红外探测(精选十篇)
红外探测 篇1
红外探测器是红外系统的核心, 是探测、识别和分析物体红外信息的关键部件, 利用它制成的探测器是军事、气象、农业、工业、医学等方面需要的设备, 它涉及物理、材料等基础科学和光学、机械、微电子和计算机等多学科领域的综合科学技术。红外探测器目前主要应用在军事装备上, 进行夜视、遥感、侦查和制导等, 它能透过烟、尘、雾、阴影、树丛等, 探测重要军事目标, 能实现全天候被动远距离探测。尤其在近十年来的现代化战争, 拥有红外预警、制导和夜视技术的一方, 基本都在战场上占据了主动。因此, 世界各国对红外探测器的发展给予了大量的关注。
二、红外探测器技术分类
根据探测机理的不同, 可把红外探测器分为制冷型探测器和非制冷型探测器两大类, 如表1所示。
2.1制冷型红外探测器
制冷型红外探测器一般是指利用半导体材料的光子效应制成的探测器, 在探测器吸收光子后, 本身发生电子状态的改变, 从而引起光伏或光电导等现象;
制冷型红外探测器系统如蹄镉汞 (Hg Cd Te) 探测器 (工作在8-14μm波段) 和锑化锢 (Insb) 探测器 (工作在3-5μm波段) 的灵敏度、响应速度、探测距离等性能都比较高, 但都必须用低温制冷器进行制冷, 而且红外成像系统几乎都要使用机械扫描装置, 因而整个红外成像系统显得结构复杂并且成本很高。而且, 部分高性能的光子型红外探测器很难实现硅基单片式结构, 需要通过混合集成方式将探测器与读出电路相连。
2.2非制冷型红外探测器
非制冷型红外探测器, 又称为室温红外探测器, 是指利用探测器接收红外辐射后自身温度开始升高, 从而引起热敏元件的物理性质发生改变而实现对红外光进行检测的探测器。
室温红外探测器及其焦平面阵列一般不需要制冷, 可以直接在室温下工作, 易于使用和维护, 可靠性好。因此, 研究开发重量轻、体积小、功耗小和成本低的非制冷焦平面阵列及其成像系统成为一种必然的发展趋势。非制冷红外焦平面阵列主要是以微机电技术 (MEMS) 制备的热传感器为基础, 大致可分为以下几种类型:热电堆/热电偶、热释电、光机械、微测辐射热计。
热电堆室温红外探测器及其阵列是最早研究并实用化的红外成像器件之一, 它通过测量多晶硅/金属或双掺杂的多晶硅热堆的热电势来探测红外辐射。其工作原理是利用由逸出功不同的两种导电材料所组成的闭合回路, 当两接触点处温度不同时, 由于温度梯度使得材料内部的载流子向温度低的一端移动, 在温度低的一端形成电荷积累, 回路中就会产生热电势。因而, 通过测量热电堆两端的电压的变化, 可以探测出红外辐射的强弱。
热释电型非制冷红外焦平面阵列的探测原理是:红外辐射使材料的温度发生变化, 引起材料的自发极化强度变化, 在垂直于自发极化方向的两个晶面出现感应电荷。因而, 可以通过测量感应电荷量或电压的大小, 探测红外辐射的强弱。热释电材料大多采用铁电材料, 如钽酸锂 (Li Ta O3) 、钽铌酸钾 (KTN) 和钛酸铅 (Pb Ti O3) 等。
光机械室温红外探测器是利用双层的悬臂梁结构, 当悬臂梁结构收到红外辐射后温度升高并弯曲, 其端点的弯曲位移量正比于升温的大小, 同时也正比于双金属材料的热膨胀系数之差, 并可以采用光调制的方法读出位移量。
微测辐射热计是近年来发展势头最为迅猛的红外焦平面之一, 是一种电阻型热传感器, 通过探测红外辐射引起热敏电阻的变化而获得目标的红外信息, 继而转换成目标图像。热敏电阻型非制冷红外焦平面阵列使用的热敏电阻探测材料主要有:氧化钒 (VOx) 、非晶硅 (α-Si) 、钛 (Ti) 、钇钡铜氧 (Yba Cu O) 等, 其最重要的参数是电阻温度系数 (TCR:Temperature Coeffi-cient of Resistance) 。它利用热敏电阻的阻值随温度的变化, 来探测红外辐射的强弱。
红外焦平面阵列 (IRFPA:Infrared Focal Plane Array) 是具有对红外辐射敏感, 并兼有信号处理功能的新一代红外探测器件。自从70年代后期提出红外焦平面阵列这个概念以来, 它的发展十分活跃, 已经研制出单片式、混合式、制冷型和非制冷型等一系列红外焦平面阵列。二十世纪九十年代, 随着非制冷红外焦平面阵列技术的突破, 非制冷红外热像仪的灵敏度大幅提高, 同时由于其具有的低成本、低功耗、长寿命、小型化和高可靠性等优势, 使其在民用领域逐步得到广泛应用, 包括:电力设备故障检测、消防救助、火灾监控、工艺监控、医疗测温、车船夜行、公安侦察、环境保护等方面, 几乎涉及到社会生活的各个领域, 并有部分取代制冷型红外热像仪的趋势。
目前世界上只有美国、法国、日本、以色列四个国家拥有非制冷焦平面探测器产业化生产的能力, 其核心技术仅有美国和法国两个国家掌握, 日本和以色列则由美国取得技术专利许可, 在其国内生产和有限制地使用。
而国内在非制冷红外成像方面的公司主要有浙江大立、广州飒特和武汉高德等, 另外, 一些大专院校或研究所, 如电子科技大学、华中科技大学、中科院上海技术物理研究所、兵器211所等, 也都在进行相关基础研究。
三、发展趋势
虽然非制冷红外探测器的探测率目前还不及光子型 (即制冷型) IRFPA的高, 已装备的非制冷红外热成像仪的NETD通常为20~100m K, 但是凭借其低成本和高性价比, 在中、低端的军用和民用市场均有着广泛的应用前景, 在科研创新方面得到极大的关注, 是红外探测器技术发展的重要方向。
参考文献
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红外探测技术的应用与发展 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)。
红外线探测障碍感应鞋 等 篇3
这种鞋上安装有一套能够发射红外线的特殊系统,当探测到前方有障碍物后其发出的红外线会被反射回来,并被鞋上的感应设备接收,鞋子就会相应地发生振动。如果障碍物离得远,反射回来的红外线就少;如果障碍物近在咫尺,被反射回来的红外线就多,鞋子上的控制设备就会感应更明显,鞋的振动也会变得更强烈。通过鞋振动的频率及程度,盲人便可及时识别出前方的障碍物,提前做好避开的准备。盲人可以穿着这种鞋在步行街上快乐地散步,不必非顺着永远固定的盲道走,也不必拄着拐杖。
可用于治疗的发光睡袋
它能帮助那些患有罕见遗传性肝脏疾病的人。为了保持胆红素在正常水平,这些患者皮肤每天需要接受蓝光照射,因此患者失去了自由活动的时间,不得不长时间躺在光疗床上接受治疗。而现在,有了这个发光睡袋,一切就变得容易多了,发光睡袋由透气织物材料制成,在织物中放有12只软盘,软盘中带有一组发光二极管。发光睡袋还可以随时变成一件睡衣,患者每天只须穿上它就相当于在光疗床上接受治疗,以避免出现致命性并发症。
能及时唤醒人的闹钟枕头
闹钟枕头由压气机、软管和充气枕头组成。到事先设定的时间闹钟就会响铃,枕头开始时而放气时而又充气,最初充放气间隔7秒钟,随后会越来越短。这样被唤醒感觉会很不舒服,使人根本不想再睡懒觉,只有赶紧起床。
能控制家用电器的机器兔
这只卡通造型的机器兔,身上安装了许多接口,可以连接到各种类型的计算机和语音视频装置上。机器兔具备一定智能,能听懂口语,同时能识别使用者的面孔。
地面红外探测系统目标指示精度分析 篇4
1 主要影响因素
影响红外探测系统目标指示精度的因素有很多,其中红外探测系统自身的角度误差、设备装调误差、平台调平误差、位置不同引入的误差和数据输出速率引入的误差是主要因素[3].
