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红外纠错

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红外是红外线的简称,它是一种电磁波。它可以实现数据的无线传输。自1974年发被现以来,得到很普遍的应用,如红外线鼠标,红外线打印机,红外线键盘等等。红外的特征:红外传输是一种点对点的传输方式,无线,不能离的太远,要对准方向,且中间不能有障碍物也就是不能穿墙而过,几乎无法控制信息传输的进度;IrDA已经是一套标准,IR收/发的组件也是标准化产品。

简介

1974年发明的红外线带给我们一种新的连接方式,更重要的是,它带给我们新的概念,让我们感到一种无线的清新.


基础原理简介

自然界中的一切物体,只要它的温度高于绝对温度(-273℃)就存在分子和原子无规则的运动,其表面就不断地辐射红外线。红外线是一种电磁波,它的波长范围为0.78~1000um,不为人眼所见。红外成像设备就是探测这种物体表面辐射的不为人眼所见的红外线的设备。它反映物体表面的红外辐射场,即温度场。

注意:红外成像设备只能反映物体表面的温度场。

对于电力设备,红外检测与故障诊断的基本原理就是通过探测被诊断设备表面的红外辐射信号,从而获得设备的热状态特征,并根据这种热状态及适当的判据,作出设备有无故障及故障属性、出现位置和严重程度的诊断判别。

为了深入理解电力设备故障的红外诊断原理,更好的检测设备故障,下面将初步讨论一下电力设备热状态与其产生的红外辐射信号之间的关系和规律、影响因素和DL500E的工作原理。


发射及其规律

黑体的红外辐射规律

所谓黑体,简单讲就是在任何情况下对一切波长的入射辐射吸收率都等于1的物体,也就是说全吸收。显然,因为自然界中实际存在的任何物体对不同波长的入射辐射都有一定的反射(吸收率不等于1),所以,黑体只是人们抽象出来的一种理想化的物体模型。但黑体热辐射的基本规律是红外研究及应用的基础,它揭示了黑体发射的红外热辐射随温度及波长变化的定量关系。

下面,我着重介绍其中的三个基本定律。

辐射的光谱分布规律-普朗克辐射定律

一个绝对温度为T(K)的黑体,单位表面积在波长λ附近单位波长间隔内向整个半球空间发射的辐射功率(简称为光谱辐射度)Mλb(T)与波长λ、温度T满足下列关系:

Mλb(T)=C1λ-5-1

式中C1-第一辐射常数,C1=2πhc2=3.7415×108w·m-2·um4

C2-第二辐射常数,C2=hc/k=1.43879×104um·k

普朗克辐射定律是所有定量计算红外辐射的基础,介绍起来比较抽象,这里就不仔细讲了。 辐射功率随温度的变化规律-斯蒂芬-玻耳兹曼定律

斯蒂芬-玻耳兹曼定律描述的是黑体单位表面积向整个半球空间发射的所有波长的总辐射功率Mb(T)(简称为全辐射度)随其温度的变化规律。因此,该定律为普朗克辐射定律对波长积分得到:

Mb(T)=∫0∞Mλb(T)dλ=σT4

式中σ=π4C1/(15C24)=5.6697×10-8w/(m2·k4),称为斯蒂芬-玻耳兹曼常数。

斯蒂芬-玻耳兹曼定律表明,凡是温度高于开氏零度的物体都会自发地向外发射红外热辐射,而且,黑体单位表面积发射的总辐射功率与开氏温度的四次方成正比。而且,只要当温度有较小变化时,就将会引起物体发射的辐射功率很大变化。

那么,我们可以想象一下,如果能探测到黑体的单位表面积发射的总辐射功率,不是就能确定黑体的温度了吗?因此,斯蒂芬-玻耳兹曼定律是所有红外测温的基础。

辐射的空间分部规律-朗伯余弦定律

所谓朗伯余弦定律,就是黑体在任意方向上的辐射强度与观测方向相对于辐射表面法线夹角的余弦成正比,

Iθ=I0COSθ

此定律表明,黑体在辐射表面法线方向的辐射最强。因此,实际做红外检测时。应尽可能选择在被测表面法线方向进行,如果在与法线成θ角方向检测,则接收到的红外辐射信号将减弱成法线方向最大值的COSθ倍。


