现对复杂的环境下的精确测温[1,2],如火焰、钢水和炮弹的瞬时温度场的测量。为有效地完成对目标的测量任务,需要对红外探测器进行精确地辐射定标[3—5]。进行辐射定标的意义就是建立标准辐射源与相机输出的定量对应关系。通常辐射定标有两种方式:实验室定标和外场定标。实验室定标是指在稳定环境下进行定标,定标数据具有较高的稳定性和重复性,定标精度高;而外场定标是在实验室定标的基础上,针对外场环境对某些参数进行必要的修正,从而提高测量精度。

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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红外探测器 篇2

从下图可以看出，当物体温度较低时，光谱辐射发射量较小，主要以不可见的红外光进行辐射，其红外辐射主要集中在长波红外（8～12μm）;当温度升高时，光谱辐射发射量迅速变大，辐射的峰值波长会向短波方向移动，在中波红外（3～5μm）的辐射会增强。

由此可知，树木燃烧时，火焰中心温度升高发出较强的中波红外辐射，周围随着温度的逐渐下降则发出大量的长波红外，且遵从普朗克辐射定律：

S（λ）=■■=■■ （1）

式（1）中S（λ）为辐射度;λ为辐射波长;T为黑体温度;h，c，k，c1，c2为常数。

对式（1）的S（λ）求微商最大值，得到维恩位移定律：

T×λmax=2897。8Kμm （2）

黑体温度T和辐射峰值波长λmax成反比，即温度愈高，辐射峰值的波长愈小。

由式（2）对式（1）求整个波谱区的积分，得到单位面积辐射通量S：

S=σT4 （3）

式（3）中σ=5。6693×10—3，即斯蒂芬—波尔兹曼定律。

黑体的全波长辐射通量S与辐射温度T的4次方成正比。

也就是说即使地表的任一小块面积的温度升高，都会引起辐射的较大增加。

根据不同火焰温度与辐射强度的关系，建立对应关系如表1所示。

4 防林火灾应用

超、特高压架空输电线路通常处于高山峻岭的丛林密集区，林区燃烧时主要的辐射源是火焰和具有较高温度的碳化物等，其产生的火焰温度达500～1200℃，辐射的波长范围为0。8～80μm，峰值波长为2～6μm，辐射能量约为1。43W/m2;而未发生燃烧的林区及地被物发出的辐射称为背景辐射，其温度一般在—40～+60℃，辐射波长在1。5～30μm，辐射能量约为0。0173W/m2。

因此，架空输电线路的防林火灾能根据其背景和燃烧区的温度差异与辐射差异，进行监控、识别、捕捉，起到事故前的灾害预警作用。

红外图像信息火灾识别技术，对具有动态变化特征的烟火图像能进行扑捉。

通过分析扑捉到的图像中辐射强度、火焰温度来提前预知是否发生火情;通过扑捉到的像素点所构成的区域统计该疑似火焰区域的面积，提前预知火灾发生后可能影响到的面积。

下图3为全天候森林火情自动识别系统构架，其所使用的在线监测装置就是基于这种原理。

利用红外探测技术，通过计算机对输电线路的背景物的辐射能量进行监控、分析、识别、捕捉、预警，替代传统的人工视觉识别与告警。

该系统主要是由视频图像采集部分、红外测温报警系统、智能数字转台、网络图像视频编/解码服务器、基站智能管控系统、图像综合分析单元和中央综合控管平台等构成，通过采用现有的可见光摄像机，不仅白天能拍摄到清晰的图像，在应用红外热成像原理后，不受夜晚和恶劣天气影响，也能拍摄到森林比较清晰的图像，并结合可见光图像和红外热图像的观测方式，达到全天候24小时监测森林火情，发出声光报警。

目前该系统已在部分城市的森林防火中开展应用。

5 结束语

根据红外光波的辐射特性，在全天候森林火情自动识别系统的应用技术基础上，结合输电线路杆塔处于林区较高点的特点，可运用下面三种红外探测技术来预防林火灾对输电线路造成灾害：

①检测高于正常环境温度的火点，工作波段为1～3μm;②检测相对背景的高温点，工作波段为3～5μm或8～12μm;③检测火灾前期产生的烟雾，工作波段为可见光。

通过检测不同波长对应的烟雾、高温、火点，对出现异常情况但尚未发生火灾的BC阶段进行重点关注与现场排除，对燃烧初起阶段的CD阶段进行紧急扑救，对火灾阶段的DE阶段进行火势观察，提前做好输电线路负荷的转移和电网系统的调配，保证电网安全稳定运行。

参考文献：

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[5]刘永平。红外技术在煤矿井下测温和测气中的应用[J]。红外技术，（7）。