1.1 红外探测系统自身的角度误差
地面红外探测系统为了实现大视场、全方位的探测,通常采用红外阵列探测器在方位和俯仰方向上瞬时覆盖一定角度,并按某种方式进行空间扫描.其探测方位角度和俯仰角度是由探测器的当前扫描位置读数和红外目标在探测器上的成像位置经过运算得出的.红外探测系统自身的角度误差包括方位和俯仰2个方向的误差,主要决定于扫描系统的定位精度、光学系统的像差、探测器的分辨率和驰豫时间等.
1.2 设备装调误差
地面红外探测系统通常都要装配到某一种平台之上,为实现给系统内不在一个平台的其他单元指示目标位置的使命,还需提供目标的绝对方位,这就要与寻北仪等寻北装置配合使用.因此设备装调误差有2种:一是红外探测系统标准方向与平台寻北装置的标准方向之间的方向误差δN;二是与平台水平装调误差.
1.3 平台调平误差
为了保证地面红外探测系统目标指示的精度,需要对平台进行水平调节,俗称调平.调平设备有电子调平和手动调平之分.平台所能达到的调平精度取决于调平设备自身的调平精度,这部分误差可由水平仪直接读出.通常该误差分为标准方向和垂直于标准方向2个方向误差.
设备装调误差和平台调平误差可统一由图1来表示.图1中O点为红外探测系统,N为真北方向,A点为探测时刻T1目标所在位置,Σ0表示水平面,Σ1为设备基准面,σ为平面Σ0与平面Σ1的夹角,ρ为平面Σ0与平面Σ1交线方向与真北方向的夹角.
1.4 位置不同引入的误差
地面红外探测系统与系统内其他单元不在同一个平台上或者在同一个平台上的不同位置,直接使用红外探测系统的方位和俯仰角来做跟踪和瞄准就会引入目标指示误差,位置不同而引入的误差如图2所示.
1.5 数据输出速率引入的误差
地面红外探测系统在一个搜索周期内发送有限次数的探测数据,这个发送频率就是数据输出速率.
引入数据输出周期T这个概念,则数据输出周期应为数据输出速率f的倒数.数据输出的时刻通常情况下比目标在探测器上出现的时刻要延迟一段时间,若将数据输出的时刻作为目标在探测器上出现的时刻便会影响到地面红外探测系统的目标指示精度.由数据输出速率而引起的误差如图3所示.图3中O点为红外探测系统,N为北方向,A点为探测时刻T1目标所在位置,B点为数据输出时刻T2目标所在位置,H为目标的高度,V为目标的速度,J为航路捷径,ψ为目标的飞行方向,f为告警数据输出速率,φ为方位角,θ为俯仰角.
2 地面红外探测系统目标指示精度的误差分析
红外探测系统自身的角度误差主要决定于扫描系统的定位精度、光学系统的像差、探测器的分辨率和驰豫时间等,选取合适的器件即可有效降低该误差,一般误差都小于10-2.
地面红外探测系统的装调误差受加装工艺水平限制,现有数控磨床的加工工件精度可达到3‰ mm[2].平台调平精度在战术使用时是有要求,最差不能低于战术要求的数值,调平可达到的最好水平为水平仪的最低刻度.
为了从量的层面上认识水平误差对目标指示精度的影响,考虑目标和红外探测系统连线垂直于水平面与设备基准面交线这种特殊情况,因为此时俯仰角误差为最大值.假设夹角ρ为0.01°,则方位误差为0,俯仰角误差为0.01°.
由于红外探测系统的探测距离一般要比系统不同单元之间的距离大很多,在不同单元之间的距离很大时系统可以通过各单元的位置参数作修正计算,所以不同单元位置误差在工程计算时可以忽略.
由图3可得告警数据输出速率引入的误差为[4]
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其中,
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OB′={[OA′-A′B′·cos(∠OA′B′)]2+
[A′B′·sin(∠OA′B′)]2}1/2 (6)
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当T2-T1为数据输出周期时,由数据输出速率而引起的误差最大,此时
A′B′=AB=V·T=V/f (9)
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假设目标的高度为5 km,速度为1 Ma,航捷为0 m,红外探测系统的数据输出周期为1 s,俯仰角为15°,则由式(10)和式(11)可得误差Δ《为0°,误差Δθ为0.29°(约5 mrad).若告警俯仰角为30°,则由式(10)和式(11)可得误差Δ《为0°,误差Δθ为1.11°(约19 mrad).说明俯仰角越大,则由数据输出速率引入的误差越大.
3 结 束 语
详细分析了红外探测系统自身的角度误差、设备装调误差、平台调平误差、位置不同引入的误差和数据输出速率引入的误差等5个影响地面红外探测系统目标指示精度的主要因素.在设计、研制和检验等过程中都必须充分考虑这几种因素,科学地就有关误差进行计算和分配,从而保证系统具有较高的目标指示精度.