实际物体辐射规律

基尔霍夫定律

物体的辐射出射度M(T)和吸收本领α的比值M/α与物体的性质无关,等于同一温度下黑体的辐射出射度M0(T)。其

表明,吸收本领大的物体,其发射本领大,如果该物体不能发射某一波长的辐射能,也决不能吸收此波长的辐射能。

发射率

实验表明,实际物体的辐射度除了依赖于温度和波长外,还与构成该物体的材料性质及表面状态等因素有关。这里,我们引入一个随材料性质及表面状态变化的辐射系数,则就可把黑体的基本定律应用于实际物体。这个辐射系数,就是常说的发射率,或称之为比辐射率,其定义为实际物体与同温度黑体辐射性能之比。

这里,我们不考虑波长的影响,只研究物体在某一温度下的全发射率:

ε(T)=M(T)/M0(T)

则斯蒂芬-玻耳兹曼定律应用于实际物体可表示为:

M(T)=ε(T).σT4

发射率及其对设备影响

物体对于给定的入射辐射必然存在着吸收、反射和透射,而且吸收率α,反射率ρ和透射率τ之和必然等于1:

α+ρ+τ=1

而且,其反射和透射部分不变。因此,在热平衡条件下,被物体吸收的辐射能量必然转化为该物体向外发射的辐射能量。由此可断定,在热平衡条件下,物体的吸收率必然等于该物体在同温度下的发射率:

α(T)=ε(T)

其实由基尔霍夫定律,我们也可以推断出以上公式:

M(T)/α(T)=M0(T)

ε(T)=α(T)

ε(T)=M(T)/M0(T)

则对于一个不透明的物体ε(T)=1-ρ(T)

根据上式,我们不难定性地理解影响发射率大小的下列因素:

不同材料性质的影响

不同性质的材料因对辐射的吸收或反射性能各异,因此它们的发射性能也应不同。一般当温度低于300K时,金属氧化物的发射率一般大于0.8。

表面状态的影响

任何实际物体表面都不是绝对光滑的,总会表现为不同的表面粗糙度。因此,这种不同的表面形态,将对反射率造成影响,从而影响发射率的数值。这种影响的大小同时取决于材料的种类。

例如,对于非金属电介质材料,发射率受表面粗糙度影响较小或无关。但是,对于金属材料而言,表面粗糙度将对发射率产生较大影响。如熟铁,当表面状况为毛面,温度为300K时,发射率为0.94;当表面状况为抛光,温度为310K时,发射率就仅为0.28。

另外,应该强调,除了表面粗糙度以外,一些人为因素,如施加润滑油及其他沉积物(如涂料等),都会明显地影响物体的发射率。

因此,我们在检测时,应该首先明确被测物体的发射率。在一般情况下,我们不了解发射率,那么只有用相间比较法来判别故障。而对于电力设备,其发射率一般在0.85-0.95之间。

温度影响

温度对不同性质物体的影响是不同的,很难做出定量的分析,

只有在检测过程中注意。

物体之间的辐射传递的影响

上面我们曾经讨论过物体对于给定的入射辐射必然存在着吸收、反射,而当达到热平衡后,其吸收的辐射能必然转化为向外发射的辐射能。因此,当我们在一个变电站中,检测任意一个目标时,所检测出来的温度,必然还存在着附近其它物体的影响。

因此,我们在检测时,要注意检测的方向和时间,使其它物体的影响降到最小。

(五)大气衰减的影响

大气对物体的辐射有吸收、散射、折射等物理过程,对物体的辐射强度会有衰减作用,我们称之为消光。

大气的消光作用与波长相关,有明显的选择性。红外在大气中有三个波段区间能基本完全透过,我们称之为大气窗口,分为近红外(0.76~1.1um),中红外(3~5um),远红外(8~14)。

对于电力设备,其大部分的温度较低,集中在300K~600K(27℃~327℃)左右,在这一温度区间内,根据红外基本定律可以推导出,设备发射的红外辐射信号,在远红外8~14um区间内所占的百分比最大,并且辐射对比度也最大。因此,大部分电力系统的红外检测仪器工作在8~14um的波长之内。

不过,请注意,即使工作在大气窗口内,大气对红外辐射还是有消光作用。尤其,水蒸气对红外辐射的影响最大。因此,在检测时,最好在湿度小于85%以下,距离则越近越好。


技术特征

红外线通信技术适合于低成本、跨平台、点对点高速数据连接,尤其是嵌入式系统.