空间碎片的红外探测研究 篇3

关键词： 空间碎片； 红外辐射； 近场辐射； 电子数； 信噪比

中图分类号： TN 215文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2012.06.004

引言

空间碎片是人类航天发射后产生的太空垃圾，由没有任何功能的人造物体及其碎片组成。由于其在地球轨道内运动速度可达7～8 km/s，与其他物体的相对碰撞速度更是可达到10 km/s。在这样的高速撞击下，即使尺寸很小的物体，也会造成航天器的严重损坏[1]。因此对空间碎片进行探测、定轨、跟踪是目前航天器在轨安全研究的重要内容。目前空间碎片主要探测方式是雷达与光学探测。雷达探测受限于波长、发射功率等的影响，有其局限性。光学探测方式与所有光学望远镜一样，不能全天候工作，对地球阴影区的不发光物体无法观测。红外探测是利用红外探测器探测物体发射的红外辐射。相对于雷达与光学探测，有其独到的优点[25]。

1空间环境分析

空间碎片处于地球轨道空间中，其温度受太阳辐射、地球辐射、以及月球等其他天体、宇宙空间背景辐射的影响，如图1所示。空间碎片在近地轨道（Low earth orbit，LEO）运行时，要周期性地经过日照区与地球阴影区，使得其受到的辐射照度在不断变化，则其温度也是处于不断变化过程中。不同材料的空间碎片对于不同波段的辐射有不同的吸收与反射特性，使得其温度变化也不相同[6]。

红外探测器光谱响应率定标方法 篇4

随着遥感应用逐渐广泛和深度逐渐加深以及近年来定量化遥感的提出,对于传感器的辐射定标精度要求越来越高,传统方法已难以满足卫星遥感对高精度辐射定标的要求。基于此,从上个世纪90年代开始,国际标准化组织和一些发达国家开始了以低温辐射计为初级标准的高精度光辐射定标和标准传递的研究。由于低温辐射计综合利用了电替代、液氮液氦双层冷屏蔽和超导等先进技术,其光辐射测量达到了前所未有的精度[1]。

为适应我国空间遥感和星上有效载荷定标的要求,提高遥感数据可靠性及应用的有效性,中国科学院安徽光学精密机械研究所遥感研究室于1996年在国内率先开展了基于低温辐射计的高精度光辐射定标和标准传递技术的研究。经过十年的发展,目前安光所遥感室已经能够在0.4∼1.6µm波段对标准传递探测器进行绝对光功率响应率定标,其定标不确定度已达到10-4水平[1,2,3]。

随着红外探测器技术的发展以及遥感应用的需求,对红外高精度辐射定标的需求与日俱增,因此建立红外绝对光谱响应率标准是一项迫切的科研任务。

本文在对国外基于低温辐射计的红外辐射定标技术研究的基础上结合了实验室的研究现状,提出了利用腔式热电堆探测器建立波长1∼3µm的红外光功率响应率标准的方案。首先在红外光谱比较系统上利用一个平响应的腔式热电堆探测器作为初级标准建立连续相对光谱响应率标准;然后在可见-近红外定标系统上利用单立波长激光器在几个波长上与低温辐射计比对进行绝对光谱响应率测量。这样通过计算就可以得出待测探测器在每个波长上的绝对光谱响应率。

2 相对光谱响应率测量

测量探测器的相对光谱响应率需要一个已知或可估算出相对光谱响应率的探测器。热探测器由于在较宽的波长范围内具有平坦的光谱响应率,所以被用来做作为测量相对光谱响应率的标准探测器。相对光谱响应率的测量方法[4]如图1所示。

图中采用了宽带光源,单色仪,聚焦光学元件和标准探测器。辐射通量Φ是光源辐射进入单色仪入口狭缝的辐射通量,Φλ是单色仪出口狭缝的辐射通量,τ是单色仪和探测器间所有光学元件的透过率,探测器接收到的光谱辐射通量为ΦD,λ=τ⋅Φλ。标准探测器和待测探测器的输出如下所示:

其中:Rstd(λ),Rtest(λ)分为标准探测器和待测探测器的相对光谱响应率。从式(1)和式(2)可以得出待测探测器的相对光谱响应率:

式中:K1为一常数,R′test(λ)为待测探测器相对于标准探测器的光谱响应率:

只要通过测量标准探测器和待测探测器的输出并已知标准探测器的相对光谱响应,就可以通过上式计算出R′test(λ)。

2.1 红外光谱比较系统

图2为红外光谱比较系统的光路图,这套系统可实现1∼3µm的相对光谱响应率定标。在1∼3µm采用卤钨灯作为红外光源,红外光源出射的光线经过椭圆反射镜会聚后成像在焦距为300mm、F数为f/4的光栅单色仪的入口狭缝处,采用椭圆反射镜是为了最大限度的利用光源的能量。

