红外技术发展概况与周边电子产品应用

红外技术发展概况与周边电子产品应用 红外线自1800年被发现以来 人们对她的研究从来没有停止过 目前已经开 发出了众多的应用产品 从医疗 检测 航空到军事等领域 几乎处处都能看 到红外的身影 但人们对她的研究仍然延缓 时不时出现的新发明新应用 带 给我们惊讶与感叹 人类对这座宝藏的开发还远远不够 红外产业还有广阔的 扩张空间 自从自从1800年英国天文学家 F W 赫歇尔发现红外辐射至今 红 外技术的发展经历了将近两个世纪 从那时开始 红外辐射和红外元件 部件 的科学研究逐步发展 但发展比较缓慢 直到1940年前后才真正出现现代的红 外技术 当时 德国研制成硫化铅和几种红外透射材料 利用这些元 部件制 成一些军用红外系统 如高射炮用导向仪 海岸用船舶侦察仪 船舶探测和跟 踪系统 机载轰炸机探测仪和火控系统等等 其中有些达到实验室试验阶段 有些已小批量生产 但都未来得及实际使用 此后 美国 英国 前苏联等国 竞相发展 特别是美国 大力研究红外技术在军事方面的应用 目前 美国将 红外技术应用于单兵装备 装甲车辆 航空和航天的侦察监视 预警 跟踪以 及武器制导等各个领域 按应用领域可分为 安防 消防 电力 企业制程制冷 医疗 建筑 遥感领域等 红外技术产业的主要领域方向 按产品与技术可分为 红外传感 器 红外成像器 红外材料 光学元件 制冷器 前放与专用信号读出处理电 路 图像处理 系统设计 仿真与试验 近几年来 中国的红外产品市场发展很快 远不能适应国内日益增长的 市场需求 无法在国际市场中建立竞争优势 在红外技术产业中 与红外热成 像技术和红外探测技术相关的产品占主导地位 而其它红外技术类的产品在整 个产业格局中所占比重过小或发展缓慢 缺少顶层规划和行业约束 目前红外技术产业化的发展主要存在以下几个问题 1 技术创新能力和科研成果转化能力弱 红外探测器是红外技术的核心部件 目前我国对探测器的研制尚处于初级阶段 探测器的发展还赶不上系统产品的发展需求 尤其是高端应用的红外探测器 仍依赖进口 在红外技术领域 科研和生产分家是我国长期存在的一个问题 科研单位往往有很强的科技力量 但不少产品只停留在样品 展品或小批量生产 的水平上 看广告各种产品一应俱全 市场需求时却无法快速提供产品 大部分 科研成果不能迅速地转化为生产力 2 缺少规范化的行业标准体系 目前 在红外光学镜头加工 红外成像器整机测试等专业领域没有统一的国家 规范与行业标准 标准体系的不完善导致了相关领域低水平的重复研究 重复 设计比较普遍 新产品推广速度较慢 国家规范和行业标准的确立可以促进产 业统一 协调 高效率地发展 是红外技术在科研 生产和使用三者之间的桥 梁 红外技术产业中的科技成果只有在纳入相应标准后才能够迅速得以推广和 应用 3 产业规模小 产品成本高 我国对红外技术方面的研究主要集中在部分科研院所和高等院校 这些研究单 位主要进行探测器阵列及其工艺的研究 无法形成规模量产 而众多的经营红 外产品的公司大部分只停留在制作一些外围设备和开发一些软件的业务上 研 发实力弱 品牌影响力小 弱小的产业规模不仅直接导致了红外产品成本较高 增加了产品推广的难度 同时又制约了对红外技术相关基础研究的投入 形 成恶性循环 4 市场牵引不足 应用领域有待进一步开拓 红外技术产业的相关产品并不能完全适应市场的需要 潜在的市场需求尚待开 发 红外技术应用最多的是军事 电力 消防等行业 只有将红外技术自身的 