红外线技术的主要应用:设备互联、信息网关.设备互联后可完成不同设备内文件与信息的交换。信息网关负责连接信息终端和互联网.

红外通讯技术已被全球范围内的众多软硬件厂商所支持和采用,目前主流的软件和硬件平台均提供对它的支持.红外技术已被广泛应用在移动计算和移动通讯的设备中.

红外传输是一种点对点的传输方式,无线,不能离的太远,要对准方向,且中间不能有障碍物也就是不能穿墙而过,几乎无法控制信息传输的进度;IrDA已经是一套标准,IR收/发的组件也是标准化产品。 优点

其使手机和电脑间可以无线传输数据;

可以在同样具备红外接口的设备间进行信息交流;

同时红外接口可以省去下载或其他信息交流所发生的费用;

由于需要对接才能传输信息,安全性较强;


缺点

通讯距离短,通讯过程中不能移动,遇障碍物通讯中断;

红外通讯技术的主要目的是取代线缆连接进行无线数据传输,功能单一,扩展性差.

接口的特点

用来取代点对点的线缆连接

新的通讯标准兼容早期的通讯标准

小角度(30度锥角以内),短距离,点对点直线数据传输,保密性强

传输速率较高,目前4M速率的FIR技术已被广泛使用,16M速率的VFIR技术已经发布

区别

红外与蓝牙的差别

距离

红外:对准、直接、0-10米,单对单

蓝牙:10米左右,加强信号后最高可达100米,可以绕弯,可以不对准,可以不在同一间房间,链接最大数目可达7个,同时区分硬件。

产业

红外:近乎淘汰

蓝牙:已经普及

速度

红外:慢

蓝牙:快

安全

红外:无区别

蓝牙:加密

成本

红外:几元---几十元

蓝牙:几十元—几百元

速度

红外:串口速度,57600K/bps~19200K/bps

蓝牙:1.1Mb/s~2.1Mb/s甚至更高(蓝牙2.0)

随着科学的进步,红外已经逐渐在退出市场,逐渐被USB连线和蓝牙所取代,红外发明之初短距离无线连接的目的已经不如直接使用USB线和蓝牙方便,所以,市场上带有红外收发装置的机器会逐步退出人们的视线。

红外技术

红外接口是新一代手机的配置标准,它支持手机与电脑以及其他数字设备进行数据交流.红外通讯有着成本低廉、

连接方便、简单易用和结构紧凑的特点,因此在小型的移动设备中获得了广泛的应用.通过红外接口,各类移动设备可以自由进行数据交换.

红外线是波长在750nm至1mm之间的电磁波,它的频率高于微波而低于可见光,是一种人的眼睛看不到的光线。由于红外线的波长较短,对障碍物的衍射能力差,所以更适合应用在需要短距离无线通讯的场合,进行点对点的直线数据传输.红外数据协会(IRDA)将红外数据通讯所采用的光波波长的范围限定在850nm至900nm之内。

配备有红外接口的手机进行无线上网非常简单,不需要连接线和PCCARD,只要设置好红外连接协议就能直接上网.

红外接口是目前在世界范围内被广泛使用的一种无线连接技术,被众多的硬件和软件平台所支持;通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据收发.

红外产品

红外智能高速球。

红外摄像机。

夜视仪。

红外灯。

红外光波炉。

红外激光。

红外摄像头。

红外应用范围

安防监控领域。

汽车夜视系统。

医疗器械行业。

家庭电子行业。

通讯领域。

新兴红外技术

3D电视的快门式眼镜

新的家庭影院应用越来越多地依赖红外线。红外线在家用电器上用于遥控的历史已经超过30年。我们当中的很多人每天都会用红外线控制各种各样的设备,包括机顶盒、DVD和蓝光播放机、空调、投影仪、笔记本电脑和更多的其他应用。2010年,全球生产的红外接收器超过7亿颗,其中大多数接收器被用于这些应用。然而,一些新的家庭影院应用正在兴起,拓宽了红外技术在家庭中的施展空间。例如,红外信号被用来将主动快门式眼镜同步到3D电视。红外线还被用作UniversalElectronics发布的新协议的平台,使器件和手持控制设备之间能够进行双向通信。为简化家庭影院音响系统的安装,减少杂乱无章的电线,使房间看起来更整洁,红外线甚至被用来向侧环绕扬声器和后置扬声器传送音频信号。