光源的辐射经过光栅单色仪分光后从出口狭缝处出射,波长的变化是由软件控制闪耀光栅转动实现的。离轴抛物镜M1、M2分别用来匹配单色仪和探测器的F数,从而使象差可忽略,在实际应用中为了简化光路调整的步骤,对两个离轴抛物镜采用整体式设计,组成离轴抛物镜反射系统。在探测器前端,通过一个滤光片轮将截止滤光片移到光束中,用来抑制光栅的高级光谱。标准探测器和待测探测器的水平和垂直定位是通过软件控制的电动平移台来实现的。为了降低由于房间杂散光引起的背景信号产生的影响,整个系统除光源和单色仪外,都放置在一个内表面都涂上黑漆的密封箱中。

在红外区域大多数的光源相对可见光光源来说输出能量很弱,这导致在红外光谱辐射定标中存在系统信噪比太低的问题。为了最大限度的降低光线在传输过程中的损耗,提高探测器接收到的光谱辐射通量,对红外光谱比较系统中的所有反射镜进行镀金,并采用了光栅效率更高的光栅。通过以上的设计及椭圆反射镜的使用,可将系统的光谱辐射通量提高一个量级。

2.2 腔式热电堆探测器

在1∼3µm采用腔式热电堆探测器作为标准探测器,结构如图3所示。图中采用的薄膜热电堆探测器是从PTB(德国耶拿高技术物理研究院)引进的。薄膜热电堆是由76个热电耦结合而成的,响应面直径为7mm,响应波段为1∼3µm,表面涂有银黑吸收层,具有相对较高的吸收率。将薄膜热电堆探测器安装在一个直径为25mm的镀金半球反射器中心,加上镀金半球反射器是因为没有一个单独的吸收层能够完全吸收红外辐射。薄膜热电堆探测器与入射光线成47ο,辐射线被薄膜热电堆探测器反射后又通过镀金半球反射器反射回薄膜热电堆探测器。这个设计增加了对光线的吸收,使腔式热电堆探测器的响应率在很宽的光谱范围内可以认为是不变的[5]。

在红外光谱比较系统上用待测探测器(这里采用TS-76)与腔式热电堆探测器进行比对,波长范围为1.1∼3µm,波长间隔为50nm,得到TS-76相对于腔式热电堆探测器的光谱响应率如图4所示。

3 绝对光谱响应率测量

将式(1)和式(2)中相对光谱响应率用绝对光谱响应率替换,可得到:

其中:Scr(λ)、Stest(λ)分别为低温辐射计和待测探测器的绝对光谱响应率,由式(2)、式(3)、式(6)可得到:

式中K为常数,只要已知待测探测器在某一波长下的绝对光谱响应率和相对于标准探测器的光谱响应率就可以通过上式求出K,然后利用前面测量的1∼3µm的相对于标准探测器的光谱响应率就可以得出待测探测器在1∼3µm的绝对光谱响应率。

3.1 绝对光谱响应率测量系统

绝对光谱响应率定标系统如图5所示,由于红外光不可见,这给红外光束准直调整、光路调整、低温辐射计窗口布儒斯特角调整以及红外光斑调节到探测器腔体中带来困难。因此,我们将633nm的He-Ne激光器和1550nm的半导体激光器通过2×1光纤耦合器实现共轴输出。在光路调整中,先用He-Ne激光器对光路进行调整,光路调整达到要求以后,关闭He-Ne激光器开启半导体激光器就可以进行TS-76的红外绝对光谱响应率的测量。在图5中,激光束经过准直器和偏振器得到垂直偏振(p偏振)、平行的光束。LPC(激光功率控制器)是用来调节定标时的入射激光功率,并将功率起伏稳定在允许的范围内,LPC工作时要求入射激光为垂直偏振的线偏振光,因此其前方必须加上起偏器。为消除激光光束高阶模式对测量精度的影响,采用了空间滤波器,这保证只有良好的基模光束进入低温辐射计的高吸收率(>0.9999)接收腔[3]。利用低温辐射计测量激光的绝对功率后,将TS-76切入光路,测量其输出电压。由式(5)∼式(7)可以得出TS-76在1∼3µm的绝对光谱响应率为

通过上式得出TS-76的绝对光谱响应率如图6所示,1∼3µm波段内其他波长的响应率可以通过插值得到。在上述系统中同样利用半导体激光器在1260nm对测量结果进行验证,两种测量方法所得结果的一致性优于0.1%。