参考文献
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红外探测 篇5
红外探测技术在国防、气象、工业、医疗等领域应用广泛。基于半导体纳米结构的光子红外探测器作为一种新型的探测器技术,近些年越来越受到人们的关注。然而,受到探测器材料尺寸等技术因素的制约,此类光电子器件的性能仍不能满足使用需要。
据介绍,合肥工业大学科研人员首次将重掺杂金属氧化物这一新型表面等离子材料应用到红外光电探测器中,有效解决了现有元器件光吸收不足的问题,实现了新型红外探测器在响应度、探测率、响应速度等方面性能的大幅提升。
现有红外探测器采用贵金属纳米结构作为表面等离子体材料,通过金属纳米颗粒散射等方式提升光电子器件对入射光的吸收能力。由于贵金属的表面等离子体共振位置通常在可见光范围内,目前表面等离子增强型器件主要局限于可见光范围内的光电探测器。
合肥工业大学电子科学与应用物理学院罗林保教授领导的微纳功能材料与器件实验室,开创性地制备出一种新型的重掺杂的氧化铟锡纳米颗粒表面等离子体材料,并将这类材料应用到纳米红外光探测器中。器件的相关分析结果显示,经过结构优化的器件在1550nm(通讯波段)的光吸收能力有了显著增强,对应的响应度与探测率也有大幅的提升。同时,这种器件对频率高达1兆赫兹的光信号仍然具有优异的响应能力,其响应速度可以达到450纳秒,远优于现有纳米红外光探测器。
“这一新型材料能够有效解决红外探测器的探测波长与传统的贵金属纳米结构表面等离子体材料局域表面等离子体的能量匹配问题。它不仅在常用通讯波段实现了性能的大幅提升,还可以通过改变材料中锡的掺杂浓度,实现其它波长红外光的有效探测。”罗林保教授介绍说。
红外探测 篇6
为了提高红外探测器在实际工作中的性能和稳定性,设计了一种针对高发热红外精密传感器的自动调节探测器外围温度的装置。该装置利用 C8051F350单片机对半导体制冷片进行制冷、制热和不同功率运行的控制,保持探测器外围温度的稳定。通过PID算法编程,结合多点测量实现环境温度的均匀性和稳定性。实验结果表明,在一天的工作时间内,该装置可使探测器外围的温度控制在20 ℃,控制精度为±0.5 ℃,显著提高了探测器的性能。
关键词:
半导体制冷; MCU; PID算法; 性能
中图分类号: TP 273.5文献标志码: Adoi: 10.3969/j.issn.10055630.2016.02.012
Abstract:
In order to improve the performance and stability of the infrared detector, we design a temperature contoller to adjust the external temperature of the infrared detector intelligently. This equipment uses C8051F350 MCU to control refrigeration, heating and different power operation of semiconductor chilling plate. The uniformity and stability of environmental temperature of infrared detector is realized by PID algorithm and multipoint measurement. The experimental results show that the peripheral temperature of infrared detector was maintained at 20 ℃ with deviation of 0.5 ℃ during oneday working time, and demonstrate that this equipment could significantly improve the performance of the detector.
Keywords: semiconductor refrigerating; microcontroller unit (MCU); PID algorithm; performance
引言
高稳定性的温度控制是红外高发热精密探测器模块的关键技术之一,提高探测器外围的温度稳定性有助于提高探测器的性能[1]。红外探测器在测量时的性能会随着外界温度变化和自身发热产生影响,温度变化会影响探测器的输出噪声、信号增益和输出信号的信噪比等。因而需要一个高精度高稳定性的恒温控制装置来提高探测器外围温度的稳定性。其设计通常包括两个方面:一是保温设计,通过增大温控箱外壁的热阻,减少内外的热交换,减少不必要的损耗;二是通过TEC制冷片进行制冷或制热,维持箱内温度的恒定。本文提出一种基于C8051F350控制芯片,结合PID控制算法的设计[2],使探测器外围的控制目标温度为20 ℃,控制精度为±0.5 ℃。
恒温箱硬件设计框图如图1所示。整个恒温箱装置主要由恒温箱的核心控制模块、电源模块、温度采集模块、TEC制冷片及其驱动模块、LCD显示模块和通讯模块组成。
模块由LM2475M5提供DC 5 V,然后通过TPS7333QD和LM11173.3分别提供DC 3.3 V和AC 3.3 V。温度采集模块是用于实时检测温控箱内多个不同位置的环境温度。LCD是用来显示用户设定状态信息和箱内实际温度。根据实际温度和设定温度值进行比较,所得的差值通过PID算法进行处理,然后输出适当占空比的PWM波来驱动半导体制冷模块,使半导体制冷或者制热,以达到设定的工作温度环境。通过通讯模块向上位机发送当前工作状态并且接受上位机的指令。
2硬件电路设计
2.1电源模块
MCU部分电路的工作电压需要AC 5 V、AC 3.3 V和DC 3.3 V电压供电。首先通过开关电源把市电220 V/50 Hz转化为直流电24 V。通过LM2475M5提供DC 5 V给LCD显示模块供电,然后通过TPS7333QD和LM11173.3分别提供DC 3.3 V和AC 3.3 V给C8051F350数字部分和模拟部分供电。另有大功率的直流电源直接为制冷片驱动模块提供工作电压。
2.2温度采集模块
PT100作为温度传感器,具有稳定性能高、响应快、测量精确度高等诸多优点,工作范围-200~650 ℃。PT100是电阻式温度传感器,具有正电阻系数。设计中实际控温范围可以达到15~55 ℃[3]。由R16和R17两个精密电阻分压得到AIN.Ref的输入电压,AIN.Ref做为差分测量的一端,ADIN1和ADIN2做为差分测量的另一端,惠斯登电桥部分原理图如图2所示。由于电压值比较微弱,直接将信号送入A/D会影响测量精度,所以需通过MCU内部的PGA放大得到合适的电压值。在实际使用中,由于PT100并没有良好的一致性,同时随着PT100等元器件的老化,每个PT100在同一温度下测出的电阻是有区别的。为了改进温度计算方式,可以使用不同的参数来保证每个PT100具有良好一致性。根据以往对于PT100温度和电阻关系研究,在该装置正常工作的范围内,可认为温度和测量电压成一定的线性关系。温度采集是采用惠斯登电桥,因此温度和A/D采集的电压成正相关,MCU需记录两个温度下的采样电压值即可标定出 Ka和Kb的值,得出