特点结合应用行业的具体需求 才能在更为广阔的领域开发新的符合市场需求 的产品 才能更好地服务于国民经济 如一美国公司的车载探测器 仅此一项 应用市场定位准确的产品就达到量产数十万台的产业规模 拉动了光学 电子 结构等数个行业 而在我国类似规模的应用产品种类还不多 所形成的市场 牵引还很不够 5 光学材料及相关数据基础薄弱 随着国内红外系统的逐步推广和应用 红外光学材料也发展很快 国内红外材 料生产单位也逐渐增多 但其光学参数大多采用国外数据 没有一套完整准确 的测量仪器和标准 性能偏差情况有待应用考证 一些材料具有较大偏差且欠 稳定 给应用带来很多的不确定性 研制 生产工艺 测量等基础薄弱对红外 系统产品的规模化发展有着一定的制约作用 是产业化发展过程中需要着力解 决的问题 国内的红外产业化发展很快应用市场 而且已大量出口国外 这种市场发展趋 势 必将对中国的红外技术和产业的发展起到积极的推动作用 必将激励和加 快具有完全中国自主知识产权的红外技术产品的问世 也必将带来更广阔的红 外产品应用市场 综合目前红外技术产业化进程在国际和国内发展的现状和趋势 国家应从宏观 上对该行业加以支持和引导 使之步入良性的发展轨道 建立起政府 行业协 会和企业间有效的协调机制 形成可以拉动国民经济增长的一个新的高技术领 域 这就需要我们针对目前的客观情况 在以下几个方面拟定出台一系列的宏 观措施来引领市场的发展 红外产业后续发展的思考和对策 1 提升红外技术基础研究地位 随着我国红外技术产业的蓬勃发展 尤其是在军用领域面临必须打破红外设备 关键技术受制于人的局面 有必要在高等院校 科研院所进一步提升红外技术 专业的研究地位 加大对红外光学材料 红外探测器等基础产业的投入 改变 为形成具有我国特色的红外技术产业提供坚实的技术支撑 加大力度鼓励创新 特别是原始创新 提高自主知识产权 保护国有产业的利 益 提高国际市场竞争力 对目前国内原创能力较弱的领域 提倡引进 消化 吸收再创新 对已有创新的领域要加大投入力度 形成有梯度 有侧重的研 究体系 重点发展探测器 光学配套等领域的基础研究 形成有自主知识产权 的核心竞争力 2 统筹规划 推进红外行业规范化发展 伴随着红外技术发展的需要 国家规范和标准所形成的体系能够为该项技术的 产业化推进做好铺垫 同时 规范的管理 可以兼顾产业结构中各个专业领域 的协调发展 便于开展广泛的配套协作 集中优势资源在不同类型产品上形成 完整的产业链 提升红外技术产品的国内外竞争力 3 重视市场需求的牵引作用 红外产业曾具有军品应用的特殊背景 但在民用市场发展中也需要以市场为主 导 通过技术创新引导市场消费和应用方向 从而牵动整个产业的发展 国家 应从宏观的规划中给予红外技术产业化项目以足够的重视和适当的政策倾斜 行业协会应积极通过各种渠道和方式帮助企业拉近与市场需求的距离 而企业 本身需要通过整合自身的资源 加强市场调研和信息收集 努力挖掘潜在的市 场需求关系 拓宽产品应用领域 4 鼓励建设资源节约型 国家应鼓励从事红外产品的企业向规模化 产业化方向发展 提高企业本身的 生产效率 规范生产工艺流程 节约产品成本支出 加大在探测器 光学材料 等领域的基础投入 逐步建立产业良性的协调发展机制 在发展的同时 也要 注意对资源的有效开发与利用 防止对生产和周边环境产生的负面影响 在重 视质量 效率和规模的同时也要注意的产业的良性发展 5 加强市场引导和管理 国家科技部门 市场信息部门和经济管理部门要加强协作 