3.2 不确定度分析

TS-76探测器最后不确定度结果主要由两部分组成:测量系统本身的不确定度和探测器本身参数的测量不确定度。

测量系统本身的不确定度由以下三部分组成:

1)低温辐射计功率测量的不确定度包括窗口透过率、非等效因子、电加热功率、腔体吸收率等,这一部分的评估引用了之前的测量结果,不确定度优于0.25%。

2)腔式热电堆的光谱响应率并不能认为是随波长完全不变的,不同波长的光谱响应率差异小于0.1%,有关这一部分的详细分析将在后续的文章中介绍。

3)在光谱比较系统中采用了单色仪,这比采用激光器带来了更多的不确定因素。主要有:杂散光,波长不确定度,带宽效应,几何效应,输出稳定性等,在1∼3µm波段内总的不确定度小于0.1%。

TS-76的线性是通过电替代的方法测出的,线性优于0.7%。探测器的均匀性是圆对称的,中心和边缘的差异小于0.5%。

依据国际通行的规范[6]考察了测量中不确定度因素的来源,不确定度均采用测量过程中的最大值,得到了如表1所示的TS-76探测器绝对光谱响应率的不确定度分析结果。

波长大于2.5µm,由于单色仪的辐射通量减小使输出电压的不确定度增加。从表1中可以看出,影响TS-76探测器最后不确定度结果的最主要因素是线性、空间均匀性等探测器本身参数的测量不确定度。

4 结论

利用红外光谱比较系统、腔式热电堆探测器以及单立波长绝对光谱响应率定标系统建立了1∼-3µm的红外绝对光谱响应率标准,利用建立的系统对TS-76在1∼-3µm的绝对光谱响应率进行了测量,其联合不确定度优于0.95%,不确定度的来源主要是探测器本身的特性。初步实验结果表明,采用上述方法建立红外绝对光谱响应率标准的可行性,指出可以通过采用性能更好的探测器来改善绝对光谱响应率的不确定度,下一步实验中将采用性能更好的扩展InGaAs探测器进行绝对光谱响应率的测量。

参考文献

[1]郑小兵,吴浩宇,章骏平,等.不确定度<0.035%的高精度光谱辐射功率标准[J].光学学报,2001,21(6):749-752.ZHENG Xiao-bing,WU Hao-yu,ZHANG Jun-ping,et al.Absolute spectral responsivity standard detectors with uncertainty<0.035%[J].Acta Optic Sinica,2001,21(6):749-752.

[2]李双,吴浩宇,李照洲,等.近红外高精度光辐射标准探测器的实验研究[J].光学技术,2004,30(4):498-501.LI Shuang,WU Hao-yu,LI Zhao-zhou,et al.Highly accurate calibration of optical radiation detectors at near infrared spectrum[J].Optical Technique,2004,30(4):498-501.

[3]李双,王骥,章俊平,等.可见-近红外(488-944nm)基于低温辐射计的高精度光辐射绝对定标研究[J].光学学报,2005,25(5):609-613.LI Shuang,WANG Ji,ZHANG Jun-ping,et al.Highly Accurate Calibration of Optical Radiation Based on Cryogenic Radiometer at Visible and Near Infrared Spectrum(488-944nm)[J].Acta Optic Sinica,2005,25(5):609-613.

[4]Migdall Alan L,Eppeldauer George P.NIST MEASUREMENT SERVISES:Spectroradiometric Detector Measurements:Part III-Infrared Detectors[Z].Washington,DC:NIST Special Publication,1998.

[5]Nettleton D H,Prior T R,Ward T H.Improved Spectral Responsivity Scales at the NPL400nm to20μm[J].Metrologia,1993,30:425-432.

红外探测器 篇5

关键词：智慧小区；带区间参数影响图；家居安防

一、理论基础

1.影响图概念

影响图是Howard和Matheson于1984年提出的一种基于不确定信息表达和求解复杂决策问题的图模型。基于影响图， 决策者在理解变量语义时不容易混淆，而且能够有效地进行决策分析和不确定性推理，找出能获得最大期望效用的优化决策。

2.带区间参数的影响图

在传统影响图中，决策者的信念和偏好是用点值参数描述的，即描述变量间的依赖关系的条件概率为点概率，描述决策者偏好的效用函数值是精确的实数值。决策过程中由于对决策环境的不完全了解、先验知识或经验数据的缺乏、决策者之间意见不统一等因素都会导致决策的不精确。图1是一个带区间参数的影响图。

二、带区间参数影响图在红外探测器警报处理决策中的应用

1.决策和决策结果分析

应用在影响图里是决策的问题，而一个决策的结果可以有效用来表示。决策节点在本模型的意义是，当小区的安防中心接收到来自户主的红外探测器警报后是否要安排警卫前往查视，即动作为“处理”或者“忽略”。