T=Ka·Mea.AD+Kb(1)
式中:T为测试温度;Mea.AD为A/D采集的电压值。通过测量箱内两侧不同位置的温度值,可以更好控制箱内温度的均匀性和稳定性。
2.3TEC制冷片及其驱动模块
TEC制冷片选用的是4片TEC112076。驱动模块采用4片APM3020P、APM2023N和三极管构成的H桥驱动电路驱动半导体制冷片,如图3所示。
半导体制冷片又叫做热电制冷片。半导体制冷是以温差电现象为基础的制冷方式,利用半导体材料的Pettier效应[4],当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时,在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量,实现制冷或加热目的。
本恒温箱选用TEC112076,可以使用在可靠性要求高,无制冷剂污染的场合。值得注意的是,制冷片正在工作时不得瞬间通反向电压,必须停止工作5 min后,再通反向电压。
在TEC驱动电路上的设计,利用MCU输出的PWM波,由MCU端口控制三极管S8050的工作情况,从而控制APM3020的开关情况。APM3020P的最大工作电压为30 V,最大电流为11 A。APM2023N的工作情况则完全直接由MCU输出的PWM波控制。APM2023N的最大工作电压为20 V,最大电流为12.8 A。TEC112076最大工作电压为15.4 V,最大工作电流为6 A。该恒温箱采用12 V稳压电压供电,最大输出电流为16.8 A。当温控恒温箱全功率工作时,流经MOS管的电流约为8 A,满足MOS管技术指标。
3软件设计和算法
3.1软件设计
基于C8051单片机的温控模块的恒温箱软件控制流程图如图4所示。
电路部分主要完成以下功能:上电以后根据EEPROM内部数据自行控温,也可以在线设定目标温度值。单片机先采集温度,通过 PID控制算法,产生合适占空比的PWM波,控制MOS管的开关工作情况,从而改变半导体制冷片的供电电压。控制板上电启动后,进行初始化,通过温度采集模块采集PT100上的电压差从而计算出当前温度值,由数码管进行显示,并通过串口通讯把数据传输到上位机。同时 MCU从EEPROM读取设定的温度值,将此刻温度值与设定的温度值进行比较,在温差超过3℃时,为了加快升温或降温的速度,使半导体制冷片进行全功率工作。在温差在3℃以内时,进行PID调节,调节PWM的占空比,对半导体制冷片进行加热或制冷控制。
3.2PID算法实现以及参数标定
PID是常用的控制器,由于外界环境的干扰,该恒温箱需要进行闭环控制,要想达到设定目标,整个过程的控制和调节就必须不断进行。
PID的数学模型表达式[5]为
U=KP(e+1Ti∫t0edτ+Tddedt)(2)
式中:KP为比例系数;Ti为积分系数;Td为微分系数;e为设定值与反馈值的差值。
在实际的MCU控制中,需要用到数字式PID。将PID控制器的传递函数中的微分项和积分项进行离散化处理,就可以实现数字式PID。
PID控制编程表达式[6]为
Δu(n)=Kp[e(n)-e(n-1)]+Kie(n)+Kd[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)](3)
式中:Kp为比例系数;Ki为积分系数;Kd为微分系数。
针对传统的PID经验调节,找到合适I和D参数并非易事。根据经典的ZieglerNichols法则,构建闭环控制回路。将调节器积分时间设定为无穷大,微分时间设定为零,比例度取适当值,使系统按纯比例作用运行。稳定后,适当减小比例度,在外界干扰作用下,寻取系统出现等幅震荡临界状态,此刻的Kp为临界比例度,Tc为震荡波形的临界周期,然后根据公式计算控制器参数[7]。
4实际应用以及测试数据
在安检仪设备中,红外探测器位于设备内部。仪器内部由于各种设备较为密集,温度较室外高,并且白天和夜晚温差较大。探测器性能受温度影响较大,为了得到稳定的性能,采用上述恒温控制装置对探测器进行温度控制。在实验中,通过改变温控箱内温度得到信号和噪声电压测试数据,如表1所示,N(人)为人体位于探测器前端时候的噪声电压,S(人)为人体位于探测器前端时候的输出直流有效值,S(波)为吸波墙位于探测器前端时候的输出直流有效值。实验对象为人体,人体距探测器为1 m并紧靠吸波墙,调节温控箱内温度后稳定30 min再进行测量。在实际测试中,由于探测器输出电压值变化较小,我们采用探测器级联放大电路进行测试。所需测数据为人位于吸波墙时示波器读取的直流有效值Vd、交流有效值Vn和无人时探测吸波墙的直流有效值Va,则Vs=Vd-Va,得到
SNR=10lg(Ps/Pn)=20lg(Vs/Vn)(4)
式中:Vs为探测人体时候的探测器输出的变化值;Vn为探测人体时探测器输出的噪声有效电压值。
由测试数据可见,温度对信号的增益、噪声幅度和输出信噪比均有较大影响,如图5、图6和图7所示。温度越低噪声越小,待测物的信号越强,信噪比越高。图8所示为温控箱在一天8 h内室温和箱内温度的变化曲线,温控箱内的设定控制温度为20 ℃。从图可以看出,本装置能有效控制箱内温度稳定。
5总结
本文介绍了一种基于以C8051单片机为核心,结合多点测温和多路控制达到自动控温,并可以根据两侧温度差异自行调节,从而使箱内的温度稳定。经测试可以用于保证探测器外围温度的稳定,控制误差在0.5 ℃以内。在实际的应用中,减少了输出噪声,提高了探测器的增益和输出信噪比,有利于整个恒温箱的稳定工作,具有一定的实用价值。
参考文献:
[1]龚学艺,苏晓锋,黄思婕,等.红外探测器信息获取系统噪声特性[J].红外与毫米波学报,2015,34(1):8086.
[2]Cyanal Integeated Products,Inc.C8051单片机应用解析[M].潘琢近,孙德龙,夏秀峰,译.北京:北京航空航天大学出版社,2002:210271.
[3]张瑜,张升伟.基于铂电阻传感器的高精度温度检测系统设计[J].传感技术学报,2010,23(3):311314.
[4]陈振林,孙中泉.半导体制冷器的原理与应用[J].微电子技术,1999,27(5):6365.
[5]廖红华.温度控制系统中双模糊PID控制器的研究[J].电子测量与仪器学报,2006,20(6):98101.
[6]吴仕平,陈军,蔡洁,等.基于模糊PID的半导体激光器工作温度控制[J].光学仪器,2009,31(6):3034.
[7]白志刚.自动调节系统解析与PID整定[M].北京:化工工业出版社,2012:50105.
户外被动红外探测器的设计 篇7