有两类红外传输技术:直接视线传输和散射传输。直接红外传输的特点是要求发送和接收设备之间在视线上不能有遮挡。散射式红外传输是非视线传输,而且没有方向性。这种传输方式的红外线很象从灯泡里发出的光。光线从墙和天花板上反射回来,洒满整个房间。在本文中,我们会讨论在一些新兴红外应用中应用这两种原理。

快门式眼镜互操作难题

通过打开和关闭左右两边的光圈,使之与在电视机屏幕上显示的图像保持同步,家庭影院系统的主动式3D快门眼镜可以产生立体的3D效果。红外线被用来传输从电视机到眼镜的同步信号。当第一个这种眼镜面世时,业界不得不专门为这种眼镜设置一个物理层或专用的通信协议标准,由此产生了多种解决方案。有些第一代3D同步系统使用850nm波长,其他的使用940nm。有些第一代系统的传输协议使用载波,其他则使用非调制信号。在这些系统中采用了不同的和不兼容的数据信号协议。有的协议要求在整个时间段内进行同步,其他的使用锁相环(PLL)。有些系统使用一个或两个发射管来发送同步信号,有的最多会用10个发射管。有些系统的发射管和遥控接收器是隔离的,以避免串扰;有些则把发射管和接收器紧挨着放在同一个窗口后面。这些系统之间互不兼容,所以眼镜是定制的,价格也很贵。

由于一些3D电视机与红外遥控接收器使用相同的940nm红外波长,因而彼此之间产生干扰。在观看3D电影时,同步信号象眨眼一样开和关持续不断地发射。如果用户想暂停电影,调大音量,或开启字幕,电视遥控信号就必须从大量的红外信号中挤过去。电视遥控接收器因3D同步红外信号而自动调节增益,使接收器的灵敏度降低,或干脆停止工作,接收距离也受到不利影响。用户必须离电视机更近才能执行指令,或反复按指令键。这不但会影响与机顶盒或电视机的通信,也会中断DVD和空调的遥控信号。非调制3D系统对小型荧光灯发出的噪声脉冲尤其敏感。有些设计方案使用大量发射器的原因就是由于接收器灵敏度为避免受荧光灯和其他来源干扰而不得不设为最小。糟糕的是,使用这种高发射器功率的3D系统本身就会变成一个主“噪声源”,把遥控器等其他红外系统全部搞乱。


学术期刊

期刊简介

《红外》杂志是经国家新闻出版署批准,由中国科学院主管、中国科学院上海技术物理研究所主办的一份国内外公开发行的科技类刊物,月刊,创刊于1980年。

《红外》杂志主要报道现代红外光电子高新技术领域各种最新成果和发展动向,重点偏向红外光电探测技术硬件及应用的新进展、新动向、新趋势。报道范围涉及红外材料与器件,红外遥感,红外成像,红外报警、微光与夜视,预警与制导,红外光通信,红外医学检测与医疗技术,工业测温、测湿、测宽、测速,红外光谱分析等。

《红外》杂志除刊登综述、研究论文外,还设有新闻动态、相关学术会议消息等栏目。本刊的宗旨是及时向读者传递和反映国内外红外与光电子科技领域中的重要信息,并为广大科研人员提供学习和交流的园地,以促进我国红外与光电子高新技术的发展和提高,为我国的国民经济建设服务。

《红外》杂志已被维普《中文科技期刊数据库》、万方《中文核心期刊(遴选)数据库》、中国期刊网中国学术期刊(光盘版)全文数据库和中国学术期刊综合评价数据库(CNKI)等重要数据库收录。

《红外》杂志主要发行对象:从事红外与光电子技术生产、研究与发展以及应用的广大科研人员、各层面科研管理人员、工程技术人员以及高等院校师生。

期刊信息

期刊名称:红外

主办单位:中国科学院上海技术物理研究所

出版周期:月刊

出版地:上海市

语言种类:中文

开本尺寸:大16开

国际刊号:1672-8785

国内刊号:31-1304/TN

邮发代号:4-290

创刊时间:1980

该刊被以下数据库收录:

CA化学文摘(美)(2011)


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