2.影响图图形决策结构

根据上文的分析，小区安防中心红外探测器警报处理决策模型用完整的影响图图形表示，如图2所示。

通过式2-1并结合吉布斯抽样算法便可以计算在一定的总体误报性（A）概率下，警报处理决策的期望效用。

算式2-1中，d*i为第i个可执行方案，d*i∈D*，D*为可行方案集（i=1，2…n，n为D*包含的决策方案个数）；aj为第j个自然状态，aj∈A，A为总体误报性概率的状态集（i=1，2…k，k为A包含的自然状态个数）；EU（d*i）为在实施决策方案d*i时的期望效用，P（aj）为总体风险（A）在状态j时的概率，U（d*i，aj）为在总体风险（A）的状态j中实施第i个决策方案时的效用值。

本文将带区间参数的影响图分析方法和风险决策理论相结合，为减少小区安防中心因误报频繁而导致的巨大工作量提供了一种决策建议。随着信息的动态变化，该模型有利于物联网商业模式发展，有助于通过大数据和专家经验做出科学地判断和推理，同时也简化了小区安防中心不必要的工作量，并有效进行大范围的安全防控。

参考文献：

[1]Howard R A，Mathson J E.Influence diagrams[J].Decision Analysis，2005，2（3）：127-143.

[2]钟麟.佟明安，钟卫，等.基于影响图的空战机动决策[J].系统仿真学报，2007（8）：36.

[3]岳超源.决策理论与方法[M].北京：科学出版社，2003.

[4]刘文生.矿业投资风险决策的贝叶斯网络方法[J].化工矿物与加工，2007，36（6）：30-34.

红外气体探测器的设计与实现 篇6

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

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

1 红外线气体探测器原理

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

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

2 红外线气体探测器电路设计

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

2.1 三端稳压电源电路

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

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

2.2 单片机电路

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

(1) 自诊断功能:控制硬件和传感器正确运行。

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

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

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

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

2.3 红外传感报警与显示电路

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

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

3 仿真与实物实验

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

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

4 结语

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

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

红外光电探测器系统电路设计 篇7

红外光电系统本质是一个光学—电子系统,用于接收波长0.75µm～1000µm的电磁辐射。它的基本功能是将接收到的红外辐射转换成为电信号并加以应用。接收系统把目标和背景的入射光能量经光学系统会聚于光电探测器上进行光电转换。探测器输出的信号经处理电路检出。在此过程中,背景噪声和系统内部的探测器噪声及电路噪声等都与信号一起进入系统[1]。

本文设计的红外光电探测系统应用探测目标物距离。用红外线作为媒质进行探测时,首先要有能够产生红外线的光源和接收红外线信号的探测器,并有一定的要求:1)为了增大光电探测系统的信号和信噪比,光源和光电器件之间的光谱应尽可能匹配;2)光源要有一定的强度,如果光源强度过低,系统获得信号过小,无法正常检测;光源强度过高,可能会导致系统工作的损坏。本系统中所采用的光源是红外发光二极管HG505,探测器是光敏三极管3DU5。

1 系统电路设计

1.1 信号发射电路(如图1所示)

红外发光二极管和光敏三极管是反应快速的器件,因而一个红外光束系统的有效范围是由馈送给红外发光二极管的峰值电流而不是由其平均电流所决定的[2]。

由U1、R1、R2、C1和D1组成20Hz的调制脉冲振荡器。其中D1用以调整脉冲周期的占空比,在C1充电时D1正向偏置,充电电流由电源→R1→D1→C1,充电时间为:t充电=0.7R1C1≈1ms。在C1放电时,D1反向偏置,放电电流由C1→R2→(7)脚→地,放电时间为:t放电=0.7R2C1≈49ms,U1的(3)脚输出占空比为1∶50振荡信号。由U2、R3、R4和C3组成20kHz的载频脉冲振荡器,该振荡器受U1的(3)脚控制,当U1的(3)脚为高电平时,U2开始振荡,输出20kHz载频脉冲;当U1的(3)脚低电平时,U2停振,输出高电平。当U2振荡时,它的输出使Q1以20kHz的频率导通与截止,并驱动D2发出峰值电流600mA左右的红外脉冲信号。系统仅消耗6mA左右的平均电流。

红外发光二极管有二种驱动方式[3],即直流驱动和脉冲驱动。多数情况下采用脉冲驱动,脉冲驱动允许瞬间通过发光管的峰值电流大于额定电流(本电路的中,HG505通过的峰值电流为600mA左右),效率较高。

1.2 前置放大器电路(如图2所示)