建立红外产品企业 的市场规范 以规章制度对企业在市场中的运营方法进行规范 对市场信息进 行收集 整理和发布 引导红外企业在一个健康正确的方向发展 避免因为企 业产品和应用领域的过度重叠带来的恶性竞争 各企业间进行无缝协作的方式 实现资源有效利用 市场优势互补 在产业化的进程中 着眼于以市场定成 本 以成本定设计 以设计定产品的发展思路 推进红外技术产业化的快速发 展 随着红外测温技术的普遍应用 一种新型的红外技术 智能 Smart 数字红 外传感技术正在悄然兴起 这种智能传感器内置微处理器 能够实现传感器与 控制单元的双向通信 具有小型化 数字通信 维护简单等优点 当前 各传 感器用户纷纷升级其控制系统 智能红外传感器的需求量将会继续增长 预计 短期内市场还不会达到饱和 作为专业的红外元器件服务商 台湾亿光电子秉 持 诚信 创新 和谐 卓越 的理念 以满足客户需求为第一优先 持续不断 的改善制程 注重产能的灵活性与生产力 提升生产效率 建置完善的管理支 持系统 严谨的存货管理政策 以系统化信息科技加强企业营运效率与决策流 程 协同组织目标与行动 创造智能的企业 亿光更戮力于 LED 技术的强化 包括产品亮度及效率的提升 开发新应用市场产品 产品布局多元化以提高竞 争力 以及专利布局将智慧财产化等 另外 随着便携式红外传感器的体积越来越小 价格逐渐降低 在食品 采暖空调和汽车等领域也有了新的应用 比如用在食品烘烤机 理发吹风机 上 红外传感器检测温度是否过热 以便系统决定是否进行下一步操作 如停 止加热 或是将食品从烤箱中自动取出 或是使吹风机冷却等 随着更多的用 户对便携式红外温度传感器的了解 其潜在用户正在增加 而亿光作为生产商 在这方面设计多种适合的产品 比如说红外线技术在测速系统中已经得到了广泛应用 许多产品已运用红外线 技术能够实现车辆测速 探测等研究 红外线应用速度测量领域时 最难克服 的是受强太阳光等多种含有红外线的光源干扰 外界光源的干扰成为红外线应 用于野外的瓶颈 针对此问题 这里提出一种红外线测速传感器设计方案 该 设计方案能够为多点测量即时速度和阶段加速度提供技术支持 如其方案可应 用于公路测速和生产线下料的速度称量等工业生产中需要测量速度的环节 红外线对射管的驱动分为电平型和脉冲型两种驱动方式 本系统中红外 传感器选用脉冲型驱动方式 由红外线对射管阵列组成分离型光电传感器 该 传感器的创新点在于能够抵抗外界的强光干扰 太阳光中含有对红外线接收管 产生干扰的红外线 该光线能够将红外线接收二极管导通 使系统产生误判 甚至导致整个系统瘫痪 本传感器的优点在于能够设置多点采集 对射管阵列 的间距和阵列数量可根据需求选取 发射管选取 SIR204 A 型发射管 该红外线二极管驱动电流范嗣为20 100 mA 其正向导通压降为1 3 1 5 V 发出红外线光波长范围约为835 93 0 nm 发射角度为30 直射时红外线光强度最大 发射管驱动电压采用脉冲 电压 38 kHz 载波频率 发送时长为280 s 占空比为1 2的方波 发送 间隔为720 s 载波脉冲需要与红外线接收管的型号相匹配 红外发射管能够 匹配光电晶体管 光敏二极管和红外接收器模块 红外传感器的接收部分选择 了带有放大和滤波功能的红外线接收二极管 发射部分的设计需要考虑到接收 部分的制约 经过验证调制脉冲驱动电流能够匹配红外线接收管 将红外线接 收管导通 驱动发射管 PWM 的波形如图 l 所示 图2是红外线发射管的驱动电路图 