在电子防盗、人体探测器领域中,被动红外探测技术是一种应用比较广泛的探测系统,这种系统是通过检测物体辐射红外线的方式进行工作的。本文所设计的被动式红外探测器采用了人体热释电红外传感器(Pyroelectric Infrared Sensor,PIR)作为信号捡取装置,该电路本身不发出红外光线,主要依靠自身的高灵敏度传感器和放大器接收周围微弱变化的红外光线。这种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,同时,它还能鉴别出运动的生物与其它非生物。
二、系统结构框图的组成及工作原理
1、系统结构框图
下图1所示为典型的热释电被动红外探测器的结构框图。其中热释电红外传感器用来接收人体红外辐射信号,并将其转变为电压信号,放大器将传感器输出的微弱电压信号放大,并由滤波电路将杂波滤掉,放大后的电压输入电压比较器的同相端,与反相端的基准电压(阈值电压)相比较,当人体进入检测区时,其放大后的信号电压大于阈值电压,电压比较器输出高电平。当无人体进入检测区时或者环境温度有些变化时也产生电压信号,但此电压信号较小,虽也经放大,其值小于阈值电压,比较器输出仍为低电平。电压比较器输出的高低电平信号用于控制后续驱动电路有无报警信号输出。
电压比较器起到鉴别有无人体进入检测区的作用同时消除环境温度变化所产生的干扰,温度补偿电路使输出稳定,电压比较器输出的高电平经驱动电路输出,输出电压大于3V。
2、人体感应模块原理框图
依照上述结构框图的思路并结合参考文献(“傻瓜”人体感应模块)设计出人体感应模块原理图如图2所示,本文所介绍的被动式红外探测器正是基于此感应模块而开发出来的。
如图2所示,当人体包括手、脚和头部进入镜片前面的感应区,探头(PIR)将透过镜片聚焦的人体红外光谱转换成电信号,送入IC1的10脚进行放大,调RP1可改变感应距离,IC1内部对信号进行比较处理,滤除杂波干扰信号,将人体信号保值输出至11脚,因此模块有很好的抗干扰性。调节RP2可改变工作延时,以适合不同产品的需要,在C9位置接入47μF的电容,实现加电延时开机,避免加电或断电后,来电马上工作的现象,在CDS位置装上光敏电阻,可以作到白天不感应,夜晚才感应。同样在CDS位置接上时间控制的常闭接点,可以做到某时间段内有人体感应功能,其它时间段没有感应功能。在C12位置上接入电容,可以做到感应到人后延迟一会才工作。如果有人进入探测区,人体红外线被PIR传感器探测到输出幅度约为1mv,频率在3~7HZ的微弱信号,此信号经一组高频滤波和阻抗匹配网络,馈入控制电路输入端,微弱信号有IC内部的一系列电路处理,达到人体自动控制式防盗报警目的。
用户可在上述人体感应模块基础上外接器件开发出感应到人后便工作的智能化产品,应用在许多与人有关的产品和设备上。
三、电路原理图设计及工作原理分析
被动红外探测器的特点是能够响应入侵者在所防范区域内移动时引起的红外辐射变化,并能使监控报警开关产生报警信号,从而完成报警功能。下图3所示为被动红外探测电路原理图,其中IC选用人体热释电红外传感器(P2288),透镜用菲涅尔透镜,A1、A2、A3、A4选用μA741型集成运算放大器,D1、D2、D3均选用4148型二极管,BG1选用9013型晶体三极管,LED选用发光二极管,其它元件(电阻、电容)如电路图3所示。电路的探测角度为86°,距离可达10m以上,电源电压15V,发光二极管用于报警触发指示。
1、红外线检测电路
此部分电路主要有热释电红外传感器(PIR)完成,通常在热释电红外传感器之前加装菲涅尔透镜,以增大探测距离。热释电传感器的探测距离只有1m左右,而加上菲涅尔透镜后探测距离增大到10m以上。当有人进入有效探测区域时热释电传感器感应到人体辐射的红外线信号的变化并将其转变为电压信号,进而送入后续放大电路进行放大。
2、高低通放大电路
由于PIR检测到人体红外线后产生的感应信号很微弱,在电路图中设置有A1、A2两级放大电路,且A1、A2也为高低通滤波放大电路,以滤除电路中的杂波成份,避免干扰,另外电路中设置诸多旁路电容亦是为了抑制干扰,避免误动作。按图示参数,可计算得
合63dB,比较符合实际应用,能保证电路可靠工作。
3、比较电路
为了能使后续电路对人体进入检测区后及时做出反应,在电路图中设置有一上、下限比较电路。有静态电路可知R9、R10、R11将窗口电压上、下限分别设为:
即A3的6脚被偏置为9.13V,A4的2脚被偏值为3.26V。当人体红外线未被检测到时,由于放大电路输出的电平比A3的6脚电平低,而比A4的2脚电平高,因此A3、A4输出皆为低电平,D1与D2均截止,电路与后续电路断开,无报警信号产生。当人体红外线被检测到时,若信号位于负半周,上、下限比较器输出电平恰相等,即7脚输出低电平,1脚输出高电平,D1截止,D2导通;若信号位于正半周,3脚电平高于2脚所加电平3.26V,比较电压下限比较器由1脚输出低电平,D2截止,而6脚电平低于5脚电平,上限比较器输出高电平,D1导通;D1或D2导通后输出的高电平使后续电路的三极管饱和导通,从而控制驱动电路工作。由上分析知,只要人体红外线被检测到,无论信号位于正或负半周,两比较器中必有一个输出为高电平,使D1或D2至少有一个导通,进而通过开关三极管控制后续电路工作。
4、驱动电路
由电路图4可知,比较器后的三极管,使整个电路处于可靠工作状态,输出电流大,能驱动执行电路工作,比较器输出高电平使三极管BG1导通,发光二极管发光,产生发光报警信号。
四、注意事项
在调试此电路时,电路所需要的电源电压为+15V,集成运算放大器正常工作需要+15V和-15V供电,因此调试时需要采用正负电源供电,且在调试是应注意防止热释电红外传感器损坏(因其内部有一结型场效应管组成,极易被击穿)。
电路的主要优点是体积小巧,安装方便,加之本身不发射红外光线,故除了被广泛用于楼道自动开关、防盗报警外,它在更多的领域应用前景看好,比如空调机、饮水机、洗手器、干手机或手扶电梯等;同时在使用此类报警开关时应注意:由于此类红外探头具有一定的视角,当只使用一只被动式红外报警电路的传感器时,会出现检测不到的死区,此时,可采取多只此类传感器以不同的角度安装并用的办法,使每只传感器的有效探测区域在边缘处重叠在一起,即可减小或消除检测死区。
电路的主要缺点是因其红外检测电路使用了高灵敏度的放大器,并且对任何变化的红外光线都很敏感,特别是当体积较大的动物在探测有效区域内活动时,同样会被探测器探测到,容易造成误报警,故其稳定性和可靠性有待提高。同时由于被动红外穿透力差,人体的红外辐射容易被遮挡,因此不易被探头接收。
参考文献
[1]陈国华.电子防盗报警器电路大全[M].北京:电子工业出版社,2000,(9):34~35.
[2]方佩敏.热释电红外检测器及其应用[J].无线电.人民邮电出版社,2000,(9):192-221,418-420.
[3]李耀辉“.傻瓜”人体感应模块.无线电.人民邮电出版,2001,(5):35~39.
[4]陈继述,胡燮荣,徐平茂编.红外探测器.北京:国防工业出版社,1986:57~60.
[5]Keller H.提高被动红外报警器的可靠性(上、下)[J].红外,2006,(4):8~12,36~38.
[6]王明桐.红外报警技术[J].红外,2008,(4):17~23.
[7]李伟,雷威.一种热释电红外传感器电路的改进.无线电.人民邮电出版,2004,(11):64~70.