通过光敏三极管Q2和R7串联,将Q2接收到的红外反射信号转变为相应的交变电压信号,通过电容C8耦合到放大电路中去,该信号通过运放U3、U4进行放大,两级运放能够提供的最大信号增益约为1020。这两级放大器的幅频响应曲线以20kHz为中心,由C8、C10、提供低频段的二次衰减曲线,而高频段的三次衰减曲线由C5和运放内部的电容来提供。

此电路中,光敏三极管Q2将接收到的红外线脉冲转换成电信号后通过电容C8耦合到放大电路中去,其目的:抑制背景的需要,用交流耦合电路即具有这种功能;消除探测器上的任何直流偏置电位;能把探测器的1/f噪声的干扰影响减至最小。

1.3 检波电路(如图3所示)

来自前置放大器输出的20kHz的单音信号波形通过D3、D4、C12、R18、R19、C13网络转换成直流并通过R20馈送到电压比较器运放的非反相输入端上,此运放的反相输入端连接到可变电位器POT上。整个电路的工作过程为:当一个20kHz的单音输入信号出现时,运放的输出为高电平,当单音信号消失时,运放的输出为低电平,这样,电压比较器的输出就随单音脉冲信号的包络线而变化。通过调节可变电位器POT来改变电路的灵敏度,当运放的反相输入端电位越低,检波电路的灵敏度越高;反之,灵敏度越低。

1.4 选通驱动电路(如图4所示)

来自U1(3)脚的信号与检波电路的输出信号一起送到选通门U6A,当U1(3)脚是高电平且检波器输出信号也是高电平时,与非门输出一个低电平触发U7,U7(3)脚输出高电平使Q3导通。选通门的目的在于消除杂散背景光的干扰,使与U1(3)脚的信号不同频同相的信号被禁止,从而保证了在信号波形的“空白”部分中不被触发,提高了传感器的环境适应能力。

U7、Q4、C15、R23、POT2组成单稳态可重复触发延时电路,在电路的暂稳态期间内,有新的触发脉冲加入,电路的暂稳态将延续,直到触发脉冲的时间间隔超过tp0,电路才返回稳态,当U7(2)脚输入负向脉冲后,电路进入暂稳态,三极管Q4导通,电容C15放电,输入低电平撤除后,C15充电,U7(6)脚的电位上升,在未达到32Vcc之前,电路仍然处于暂稳态,如果此时,U7(2)脚又来负向脉冲,三极管Q4又导通,C15再次放电,电路将仍然维持在暂稳态。只有在U7(2)负向脉冲出现后的tp0时间内没有新的触发脉冲,电路才返回稳态。tp0=0.7(POT2+R23)C15。延时时间tp0通过POT2来调节。

2 实际应用

把传感器灵敏度调到当40×40cm白画纸板与传感器光轴正对时探测距离为6m,然后把香樟叶板与光轴成不同角度,记下传感器的探测距离。

从表1发现:当香樟叶板与光轴的角度越大,传感器探测的距离越大,当香樟叶板与光轴的角度越小,传感器探测的距离越小。因为香樟叶板与光轴的角度影响到有效反射面,当香樟叶板与光轴的角度越大,有效反射面越大,反射回来的光的能量也越大,传感器的探测距离越大。反之,有效反射面越小,反射回来的光的能量也越小,传感器的探测距离越小。

3 结束语

基于红外发光二极管HG505和探测器是光敏三极管3DU5,设计了红外光电探测系统电路。该系统中传感器部分,红外信号采用单音脉冲方式发射、采用滤波和选通方法接收,增强了探测系统在工作时的抗干扰能力,适用于距离探测应用。

参考文献

[1]A.G.U.佩雷拉.紫外/红外双波段探测器技术改进[J],2007,50(3):142-148.

[2]安东尼.Rogalski.红外探测器概述[J].2002,43(3):187-210.

红外探测器 篇8

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

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红外探测器 篇9

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

1 散热器设计

1.1 散热方式选择

散热按照原理分为辐射、传导、对流。

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

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

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

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

1.2 散热片设计

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

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

2 散热结构的优化

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

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

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

3 结论

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

参考文献

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红外探测器 篇10

红外成像技术作为当今比较成熟的一种成像手段, 具有很多可见光成像技术不具备的特点, 在我们的工业生产和日常生活中具有不可替代的作用。但由于器件制作工艺和技术本身的限制, 红外成像也存在一定的缺陷, 特别是探测器中存在一些响应“迟钝”的单元, 我们称为盲元, 这些盲元会在一定程度上影响成像质量, 因此采用一定的手段找出这些盲元并对其探测出的像素点进行适当处理显得尤为重要[1]。

