淺談紅外探測(cè)與控制技術(shù)及其實(shí)際應(yīng)用

宋碩　陳少白

摘要：紅外探測(cè)與控制技術(shù)已應(yīng)用到生產(chǎn)的各個(gè)行業(yè)和人們?nèi)粘Ｉ畹脑S多方面。該文詳細(xì)論述了紅外探測(cè)與控制的基本原理以及影響紅外線檢測(cè)的主要因素，并列舉了它們?cè)陧?xiàng)目中的實(shí)際應(yīng)用以及常用的一些紅外探測(cè)儀器和設(shè)備。最后介紹了一個(gè)紅外探測(cè)與控制的應(yīng)用實(shí)例。

關(guān)鍵詞：紅外光波譜； 紅外探測(cè)與控制； 檢測(cè)項(xiàng)目； 紅外探測(cè)儀器

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）36-8814-02

隨著信息技術(shù)的普及和發(fā)展，尤其是跨入2000年后，紅外技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。紅外探測(cè)/控制技術(shù)已滲透到生產(chǎn)的各個(gè)行業(yè)和日常生活的各個(gè)方面。首先我們來了解一下紅外探測(cè)/控制的基本原理，然后我們談?wù)劶t外探測(cè)/控制在實(shí)際中的應(yīng)用實(shí)例。

1 紅外探測(cè)與控制的基本原理

1.1 紅外輻射以及近紅外光波譜

在《紅外輻射、紅外期間與典型應(yīng)用》[1]中，對(duì)紅外輻射的本質(zhì)、基本規(guī)律以及傳輸性進(jìn)行了全面論述。紅外輻射也被稱為紅外線或紅外光，是一種電磁波。紅外光譜又稱分子振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)光譜，屬分子吸收光譜。樣品受到頻率連續(xù)變化的紅外光照射時(shí)分子吸收其中一些頻率的輻射使振轉(zhuǎn)能級(jí)從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)相應(yīng)于這些區(qū)域的透射光強(qiáng)減弱記錄百分透過率T%對(duì)波數(shù)或波長(zhǎng)的曲線。

為何要將紅外探測(cè)/遙控的光源選擇采用近紅外光，主要理由如下：

光電二極管、光敏三極管大都采用硅（Si）半導(dǎo)體材料一般用于制作接收器件，它的接收峰值波長(zhǎng)為780～1550nm，即管子對(duì)波長(zhǎng)為780～1550nm的紅外光的探測(cè)靈敏度最高。

采用GaAs、AlGaInAsP等半導(dǎo)體材料制作的紅外發(fā)光二極管（英文縮寫為IRED），作為紅外光發(fā)射器件。它的發(fā)射波長(zhǎng)是880～1700nm，由于它與硅（Si）光電接受器件（包括發(fā)光二極管、光敏三極管）的響應(yīng)波長(zhǎng)相匹配，所以能使探測(cè)靈敏度和工作效率提高。

1.2 紅外光接收系統(tǒng)及紅外發(fā)射方式的基本組成[2]

得到紅外發(fā)光二級(jí)管的近紅外光是相當(dāng)方便的。紅外線發(fā)光二極管是由PN結(jié)構(gòu)成的注入電流型發(fā)光元件，以及加上一定的正向偏置電壓，就可以得到特定波長(zhǎng)的近紅外光。另外，除了電流驅(qū)動(dòng)方式外，紅外線發(fā)光二極管還有交流電流驅(qū)動(dòng)和脈動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)兩種方式等。在紅外測(cè)量、檢測(cè)及較簡(jiǎn)單的紅外光通信等電路中主要采用交流電流驅(qū)動(dòng)方式。調(diào)制頻率、調(diào)制帶寬是紅外光通信（包括紅外激光通信）的重要通訊指標(biāo)。對(duì)紅外發(fā)光二極管圖（a）恒定直流驅(qū)動(dòng)，即平均發(fā)射方式，在紅外探測(cè)/遙控系統(tǒng)中一般不采用，一般會(huì)采用脈動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)，即脈沖式紅外光發(fā)射方式。如圖（b）所示。

圖1

使用直流供電電源直接驅(qū)動(dòng)的發(fā)光二極管，所得到恒定的紅外光，即平均發(fā)射方式。此紅外發(fā)光二極管的功率一般較?。ù蠖夹∮?00mW），而這種方式的功耗又比較大，并且它的抗干擾能力比較差。所以在紅外探測(cè)/遙控系統(tǒng)中一般不采用。

