浅谈红外探测与控制技术及其实际应用

摘要：红外探测与控制技术已应用到生产的各个行业和人们日常生活的许多方面。该文详细论述了红外探测与控制的基本原理以及影响红外线检测的主要因素，并列举了它们在项目中的实际应用以及常用的一些红外探测仪器和设备。最后介绍了一个红外探测与控制的应用实例。

关键词：红外光波谱； 红外探测与控制； 检测项目； 红外探测仪器

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）36-8814-02

随着信息技术的普及和发展，尤其是跨入2000年后，红外技术得到了突飞猛进的发展。红外探测/控制技术已渗透到生产的各个行业和日常生活的各个方面。首先我们来了解一下红外探测/控制的基本原理，然后我们谈谈红外探测/控制在实际中的应用实例。

1 红外探测与控制的基本原理

1.1 红外辐射以及近红外光波谱

在《红外辐射、红外期间与典型应用》[1]中，对红外辐射的本质、基本规律以及传输性进行了全面论述。红外辐射也被称为红外线或红外光，是一种电磁波。红外光谱又称分子振动转动光谱，属分子吸收光谱。样品受到频率连续变化的红外光照射时分子吸收其中一些频率的辐射使振转能级从基态跃迁到激发态相应于这些区域的透射光强减弱记录百分透过率T%对波数或波长的曲线。

为何要将红外探测/遥控的光源选择采用近红外光，主要理由如下：

光电二极管、光敏三极管大都采用硅（Si）半导体材料一般用于制作接收器件，它的接收峰值波长为780～1550nm，即管子对波长为780～1550nm的红外光的探测灵敏度最高。

采用GaAs、AlGaInAsP等半导体材料制作的红外发光二极管（英文缩写为IRED），作为红外光发射器件。它的发射波长是880～1700nm，由于它与硅（Si）光电接受器件（包括发光二极管、光敏三极管）的响应波长相匹配，所以能使探测灵敏度和工作效率提高。

1.2 红外光接收系统及红外发射方式的基本组成[2]

得到红外发光二级管的近红外光是相当方便的。红外线发光二极管是由PN结构成的注入电流型发光元件，以及加上一定的正向偏置电压，就可以得到特定波长的近红外光。另外，除了电流驱动方式外，红外线发光二极管还有交流电流驱动和脉动电流驱动两种方式等。在红外测量、检测及较简单的红外光通信等电路中主要采用交流电流驱动方式。调制频率、调制带宽是红外光通信（包括红外激光通信）的重要通讯指标。对红外发光二极管图（a）恒定直流驱动，即平均发射方式，在红外探测/遥控系统中一般不采用，一般会采用脉动电流驱动，即脉冲式红外光发射方式。如图（b）所示。

图1

使用直流供电电源直接驱动的发光二极管，所得到恒定的红外光，即平均发射方式。此红外发光二极管的功率一般较小（大都小于100mW），而这种方式的功耗又比较大，并且它的抗干扰能力比较差。所以在红外探测/遥控系统中一般不采用。

那么为了提高红外探测/遥控系统的使用距离，并且又不能让红外发射管过载呢？

在红外探测/遥控系统中，会采用调制载波脉冲发射或者脉冲发射方式。

调制载波脉冲发射或者脉冲发射方式，可以提高系统的有效使用距离，可以减小红外发射管的平均功率，并且对红外探测或遥控系统的抗干扰能力有了大大的提高。

图（a）所示为红外光发射电路，编码波形产生器发出脉冲信号，经驱动放大器放大后，再去驱动红外光二极管，使其产生并发出发射出一系列的等幅红外光脉冲信号。脉冲编码信号的发射可提高发射效率，并有效的降低功耗。

图（b）所示为红外接收电路，光电探测器（红外光二极管或光敏三极管）用来接收红外脉冲信号，并将其转换为相应的电信号。当接收光电管在没有红外信号被收到时，光电管中流过的电流只有很小的“暗电流”，无电脉冲信号输出；当有红外光脉冲信号被接收到时，光电管内阻急剧下降，电流增大，并在负载电阻上得到相应的电脉冲信号，再将得到的电信号由高增益电压放大器放大，经过整流滤波电路，得到输出为正极性脉冲信号，通过触发电路（如双稳态触发器），使触发器可靠动作，并可得到规范的控制信号，能使执行器件动作。执行器件可以是继电器、音响电路或可控硅件等其他器件。