户外被动红外探测器的设计 篇8
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, 尤其是在家居安全方面。现在很多小区都安装了智能报警系统, 因而大大提高了小区的安全程度, 有效保证了居民的人身财产安全。由于红外线是不可见光, 有很强的隐蔽性和保密性, 因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用。被动红外探测技术是一种应用比较广泛的探测系统, 这种系统是专门用来检测物体辐射红外线的方式进行工作的。本文所设计的被动式红外探测器采用了人体热释电红外传感器 (Pyroelectric Infrared Sensor, PIR) 作为信号捡取装置, 该电路本身不发出红外光线, 主要依靠自身的高灵敏度传感器和放大器接收周围微弱变化的红外光线, 它只对运动的发热体敏感, 如人体、体积较大的动物、有热源的物体等。这种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, 同时, 它还能鉴别出运动的生物与其它生物[1,6]。
二、系统结构框图的组成及工作原理
1、系统结构框图
下图1所示为典型的热释电被动红外探测器的结构框图。其中热释电红外传感器用来接收人体红外辐射信号, 并将其转变为电压信号, 放大器将传感器输出的微弱电压信号放大, 并由滤波电路将杂波滤掉, 放大后的电压输入电压比较器的同相端, 与反相端的基准电压 (阈值电压) 相比较, 当人体进入检测区时, 其放大后的信号电压大于阈值电压, 电压比较器输出高电平。当无人体进入检测区时或者环境温度有些变化时也产生电压信号, 但此电压信号较小, 虽也经放大, 其值小于阈值电压, 比较器输出仍为低电平。电压比较器输出的高低电平信号用于控制后续驱动电路有无报警信号输出。
电压比较器起到鉴别有无人体进入检测区的作用同时消除环境温度变化所产生的干扰, 温度补偿电路使输出稳定, 电压比较器输出的高电平经驱动电路输出, 输出电压大于3V。
2、人体感应模块原理框图
依照上述结构框图的思路并结合参考文献 (“傻瓜”人体感应模块) 设计出人体感应模块原理图如图2所示, 本文所介绍的被动式红外探测器正是基于此感应模块而开发出来的。
如图2所示, 当人体包括手、脚和头部进入镜片前面的感应区, 探头 (PIR) 将透过镜片聚焦的人体红外光谱转换成电信号, 送入IC1的10脚进行放大, 调RP1可改变感应距离, IC1内部对信号进行比较处理, 滤除杂波干扰信号, 将人体信号保值输出至11脚, 因此模块有很好的抗干扰性。调节RP2可改变工作延时, 以适合不同产品的需要, 在C9位置接入47μF的电容, 实现加电延时开机, 避免加电或断电后, 来电马上工作的现象, 在CDS位置装上光敏电阻, 可以作到白天不感应, 夜晚才感应。同样在CDS位置接上时间控制的常闭接点, 可以做到某时间段内有人体感应功能, 其它时间段没有感应功能。在C12位置上接入电容, 可以做到感应到人后延迟一会才工作。如果有人进入探测区, 人体红外线被PIR传感器探测到输出幅度约为1mv, 频率在3~7HZ的微弱信号, 此信号经一组高频滤波和阻抗匹配网络, 馈入控制电路输入端, 微弱信号有IC内部的一系列电路处理, 达到人体自动控制式防盗报警目的。
用户可在上述人体感应模块基础上外接器件开发出感应到人后便工作的智能化产品, 应用在许多与人有关的产品和设备上。
三、电路原理图设计及工作原理分析
被动红外探测器的特点是能够响应入侵者在所防范区域内移动时引起的红外辐射变化, 并能使监控报警开关产生报警信号, 从而完成报警功能。下图3所示为被动红外探测电路原理图, 其中IC选用人体热释电红外传感器 (P2288) , 透镜用菲涅尔透镜, A1、A2、A3、A4选用μA741型集成运算放大器, D1、D2、D3均选用4148型二极管, BG1选用9013型晶体三极管, LED选用发光二极管, 其它元件 (电阻、电容) 如电路图3所示。电路的探测角度为86°, 距离可达10m以上, 电源电压15V, 发光二极管用于报警触发指示。
1、红外线检测电路
此部分电路主要有热释电红外传感器 (PIR) 完成, 通常在热释电红外传感器之前加装菲涅尔透镜, 以增大探测距离。热释电传感器的探测距离只有1m左右, 而加上菲涅尔透镜后探测距离增大到10m以上。当有人进入有效探测区域时热释电传感器感应到人体辐射的红外线信号的变化并将其转变为电压信号, 进而送入后续放大电路进行放大。
2、高低通放大电路
由于PIR检测到人体红外线后产生的感应信号很微弱, 在电路图中设置有A1、A2两级放大电路, 且A1、A2也为高低通滤波放大电路, 以滤除电路中的杂波成份, 避免干扰, 另外电路中设置诸多旁路电容亦是为了抑制干扰, 避免误动作。按图示参数, 可计算得
合, 比较符合实际应用, 能保证电路可靠工作。
3、比较电路
为了能使后续电路对人体进入检测区后及时做出反应, 在电路图中设置有一上、下限比较电路。有静态电路可知R9、R10、R11将窗口电压上、下限分别设为:
即A3的6脚被偏置为9.13V, A4的2脚被偏值为3.26V。当人体红外线未被检测到时, 由于放大电路输出的电平比A3的6脚电平低, 而比A4的2脚电平高, 因此A3、A4输出皆为低电平, D1与D2均截止, 电路与后续电路断开, 无报警信号产生。当人体红外线被检测到时, 若信号位于负半周, 上、下限比较器输出电平恰相等, 即7脚输出低电平, 1脚输出高电平, D1截止, D2导通;若信号位于正半周, 3脚电平高于2脚所加电平3.26V, 比较电压下限比较器由1脚输出低电平, D2截止, 而6脚电平低于5脚电平, 上限比较器输出高电平, D1导通;D1或D2导通后输出的高电平使后续电路的三极管饱和导通, 从而控制驱动电路工作。由上分析知, 只要人体红外线被检测到, 无论信号位于正或负半周, 两比较器中必有一个输出为高电平, 使D1或D2至少有一个导通, 进而通过开关三极管控制后续电路工作。
4、驱动电路
由电路图4可知, 比较器后的三极管, 使整个电路处于可靠工作状态, 输出电流大, 能驱动执行电路工作, 比较器输出高电平使三极管BG1导通, 发光二极管发光, 产生发光报警信号。
四、注意事项
在调试此电路时, 电路所需要的电源电压为+15V, 集成运算放大器正常工作需要+15V和-15V供电, 因此调试时需要采用正负电源供电, 且在调试是应注意防止热释电红外传感器损坏 (因其内部有一结型场效应管组成, 极易被击穿) 。
电路的主要优点是体积小巧, 安装方便, 加之本身不发射红外光线, 故除了被广泛用于楼道自动开关、防盗报警外, 它在更多的领域应用前景看好, 比如空调机、饮水机、洗手器、干手机或手扶电梯等;同时在使用此类报警开关时应注意:由于此类红外探头具有一定的视角, 当只使用一只被动式红外报警电路的传感器时, 会出现检测不到的死区, 此时, 可采取多只此类传感器以不同的角度安装并用的办法, 使每只传感器的有效探测区域在边缘处重叠在一起, 即可减小或消除检测死区。
电路的主要缺点是因其红外检测电路使用了高灵敏度的放大器, 并且对任何变化的红外光线都很敏感, 特别是当体积较大的动物在探测有效区域内活动时, 同样会被探测器探测到, 容易造成误报警, 故其稳定性和可靠性有待提高。同时由于被动红外穿透力差, 人体的红外辐射容易被遮挡, 因此不易被探头接收。
参考文献
[1]陈国华.电子防盗报警器电路大全[M].北京:电子工业出版社, 2000, (9) :34~35.
[2]方佩敏.热释电红外检测器及其应用[J].无线电.人民邮电出版社, 2000, (9) :192-221, 418-420.
[3]李耀辉“.傻瓜”人体感应模块.无线电.人民邮电出版, 2001, (5) :35~39.
[4]陈继述, 胡燮荣, 徐平茂编.红外探测器.北京:国防工业出版社, 1986:57~60.
[5]Keller H.提高被动红外报警器的可靠性 (上、下) [J].红外, 2006, (4) :8~12, 36~38.
[6]王明桐.红外报警技术[J].红外, 2008, (4) :17~23.
[7]李伟, 雷威.一种热释电红外传感器电路的改进.无线电.人民邮电出版, 2004, (11) :64~70.