那么為了提高紅外探測(cè)/遙控系統(tǒng)的使用距離，并且又不能讓紅外發(fā)射管過載呢？

在紅外探測(cè)/遙控系統(tǒng)中，會(huì)采用調(diào)制載波脈沖發(fā)射或者脈沖發(fā)射方式。

調(diào)制載波脈沖發(fā)射或者脈沖發(fā)射方式，可以提高系統(tǒng)的有效使用距離，可以減小紅外發(fā)射管的平均功率，并且對(duì)紅外探測(cè)或遙控系統(tǒng)的抗干擾能力有了大大的提高。

圖（a）所示為紅外光發(fā)射電路，編碼波形產(chǎn)生器發(fā)出脈沖信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大器放大后，再去驅(qū)動(dòng)紅外光二極管，使其產(chǎn)生并發(fā)出發(fā)射出一系列的等幅紅外光脈沖信號(hào)。脈沖編碼信號(hào)的發(fā)射可提高發(fā)射效率，并有效的降低功耗。

圖（b）所示為紅外接收電路，光電探測(cè)器（紅外光二極管或光敏三極管）用來接收紅外脈沖信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)。當(dāng)接收光電管在沒有紅外信號(hào)被收到時(shí)，光電管中流過的電流只有很小的“暗電流”，無電脈沖信號(hào)輸出；當(dāng)有紅外光脈沖信號(hào)被接收到時(shí)，光電管內(nèi)阻急劇下降，電流增大，并在負(fù)載電阻上得到相應(yīng)的電脈沖信號(hào)，再將得到的電信號(hào)由高增益電壓放大器放大，經(jīng)過整流濾波電路，得到輸出為正極性脈沖信號(hào)，通過觸發(fā)電路（如雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器），使觸發(fā)器可靠動(dòng)作，并可得到規(guī)范的控制信號(hào)，能使執(zhí)行器件動(dòng)作。執(zhí)行器件可以是繼電器、音響電路或可控硅件等其他器件。

2 紅外線檢測(cè)關(guān)鍵要素

紅外檢測(cè)的距離影響：當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)應(yīng)加長(zhǎng)焦鏡頭， 加上7度和1 2度鏡頭后基本上能夠滿足要求。根據(jù)實(shí)際使用， l2度鏡頭有效距離大約在20-30m，7度鏡頭有效距離大約控制在40m內(nèi)來使用。

紅外檢測(cè)的天氣影響：使用熱成像技術(shù)測(cè)試應(yīng)盡量避免較嚴(yán)重的雨、雪、霧等天氣。儀器選用時(shí)應(yīng)有大氣條件的修正模式，要將大氣中的，溫度和相對(duì)濕度、測(cè)量距離等參數(shù)，補(bǔ)償?shù)絻x器中進(jìn)行修正。

紅外檢測(cè)受被測(cè)物體材料反射率的影響：在實(shí)際測(cè)量中必須設(shè)置不同被測(cè)物體的反射率。（可參考下列數(shù)值選取：金屬導(dǎo)線及金屬連接選0.9，帶漆部位金屬類選0.94，瓷套類選0.92）。將這個(gè)參數(shù)考慮到檢測(cè)中，盡量減少誤差。

3 紅外探測(cè)與控制的實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目

紅外探測(cè)與控制技術(shù)目前在很多方面都有應(yīng)用，主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：

1） 絕緣子的檢測(cè)應(yīng)用

絕緣子的內(nèi)部缺陷檢測(cè)缺乏手段，曾發(fā)生多起接頭脆斷、過熱及絕緣子閃落故障，結(jié)果造成導(dǎo)線掉線。復(fù)合絕緣子出現(xiàn)內(nèi)部缺陷后，一般都出現(xiàn)了由于局部放電，造成該部位溫度升高，紅外線檢測(cè)技術(shù)能夠及時(shí)準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)該類型缺陷[2]。

《架空送電線路運(yùn)行規(guī)程》規(guī)定，懸式絕緣子[4]絕緣電阻小于5OOMΩ為劣質(zhì)絕緣子，當(dāng)劣質(zhì)絕緣子為低絕緣電阻值時(shí)，它的發(fā)熱大干正常絕緣子的發(fā)熱功率，其溫度升高程度比正常絕緣子高，這樣利用紅外檢測(cè)，熱檢測(cè)技術(shù)就可以有效的分辨出偽劣了。

2） 紅外線檢測(cè)裝置在石灰礦倉(cāng)自動(dòng)除塵控制中的應(yīng)用

選礦廠在石灰礦倉(cāng)的除塵控制和碎礦廠房中的除塵控制方式兩種不同。除塵設(shè)備的開?？捎袃煞N控制方式：一、由操作人員根據(jù)主設(shè)備的使用情況，人為控制除塵設(shè)備的啟停；二、除塵設(shè)備隨主設(shè)備一起啟停。在石灰礦倉(cāng)的除塵控制中，控制要求是不同的，只有在運(yùn)送石灰的車輛進(jìn)行傾卸石灰的操作間時(shí)，才需要開除塵設(shè)備[4]。利用紅外探測(cè)技術(shù)，檢測(cè)車輛是否進(jìn)入傾卸，來控制除塵設(shè)備啟停。