2 红外线检测关键要素

红外检测的距离影响：当距离较远时应加长焦镜头， 加上7度和1 2度镜头后基本上能够满足要求。根据实际使用， l2度镜头有效距离大约在20-30m，7度镜头有效距离大约控制在40m内来使用。

红外检测的天气影响：使用热成像技术测试应尽量避免较严重的雨、雪、雾等天气。仪器选用时应有大气条件的修正模式，要将大气中的，温度和相对湿度、测量距离等参数，补偿到仪器中进行修正。

红外检测受被测物体材料反射率的影响：在实际测量中必须设置不同被测物体的反射率。（可参考下列数值选取：金属导线及金属连接选0.9，带漆部位金属类选0.94，瓷套类选0.92）。将这个参数考虑到检测中，尽量减少误差。

3 红外探测与控制的实际应用项目

红外探测与控制技术目前在很多方面都有应用，主要应用于以下几个方面：

1） 绝缘子的检测应用

绝缘子的内部缺陷检测缺乏手段，曾发生多起接头脆断、过热及绝缘子闪落故障，结果造成导线掉线。复合绝缘子出现内部缺陷后，一般都出现了由于局部放电，造成该部位温度升高，红外线检测技术能够及时准确的发现该类型缺陷[2]。

《架空送电线路运行规程》规定，悬式绝缘子[4]绝缘电阻小于5OOMΩ为劣质绝缘子，当劣质绝缘子为低绝缘电阻值时，它的发热大干正常绝缘子的发热功率，其温度升高程度比正常绝缘子高，这样利用红外检测，热检测技术就可以有效的分辨出伪劣了。

2） 红外线检测装置在石灰矿仓自动除尘控制中的应用

选矿厂在石灰矿仓的除尘控制和碎矿厂房中的除尘控制方式两种不同。除尘设备的开停可有两种控制方式：一、由操作人员根据主设备的使用情况，人为控制除尘设备的启停；二、除尘设备随主设备一起启停。在石灰矿仓的除尘控制中，控制要求是不同的，只有在运送石灰的车辆进行倾卸石灰的操作间时，才需要开除尘设备[4]。利用红外探测技术，检测车辆是否进入倾卸，来控制除尘设备启停。

4 红外探测与控制实际应用实例

下面我们就介绍一下红外线检测装置在石灰矿仓自动除尘控制中的应用[5]：

选矿厂在石灰矿仓的除尘控制和碎矿厂房中的除尘控制方式两种不同。除尘设备的开停可有两种控制方式：一、由操作人员根据主设备的使用情况，人为控制除尘设备的启停；二、除尘设备随主设备一起启停。在石灰矿仓的除尘控制中，控制要求是不同的，只有在运送石灰的车辆进行倾卸石灰的操作间时，才需要开除尘设备[4]。利用红外探测技术，检测车辆是否进入倾卸，来控制除尘设备启停。

控制系统原理如下：

提高检测装置的抗干扰性能，是使用红外线作为检测手段的关键问题。因此，我们在发送端采用脉冲编码，发送红外信号。当接收端接收到红外信号后，再对其解码放大[6]。解码放大后的信号送入逻辑识别与控制电路判定，若信号符合规定的设定则输出控制信号至输出驱动电路，控制除尘设备的启停。原理框图见图3。

图3 控制系统原理框圈

参考文献：

[1] 陈永哺.红外辐射、红外期间与典型应用[M].电子工业出版社，2004.

[2] 陈晓华.浅谈红外检测技术在电力系统中的应用[J].无线互联科技，2012（03）：34-35.

[3] 刘涛，刘占功，李涛，等.外线检测车远程数据传输系统[J].铁道车辆，2007，45（3）.

[4] 游金泉，熊家威，李新全.红外线检测车动态检测对红外线轴温探测起到的作用，2000.

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

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