被动红外探测器的“十年破茧” 篇9
被动红外探测器在国内已经应用多年,众多厂家都对技术有较大关注,提出了“蓝波技术”、“双边浮动技术”、“全数字技术”等技术概念,但目前的技术大都仍集中在模拟电路和数字电路的结合,甚至很多还停留在模拟电路上。探测器的关键技术也只有个别厂家有一定的突破,如菲涅尔透镜设计、温度补偿、抗白光、防宠物等,而这些技术在部分国家已经有了很好的应用。
2 被动红外探测器技术要点
2.1 被动红外探测器主要部件
被动红外探测器的主要部件主要有热释电传感器(如图1所示)、菲涅尔透镜等。
2.2 不同波段光线的透射情况
不同波段光线的透射情况如图2所示。
2.3 人体波长计算
黑体辐射的维恩位移定律:
式中T为绝对温度;λ为最大单色辐射度所对应的波长,一般为峰值波长;b为常量,其值为2.897×10-3mK。
利用这一公式可以计算人体辐射光谱的峰值波长,计人体表面温度为36℃,则:
2.4 被动红外探测器的基本工作流程
被动红外探测器的基本工作流程如图3所示。
2.5 在被动红外探测器上应用的微波技术
微波是指频率在300MHz~300GHz的电磁波, 目前很多的双鉴红外探测器都应用平面微波, 也就是应用多普勒效应 (即平面微带传感器模块, 如图4所示) , 频率多在X波段, 如10.525GHz。多普勒雷达在发射微波信号的同时接受反射波信号, 并将两者相混差频产生一个新的低频信号, 即多普勒信号, 其频率称为多普勒频率, 是发射频率和反射频率之差。
如果目标移动速度不超过100km/h,多普勒频率的变化范围是0~5000Hz。
式中,λt为发射波微波波长,λr为反射波微波波长。
微波技术应用于被动红外探测器的优势如下:
◆配合红外探测可起到复合探测,也就是通常所说的双鉴的作用,可以有效减少误报;
◆微波是一种高频电磁波,不受环境温度变化影响,可以弥补红外探测技术探测距离受温度影响的缺陷;
◆不易受恶意破坏,以及探测器被遮挡、被油漆等物质喷涂的影响。
微波技术应用于被动红外探测器的劣势如下:
◆X波段的微波波长比较长,很容易穿透墙壁及窗户等物体,如果灵敏度调节不合适,很容易探测到室外的移动物体,从而产生误报警;
◆微波的辐射有一定的区域(如图5所示),在安装调试时要注意灵敏度的调节;
◆容易受空气湿度的影响。
带有微波的探测器通常价格要贵一些,稳定性也更好一些,通常使用在银行、基站、博物馆、大型仓库等重要及环境变化比较大的场所。
2.6 在被动红外探测器上应用的防遮挡及防喷涂技术
目前的被动红外探测器,其所应用的防遮挡技术基本都是基于红外光的反射原理,红外光的波长大约都在900nm左右。红外发射管按照一定的规律发射红外光,当遇到遮挡物体时,红外光被反射回来,被接收管接收到,然后由微处理器加以处理。这种是比较传统的方式,价格比较低廉,但是防遮挡距离比较短。
防遮挡及防喷涂技术应用于被动红外探测器的优势如下:
◆能够防止探测器因受到恶意破坏,或被障碍物遮挡住而探测不到目标;
◆可以配合自动学习功能使探测器能够安装在更多的地方,如狭小的地方、有遮挡物(如墙壁,柱子等)的地方。
防遮挡及防喷涂技术应用于被动红外探测器的劣势如下:
◆防遮挡的距离比较短,一般都是十几或几十厘米;
◆会在一定程度上影响产品外观。
这类探测器主要应用在一些通道、车站等人流比较大的场所,以及博物馆等非常重要的场所,主要作用是防止专业人员的恶意破坏。
2.7 在被动红外探测器上应用的其他技术
在被动红外探测器上应用的其他技术如下:
◆数字温度补偿技术;
◆数字防宠物技术;
◆数字抗白光技术;
◆一步探测技术。
3 目前使用过程中遇到的问题及解决办法
被动红外探测器是防盗报警系统最前端的产品,其性能稳定与否将直接关系到整个防盗报警系统能否正常运行。在使用过程中,误报和漏报一直困扰着防盗报警产品,因此抗干扰能力也是衡量产品稳定可靠性的重要标准之一。
下面就对几个产品使用过程中的常见问题加以分析。
3.1 误报
某地报警中心对306个用户报警系统观察了三个月,统计情况如表1所示。
由表中可以归纳出,误报警主要是报警系统本身质量、方案设计、环境因素及用户使用不当四个方面的问题造成的。
3.1.1 报警系统产品的可靠性差造成的误报警
由于我国安防产业起步较晚,基础薄弱,很多厂家的产品质量还达不到标准化的要求,因此存在很多由于产品质量可靠性差造成的误报警现象,具体可分为以下几种:
◆探测器性能失效,元器件参数漂移,因而造成误报;
◆由于受元器件、原材料的影响,探测器鉴别能力差,造成误报;
◆因无线通信受到干扰而产生乱码,造成误报;
◆双鉴、三鉴等有人工智能复合功能的产品,在报警信号的分析处理上存在很大的技术缺陷,即使是目前在产品中应用最广泛的MPEG-Ⅱ动态分析处理技术,也只能在固定的振幅、极性、周期上保证准确性,如果电压突变就会产生误报,而FSP处理技术也只是对特别大的信号跳过,对于在规定范围内正常情况下出现的信号也会产生误报。
3.1.2 报警系统设计方案不合理引起误报
报警系统设计方案不合理引起误报又可分为以下几种情况:
◆设计方案本身存在问题引起误报;
◆设备选择不当引起误报;
◆安装不当引起误报;
◆保护措施及系统布线的问题引起误报。
3.1.3 环境因素引起误报
可能引起误报的环境因素包括:
◆气温突然变化;
◆大气热交换(尤其是在傍晚时分);
◆湿度变化;
◆一定的风速。
3.1.4 使用不当引起误报
美国打击犯罪报警工业委员会(AICCC)对15万个报警系统观察了30天,发现由于用户原因造成误报警的次数占误报警总次数的44.4%,各种原因所占比重如表2所示。
由于误报会给使用者带来诸多不便,因此众多厂家都将解决或减少误报作为关注点之一,采取的措施也是多种多样,主要有以下几点:
◆提高产品品质,严格遵守国家法律法规及行业标准;
◆提供产品的人性化设计及稳定性保证;
◆提高产品的抗干扰能力;
◆利用多种方式复合探测。
3.2 漏报
漏报主要有以下几个原因:
◆安装高度或位置不对;
◆夏天使用时,因为周围环境的温度较高,探测器灵敏度有所下降;
◆人在探测区域内的移动方式也可能影响探测器的灵敏度(如图6所示,在人横穿探测器的探测区域时,被动红外探测器灵敏度最高),造成漏报;
◆探测器前盖上的菲涅耳透镜上有灰尘。
3.3 抗干扰能力
抗干扰能力也是体现探测器性能稳定程度的重要指标之一,主要表现为对高频电磁波干扰的抵御能力。随着电子行业的发展,空间电磁波的辐射越来越多,各种行业的标准也随之不断提高,如欧洲的CE磁场辐射由原来的1GHz 10V/m提高到了2GHz 10V/m,国内的相关标准也在逐渐提高。
4 未来技术走向