4 紅外探測(cè)與控制實(shí)際應(yīng)用實(shí)例

下面我們就介紹一下紅外線檢測(cè)裝置在石灰礦倉(cāng)自動(dòng)除塵控制中的應(yīng)用[5]：

選礦廠在石灰礦倉(cāng)的除塵控制和碎礦廠房中的除塵控制方式兩種不同。除塵設(shè)備的開?？捎袃煞N控制方式：一、由操作人員根據(jù)主設(shè)備的使用情況，人為控制除塵設(shè)備的啟停；二、除塵設(shè)備隨主設(shè)備一起啟停。在石灰礦倉(cāng)的除塵控制中，控制要求是不同的，只有在運(yùn)送石灰的車輛進(jìn)行傾卸石灰的操作間時(shí)，才需要開除塵設(shè)備[4]。利用紅外探測(cè)技術(shù)，檢測(cè)車輛是否進(jìn)入傾卸，來控制除塵設(shè)備啟停。

控制系統(tǒng)原理如下：

提高檢測(cè)裝置的抗干擾性能，是使用紅外線作為檢測(cè)手段的關(guān)鍵問題。因此，我們?cè)诎l(fā)送端采用脈沖編碼，發(fā)送紅外信號(hào)。當(dāng)接收端接收到紅外信號(hào)后，再對(duì)其解碼放大[6]。解碼放大后的信號(hào)送入邏輯識(shí)別與控制電路判定，若信號(hào)符合規(guī)定的設(shè)定則輸出控制信號(hào)至輸出驅(qū)動(dòng)電路，控制除塵設(shè)備的啟停。原理框圖見圖3。

圖3 控制系統(tǒng)原理框圈

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳永哺.紅外輻射、紅外期間與典型應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社，2004.

[2] 陳曉華.淺談紅外檢測(cè)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].無線互聯(lián)科技，2012（03）：34-35.

[3] 劉濤，劉占功，李濤，等.外線檢測(cè)車遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J].鐵道車輛，2007，45（3）.

[4] 游金泉，熊家威，李新全.紅外線檢測(cè)車動(dòng)態(tài)檢測(cè)對(duì)紅外線軸溫探測(cè)起到的作用，2000.

[5] HAN Liqun.BI Siwen.SONG Shixin A study on correlativity between Qinghai-Tibet Plateau thermal infrared remote sensing data and underground temperature，中國(guó)科學(xué)E輯（英文版） ，2006，49（z2）.

[6] BI Siwen.YAN Hao.WANG Changyao Study on thermal infrared remote sensing of Yarlung Zangbo River and Bangong Co-Nujiang River suture belt in Qinghai-Tibet Plateau，中國(guó)科學(xué)E輯（英文版）2006，49（z2）.

2） 紅外線檢測(cè)裝置在石灰礦倉(cāng)自動(dòng)除塵控制中的應(yīng)用

選礦廠在石灰礦倉(cāng)的除塵控制和碎礦廠房中的除塵控制方式兩種不同。除塵設(shè)備的開停可有兩種控制方式：一、由操作人員根據(jù)主設(shè)備的使用情況，人為控制除塵設(shè)備的啟停；二、除塵設(shè)備隨主設(shè)備一起啟停。在石灰礦倉(cāng)的除塵控制中，控制要求是不同的，只有在運(yùn)送石灰的車輛進(jìn)行傾卸石灰的操作間時(shí)，才需要開除塵設(shè)備[4]。利用紅外探測(cè)技術(shù)，檢測(cè)車輛是否進(jìn)入傾卸，來控制除塵設(shè)備啟停。

4 紅外探測(cè)與控制實(shí)際應(yīng)用實(shí)例

下面我們就介紹一下紅外線檢測(cè)裝置在石灰礦倉(cāng)自動(dòng)除塵控制中的應(yīng)用[5]：

選礦廠在石灰礦倉(cāng)的除塵控制和碎礦廠房中的除塵控制方式兩種不同。除塵設(shè)備的開?？捎袃煞N控制方式：一、由操作人員根據(jù)主設(shè)備的使用情況，人為控制除塵設(shè)備的啟停；二、除塵設(shè)備隨主設(shè)備一起啟停。在石灰礦倉(cāng)的除塵控制中，控制要求是不同的，只有在運(yùn)送石灰的車輛進(jìn)行傾卸石灰的操作間時(shí)，才需要開除塵設(shè)備[4]。利用紅外探測(cè)技術(shù)，檢測(cè)車輛是否進(jìn)入傾卸，來控制除塵設(shè)備啟停。