当前比较成熟的解决途径主要有两种:第一种方法是从“根”上解决问题, 即在红外探测器的生产环节做努力, 通过采用更前沿的制作工艺来提高探测器的质量, 尽可能不产生盲元。此种方法虽然彻底, 但会耗费过高的成本, 而且容易受到制作工艺的制约;第二种方法是在探测器生产之后做后期的检测, 通过对探测器的成像特点进行分析, 检测出盲元的位置, 再进行相应的校准。

1 盲元检测及补偿方法

1.1 盲元的定义

1.几个基本概念

(1) 探测元的响应率

探测元的响应率是指用单位辐射功率照射探测单元所得到的响应电压信号, 其计算公式为:

Vs (m, n) 是指用P个单位的辐射功率照射第 (m, n) 个探测元所得到的输出响应, R (m, n) 是指探测元响应率。

(2) 平均响应率

探测器的输出响应总值除以像元总数即得到探测元的平均响应率。

(3) 探测元的噪声电压

每个探测元的噪声电压的计算过程为先计算出所有探测元的平均响应值, 然后用该探测元的输出值和平均值作差。

(4) 平均噪声电压

所有探测元的输出信号的方差即为平均噪声电压。

2.盲元的分类

红外探测器的盲元分为两类[2], 一类是“过热”盲元, 其定义为噪声电压比探测器的平均噪声电压高出一定倍数的探测元 (通常定为10倍) ;另一类是“死”盲元, 其定义为探测元的响应率与平均响应率相差一定比例的探测元 (通常定为十分之一) 。

1.2 通常的盲元检测和盲元补偿算法

当前主流的盲元检测算法分为两类:一是通过分析盲元周围像素点的关联性来定位盲元的位置, 这种算法能保证精确性, 但无法保证现场及时检测;二是直接使用附近像素点的具体信息, 在最短的时间内找出那些差距较大的探测元[3], 从而达到随时随地检测并补偿盲元的目的。其实现过程需要界定一个临界值, 大于该临界值的认为是盲元。因此临界值的选取是关键环节, 其值太大会导致盲元漏检, 太小则将正常探测元也认定为盲元。有的文献 (例如参考文献[4]) 提出的算法以待检测探测元为中心选取一个滑动窗口, 通过计算中心探测元探测值与窗口内探测元的差值来判断其是否为盲元, 其缺点是计算过程较为复杂。

当前应用较多的盲元补偿算法主要有:一是对盲元周围的像素点按一定公式进行运算, 用得到的值去替代盲元点的值;二是查找出噪声电压较大的像素点, 再通过排序法找到这些像素值的中间值, 用其替代前者。另外还可以利用线性函数数量关系进行盲元补偿[5]。

2. 本系统的盲元检测及补偿算法设计

2.1 系统硬件设计介绍

1.红外线列探测器单元介绍

本系统的红外探测器单元由128元红外探测器和数据预处理电路封装组成, 如图1所示。该芯片的管脚主要有Vdd、Gnd、Reset、Vref、Out_data。其中Vdd和Gnd分别为电源和地, Reset为复位信号, Vref为芯片的偏置电压, Out_data为输出的红外数据。芯片的电源电压Vdd为3.3V, 工作温度为120-250k, 输出噪声小于等于两个有效位, 功耗小于120m W, 集成的模数转换器精度为8位, 芯片内的探测元排列顺序采用奇偶行分开的方式, 如图2所示, 这种方式可解决芯片的输出数据与实际场景的真实位置无法做到对应的问题。

2.FPGA控制面板

FPGA控制面板是系统的核心部分, 负责将控制参数发送给红外探测器, 并将探测器的输出数据进行解析后传送到上位机成像。FPGA控制面板由FPGA芯片和USB模块组成。FPGA芯片选用Altera公司生产的EP1C6Q240C8, 其内部逻辑单元数为20060个, RAM存储容量为288k B, 为系统的程序开发提供了充足的的逻辑单元和存储空间。USB模块主要由CY7C68013USB芯片和外围电路组成, 该芯片具有8500字节的片上RAM和4000字节的FIFO存储器, 为红外数据缓存提供了充足空间。

2.2 盲元检测方案

本文盲元检测的实现过程如图3所示, 红外线列探测器对准均匀光进行均匀扫描, 输出探测数据。通过数据累加器把探测单元输出的像素值进行累加再除以行数, 求出该探测元响应值的平均值。对剩余的探测单元也进行上述步骤, 完成后, 用中值滤波算法求出n个探测元平均响应值的中值, 再用其他n-1个探测元的平均值依次去减该中值, 然后选择一个适中的临界值, 如果差值超过临界值, 则在其盲元判定存储器中做好标记, 反之, 则是正常元。