防盗报警产品经过多年的发展已步入成熟期,经过长期的积淀,产品外观的小型化及精致化已不能满足用户的需要,多数用户对产品功能的多样化及性能的稳定和可靠更加关注,这对技术提出了更多的挑战。笔者认为,未来被动红外探测器的技术将呈现出集成化、数字化、无线化、探测方式复合化的发展趋势。
(1)集成化
集成是安防系统的一个大的发展方向。防盗报警系统与安防类其他子系统,如视频监控、门禁等子系统进行集成早已不是新鲜事;而近年来,由于其逐步使用在住宅小区,因此也开始与智能家居系统进行结合。但是,这些仅是最简单、最基础的整合,并不是真正意义上的集成。如现阶段防盗报警与视频监控的联动,仅是通过基础性硬件将前端探测器的输出接口与视频监控的报警联动输入接口连接起来,当出现异常情况时,通过预先设定的联动方式执行视频报警联动(实现图像召回、硬盘录像),系统间没有或还无法形成真正的信息随意交互。
(2)数字化
被动红外探测器的全数字化是国内众多厂家追求的目标之一。数字与模拟电路结合的传统技术将逐渐被取代,全数字化的被动红外探测器不仅性能稳定、可靠,更重要的是电路和生产工艺简单,便于自动化作业,产品外观也更加小巧、精致,且由于电路简单,相应的抗RFI/EMI的能力更加强。
(3)无线化
被动红外探测器的无线化也逐渐成为一种趋势。无线化的产品除了能够满足室内装潢的需求外,更重要的是安装方便,施工成本低。
(4)探测方式复合化
笔者认为,探测方式复合化也将成为未来的一个技术趋势。目前市场上较多采用的红外、微波复合探测,未来可能会有更多的方式,如超声波、激光、图像、电子标签等多种复合探测方式。实际上已经有很多厂家在研究这些方式。
总体而言,未来防盗报警产品的发展趋势是:产品技术将在集成化、数字化、无线化、探测方式复合化的前提下力求突破;而市场应用将朝更细化的方向前进——针对不同市场,推出不同产品。
5 结束语
光引信中红外探测器的测试 篇10
激光引信主要由发射机组件和接收机组件所构成,文献[1]对引信原理和发射机组件的参数测试做了详尽的分析,本文中主要分析接收机组件即红外探测器各项参数的测试。依据GB/T13584-92文件标准,研制了比较全面测试红外探测器参数的测试系统[2]。
1测试系统
1.1灵敏度测试
选用双光路比较法作为方案,原理图如图1所示[3]。
激光器输出的脉冲经过准直整形和适当衰减后,由一块半透半反的分束器,将光束分成两路,分别照射在标准探测器和待测探测器上,由示波器同时获得两探测器的响应输出,通过GPIB接口接到计算机,通过计算,即可获得被测探测的相对灵敏度。这种办法的优点在于:不需要运动部件,测量的同步性好,对光源的稳定度要求不高。但是必须考虑到中心波长的漂移对分光输出的两路光辐照度比值的影响,以及长波长时信号的减弱,必须想办法消除外界杂散光的干扰(可以在标准探测器前加上与待测探测器一样的窄带滤光片)。探测器光谱响应灵敏度按照以下公式计算:
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其中,IP(λ)和IC(λ)分别表示被测探测器和标准探测器的输出光电流;RC(λ)表示标准探测器的电流响应灵敏度(单位为:A/W)。
对于光源部分,需要加上峰值能量监控系统,在整个测试过程中监控激光光源能量的变化,保证激光光源功率的稳定。整个分光光学系统包括有准直整形系统、分光器件、衰减片等组成。整个系统将激光束分成形状大小一致,光能量相同的两束光束。分束后的光束直径约为1mm左右,能量满足检测需要。
1.2响应时间测试
对于引信光学系统中使用的响应时间较快的这类红外探测器,利用脉冲响应法,原理框图如图2所示[4]。
我们采用300MHz带宽,采样速率2.5GS/S的示波器,能够精确测量纳秒(ns)级前沿的脉冲波。测量时,标准的红外激光光源输出高能光脉冲,经过衰减后,形成微弱的光信号,垂直入射到待测的光电探测器上,探测器的输出电信号经过低噪声前置放大器的放大后,一路在示波器上进行实时显示和调整观察,从而得到探测响应时间,主用带有GPIB接口卡的数字示波器,与计算机相连,可实现实时观察和检测,显示信号波形和测试数据。
1.3视场角测试
当入射光垂直入射到探测器上时,对应输出电压达到峰值。如果入射光相对于探测器光轴有偏转,那么探测器的输出电压就会下降。探测器的输出功率下降到原来峰值功率的一半时,此时对应的入射光与探测器光轴之间的夹角的2倍,定义为探测器光学组件接收视场角。
一般的系统设计时,考虑像面照度均匀性要求,视场轴外照度E′和视场中心照度E的比值为:
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在系统设计中要求视场边缘与中心照度的偏差小于2%,则w小于5°即2w小于10°。
利用标准激光光源输出的脉冲信号,经过衰减后正入射到光电探测器,记录下峰值功率。利用电脑监控电机,带动被测产品旋转,同时将被测的探测器接受到的信号强度反馈给计算机,当向两个方向旋转均达到半功率点的时候,记录下这两点之间旋转过的夹角,就近似的等于探测器光学组件的视场角。
1.4静态噪声测试
本系统中测试的红外探测器就是把探测器与前置放大器以及射随电路合为一个器件,而测试所需的静态噪声为这个器件的整体噪声。测试方法是,利用工控机控制平移电机将光学引信接收组件平移到光源直射不到的位置,使光学引信接收组件的电路正常工作,在输出端使用示波器测得光学引信接收组件的输出电压值,通过GPIB卡采集数据传输到工控机,用软件优化处理数据以及显示数据和图形在界面上[5]。
2测试结果
在环境温度23℃~25℃,湿度70%下,激光器正常开机工作半小时后进行测试工作,测试引信的三个窗口数据,其中每个窗口重复测试5次,由此计算得出测试的重复精度。测试结果如图3所示。由图3可见该测试的所有参数重复精度都小于5%,满足设计要求。
摘要:根据GB/T13584-92文件标准,研究了激光引信红外探测器的参数测试系统,分别对灵敏度、响应时间、视场角、静态噪音等参数进行了测试。结果表明,该系统具有较高的测试精度和重复精度,能满足生产线上的要求。
关键词:灵敏度,响应时间,视场角,静态噪音
参考文献
[1]黄代政,陈海清,杨国元,等.激光引信中发射机光学组件的测试研究[J].激光与红外,2006,36(1):32-34.
[2]中华人民共和国国家标准GB/T13584-92.红外探测器参数测试方法[S].
[3]林敏,叶关荣.探测器光谱灵敏度的计算机测试系统[J].计量与测试,1990(3):33-39.
[4]顾维新.红外探测器光谱响应测试系统[J].红外学报,2002(10):51-57.