控制系統(tǒng)原理如下：

提高檢測(cè)裝置的抗干擾性能，是使用紅外線作為檢測(cè)手段的關(guān)鍵問題。因此，我們?cè)诎l(fā)送端采用脈沖編碼，發(fā)送紅外信號(hào)。當(dāng)接收端接收到紅外信號(hào)后，再對(duì)其解碼放大[6]。解碼放大后的信號(hào)送入邏輯識(shí)別與控制電路判定，若信號(hào)符合規(guī)定的設(shè)定則輸出控制信號(hào)至輸出驅(qū)動(dòng)電路，控制除塵設(shè)備的啟停。原理框圖見圖3。

圖3 控制系統(tǒng)原理框圈

參考文獻(xiàn)：

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[5] HAN Liqun.BI Siwen.SONG Shixin A study on correlativity between Qinghai-Tibet Plateau thermal infrared remote sensing data and underground temperature，中國(guó)科學(xué)E輯（英文版） ，2006，49（z2）.

[6] BI Siwen.YAN Hao.WANG Changyao Study on thermal infrared remote sensing of Yarlung Zangbo River and Bangong Co-Nujiang River suture belt in Qinghai-Tibet Plateau，中國(guó)科學(xué)E輯（英文版）2006，49（z2）.

2） 紅外線檢測(cè)裝置在石灰礦倉(cāng)自動(dòng)除塵控制中的應(yīng)用

選礦廠在石灰礦倉(cāng)的除塵控制和碎礦廠房中的除塵控制方式兩種不同。除塵設(shè)備的開?？捎袃煞N控制方式：一、由操作人員根據(jù)主設(shè)備的使用情況，人為控制除塵設(shè)備的啟停；二、除塵設(shè)備隨主設(shè)備一起啟停。在石灰礦倉(cāng)的除塵控制中，控制要求是不同的，只有在運(yùn)送石灰的車輛進(jìn)行傾卸石灰的操作間時(shí)，才需要開除塵設(shè)備[4]。利用紅外探測(cè)技術(shù)，檢測(cè)車輛是否進(jìn)入傾卸，來控制除塵設(shè)備啟停。

4 紅外探測(cè)與控制實(shí)際應(yīng)用實(shí)例

下面我們就介紹一下紅外線檢測(cè)裝置在石灰礦倉(cāng)自動(dòng)除塵控制中的應(yīng)用[5]：

選礦廠在石灰礦倉(cāng)的除塵控制和碎礦廠房中的除塵控制方式兩種不同。除塵設(shè)備的開停可有兩種控制方式：一、由操作人員根據(jù)主設(shè)備的使用情況，人為控制除塵設(shè)備的啟停；二、除塵設(shè)備隨主設(shè)備一起啟停。在石灰礦倉(cāng)的除塵控制中，控制要求是不同的，只有在運(yùn)送石灰的車輛進(jìn)行傾卸石灰的操作間時(shí)，才需要開除塵設(shè)備[4]。利用紅外探測(cè)技術(shù)，檢測(cè)車輛是否進(jìn)入傾卸，來控制除塵設(shè)備啟停。

控制系統(tǒng)原理如下：

提高檢測(cè)裝置的抗干擾性能，是使用紅外線作為檢測(cè)手段的關(guān)鍵問題。因此，我們?cè)诎l(fā)送端采用脈沖編碼，發(fā)送紅外信號(hào)。當(dāng)接收端接收到紅外信號(hào)后，再對(duì)其解碼放大[6]。解碼放大后的信號(hào)送入邏輯識(shí)別與控制電路判定，若信號(hào)符合規(guī)定的設(shè)定則輸出控制信號(hào)至輸出驅(qū)動(dòng)電路，控制除塵設(shè)備的啟停。原理框圖見圖3。

圖3 控制系統(tǒng)原理框圈

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳永哺.紅外輻射、紅外期間與典型應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社，2004.

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[3] 劉濤，劉占功，李濤，等.外線檢測(cè)車遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J].鐵道車輛，2007，45（3）.

[4] 游金泉，熊家威，李新全.紅外線檢測(cè)車動(dòng)態(tài)檢測(cè)對(duì)紅外線軸溫探測(cè)起到的作用，2000.

[5] HAN Liqun.BI Siwen.SONG Shixin A study on correlativity between Qinghai-Tibet Plateau thermal infrared remote sensing data and underground temperature，中國(guó)科學(xué)E輯（英文版） ，2006，49（z2）.

[6] BI Siwen.YAN Hao.WANG Changyao Study on thermal infrared remote sensing of Yarlung Zangbo River and Bangong Co-Nujiang River suture belt in Qinghai-Tibet Plateau，中國(guó)科學(xué)E輯（英文版）2006，49（z2）.