使用Modelsim软件对该方案的verilog程序进行仿真, 图4为盲元检测单元的输出波形。mdf_a11-mdf_a33分别为输入的n个探测元的输出响应值的平均值, 用中值滤波法求出它们当中的中值, 再把输出响应值分别与此中值进行比较, 偏差大于阈值百分比的认定为盲元。mdf_a11_reg1-mdf_a33_reg1为盲元判定标志, 其值为1, 表示判定为盲元, 为0则是正常元。图5为盲元检测的整体仿真输出波形, 将探测到的红外响应数据每n个为一组, 传送到盲元检测单元, 输出即为探测器的盲元检测结果。

2.3 采集现场的盲元检测

常用的盲元检测方法需要两束均匀光, 而探测器由于受到外界影响, 可能会形成新盲元, 在非实验室环境下又无法找到均匀光环境, 这种情形需要选取新的方法进行盲元检测。对此, 我们尝试利用盲元通常响应过大或者没有输出响应的特点, 对一个背景多样的场景进行成像, 若探测元为盲元, 其输出响应值会在一个很小的范围内浮动, 所以, 我们可以通过计算同一探测元的输出数据的变动幅度, 求出其NU值[6], 即非均匀性。若其值比选取的临界值小, 则认为该探测元为盲元。

方案仿真:

对该系统所用的红外线列探测器的输出图像用matlab进行处理, 通过上述求单个探测单元行响应值的NU值的方法, 扫描不同的图像, 同一探测元可能被判定为盲元, 也可能被判定为正常元。为找到原因, 我们把本系统所用的红外线列探测器的所有探测元的输出值进行了统计, 为便于观察, 特绘制输出响应曲线, 如图6所示。通过分析不难发现, 大部分探测元的输出响应比较集中, 呈近线性规律, 而输出不规律的探测元并没有像通常的盲元那样响应过强或很弱, 而是在光照从零到一定范围增大时没有输出响应, 当超过这个范围时响应也随光照正确而变大, 基于这种特性, 上述方法不能准确检测出盲元的位置。

通过上述分析我们不难得到这样的结论:本系统所用的红线线列探测器含有的特殊“盲元”需要通过特殊方法查找到。即利用在某一固定光照强度下, 特殊“盲元”的输出值与正常元相差很多的特性, 把背景变化的图像看成是若干强度恒定的光照, 然后去纵向比较差值大小。

方案仿真:

对于第n个探测单元扫描的第n行数据分别与第 (n-1) 行数据的同列数据作差, 若所得结果超过所选取的临界值, 则对其number值加1。当对一探测单元的整行数据都做了上述处理之后所得的number值超出其他探测元的number值, 则认定该探测元为盲元。仿真过程中选取的临界值为90, 并对三个场景进行了扫描成像, 得到的结果是第26、28探测元的number值很大, 而其他探测元的number值基本为0, 具体信息见表1。

3 盲元补偿算法设计

本文的盲元补偿算法采用对盲元周围探测元的像素值求均值的方法, 对于线列探测器中单个盲元, 补偿方法为对盲元像素点上方和下方三个像素点的像素值求平均值;对于探测器含有连续两个盲元的情况, 两个盲元分别用上方和下方三个像素点的像素值求平均值;对于探测器含有连续三个盲元的情况, 首先对最上方的盲元用其上方的三个像素点的像素值求平均值, 最下方的盲元用其下方的三个像素点的像素值求平均值, 对于中间的盲元, 我们选择最上方盲元和其左右的两个像素点以及最下方的盲元和其左右的两个像素点的总和求平均值;对于探测器含四个盲元或更多的情况, 其补偿后的图像效果依然不理想, 因此认为这种情况的探测器质量问题严重, 我们放弃补偿。

4 算法验证与实现

为验证本文设计的盲元检测和补偿算法是否可行, 作者使用Altera公司的综合性PLD/FPGA软件Quartus II建立了工程文件, 各模块的功能和时序都验证无误后, 进行编译, 整个工程占用逻辑单元和存储空间的比例分别为6%和18%。将编译生成的project.pof文件通过AS下载电路下载到FPGA电路板中, 下载界面如图7所示。系统在室温条件下采集了图像, 通过对比图8-1和图8-2, 我们可以得出结论:本文的盲元检测和补偿算法很好地改善了系统的成像质量。

5 总结

本文为改善红外线列探测器的成像质量, 对当前普遍应用的盲元检测和补偿算法进行了分析, 通过比较它们的优缺点, 结合本探测器的特点, 设计了适合红外线列探测器的盲元检测和补偿方案, 并且编写程序完成了验证。结果表明, 本方案能很精确地检测到盲元位置, 并有效地对盲元进行补偿。

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