脉冲信号由 R29处输入 通过 NPN 型三 极管 从而控制红外发射管 VD3的通断情况 本电路中单个红外管驱动电流选 择值约为20 mA 由于 NPN 型三极管驱动电流低于20 mA 需在电路中加入 P mos 管增强驱动能力 R18和 R29的电阻值需要匹配 若2个电阻匹配不佳 会造成驱动脉冲波形毛刺较多 使二极管导通能力减弱 导通时间延迟增大 R18尽量大 能够减少电路功耗 R18和 R29都选用10 k 电阻 红外线发 射管的驱动不稳定 会造成接收判断失效 驱动电路的配置要根据实验进行匹 配 红外线接收管内部电路如图3所示 红外线接收二极管内部电路将导通 后微弱脉冲信号放大 滤波整形 输出单片机可以识别的方波脉冲信号 该类 型红外线接收管导通波长范围约为850 1 050 nm 红外线发射管发射波长 约为875 nm 能够满足红外线接收管导通要求 红外线接收管选用 HS0038型的红外一体接收头 该器件集成度高 能够以小成本实现图3所示功能 红外线接收管需要接收38 kHz 左右带宽的脉 冲波形 接收发射管只能接收间歇发射的红外线 发射红外线过于密集 接收 管无法导通 需要予以注意 红外线发射管发出38 kHz 载波 将红外线接收 管导通 该波形频率为1 kHz 周期内高电平时间720 s 低电平时间280 s 当有物体遮挡红外线对射管时 发射源被遮挡 红外线接收管无法导通 输 出高电平 由此可以判断是否有物体从红外线对射管中间通过 红外线 接收管导通时的输出波形如图4所示 当红外线接收管被正面遮挡时 周围障碍物体反射由红外线发射管发出 的红外线 此时微弱的信号会随着红外线接收管内部自动增益控制调节到最大 而产生方波波形 对红外线接收管造成干扰 干扰使采集到的信号复杂 需要 采用滤波手段将杂波干扰滤除 经过分析和示波器观察 杂波的频率大于1 kH z 在红外线接收管输出端接入有源滤波电路 能够将高于1 kHz 的杂波滤掉 由此输出的波形为红外线接收管导通和未导通两种状态下的信号 未掺杂干 扰 较容易区分 可以根据特点编写算法 判断是否有物体从红外线对射管中 间通过 控制软件需要保证红外线对射管一对一工作 且对信号采集处理 对采 集的信号编写算法程序 完成对物体是否遮挡红外线对射管的判定 即分辨红 外线接收管是否被导通 通过单片机内部计数器计取脉冲个数 可以将物体遮 挡某个红外线接收管的时间记录下来 程序流程如图5 a 所示 需要不断判定 第一个红外线接收管的输出状态 当确定有物体遮挡时 将开始标志位置为1 单片机开始读取其他接收管状态 同时启动定时器 下一对红外线对射管的 接收管被遮挡停止计时 红外线发射管按顺序依次发射红外线 处理单元依次 读取红外线接收管状态 可以防止鸟或人无意遮挡引起的误判现象 判断有物 体遮挡的程序思想为判断1 ms 内 是否有物体遮挡 若没有物体遮挡 红外 线接收管输出的脉冲波形保持不变 若有物体遮挡 红外线接收管输出高电平 持续1 ms 以上 红外线接收管输出状态是否为高电平 可以判断是否有物体 遮挡 当按顺序扫描的前一对红外线对管被判定遮挡时 开始扫描下一对管子 的脉冲个数 同时开启定时器 延时50 s 判定接收管接收到的是否为脉冲 判定是否为脉冲则需要判定引脚是否为低电平 如果引脚为低电平 计数值 清零 计数值并不是计数器的值 而是计算延时50 s 的次数是否达到28 当判断相应的接收管被遮挡时 相应的红外线对管序号累加 程序流程如图5 b 所示 红外线对射管构