红外光谱的原理及应用

红外光谱的原理及应用（精选8篇）

篇1：红外光谱的原理及应用

现代近红外光谱技术及应用进展

摘要：简要介绍了现代近红外光谱的发展、技术特点和测量原理,对近年来近红外光谱仪器、化学计量学方法及软件和应用的.进展情况及我们在这几个方面开展的工作进行了简要介绍. 作者： 徐广通袁洪福陆婉珍 Author： Guangtong XUHongfu YUANWanzhen LU 作者单位： 石油化工科学研究院,100083,北京 期 刊： 光谱学与光谱分析 ISTICEISCIPKU Journal： SPECTROSCOPY AND SPECTRAL ANALYSIS 年，卷(期)： ,20(2) 分类号： O4 关键词：近红外光谱 仪器 化学计量学 应用 机标分类号： TN2 TH7 机标关键词： 红外光谱技术应用近红外光谱仪器化学计量学技术特点测量原理方法及软件 基金项目：

篇2：红外光谱的原理及应用

红外测温仪器的种类 红外测温仪器主要有3种类型：红外热像仪、红外热电视、红外测温仪(点温仪)，60年代我国研制成功第一台红外测温仪，1990年以后又陆续生产小目标、远距离、适合电业生产特点的测温仪器，如西光IRT-1200D型、HCW-Ⅲ型、HCW-Ⅴ型;YHCW-9400型;WHD4015型(双瞄准，目标D40mm，可达15m)、WFHX330型(光学瞄准，目标D 50mm，可达30m)。美国生产的PM-20、30、40、50、HAS-201测温仪;瑞典AGA公司TPT20、30、40、50等也有较广泛的应用。DL-500 E可以应用于110～500 kV变电设备上，图像清晰，温度准确。红外热像仪，主要有日本TVS-、TVS-100，美国PM-250，瑞典AGA-THV510、550、570。近期，国产红外热像仪在昆明研制成功，实现了国产化。 3.2红外测温仪工作原理 了解红外测温仪的工作原理、技术指标、环境工作条件及操作和维修等是用户正确地选择和使用红外测温仪的基础。红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇集其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件以及位置决定。红外能量聚焦在光电探测仪上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路按照仪器内部的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。除此之外，还应考虑目标和测温仪所在的环境条件，如温度、气氛、污染和干扰等因素对性能指标的影响及修正方法。

一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布——与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。

黑体辐射定律：黑体是一种理想化的辐射体，它吸收所有波长的辐射能量，没有能量的反射和透过，其表面的发射率为1，

应该指出，自然界中并不存在真正的黑体，但是为了弄清和获得红外辐射分布规律，在理论研究中必须选择合适的模型，这就是普朗克提出的体腔辐射的量子化振子模型，从而导出了普朗克黑体辐射的定律，即以波长表示的黑体光谱辐射度，这是一切红外辐射理论的出发点，故称黑体辐射定律。

物体发射率对辐射测温的影响：自然界中存在的实际物体，几乎都不是黑体。所有实际物体的辐射量除依赖于辐射波长及物体的温度之外，还与构成物体的材料种类、制备方法、热过程以及表面状态和环境条件等因素有关。因此，为使黑体辐射定律适用于所有实际物体，必须引入一个与材料性质及表面状态有关的比例系数，即发射率。该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度，其值在零和小于1的数值之间。根据辐射定律，只要知道了材料的发射率，就知道了任何物体的红外辐射特性。

影响发射率的主要因纱在：材料种类、表面粗糙度、理化结构和材料厚度等。

当用红外辐射测温仪测量目标的温度时首先要测量出目标在其波段范围内的红外辐射量，然后由测温仪计算出被测目标的温度。单色测温仪与波段内的辐射量成比例;双色测温仪与两个波段的辐射量之比成比例。

红外系统：红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内疗的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。 3.3红外测温仪性能 红外测温仪是通过接收目标物体发射、反射和传导的能量来测量其表面温度。测温仪内的探测元件将采集的能量信息输送到微处理器中进行处理，然后转换成温度读数显示。在带激光瞄准器的型号中，激光瞄准器只做瞄准使用。其性能说明如表1。

篇3：红外光谱的原理及应用

准确检测出油水界面位置的关键在于找到准确的油水界面分界点，消除或者减少油水乳化带带来的测量误差。笔者将近红外光谱吸收原理应用到油水界面的检测，通过该方法可以准确检测到油水界面的乳化带状态信息，进而确定有效的油水界面分界点，减少其对测量结果的影响，从而提高油水界面的检测精度。

1 油水界面检测原理

1.1 近红外光谱吸收原理

特定的化学基团有其特定的基频频率，称为指纹吸收带，同样其组合频和泛频也是相对固定的，因此化学基团会吸收特定波长的近红外光。与原油有关的官能团在近红外区域的谱带归属见表1[5]。

nm

采用化学计量学方法和计算机技术将近红外光谱和被测性质关联，可以建立其定量和定性关系，从而用于样品的组成含量和物化性质的测量。

1.2 油、水近红外光检测谱段的选择

油和水所含的化学官能团不同，决定了它们在近红外区域具有不同的吸收位置，选择合适的检测波长对于准确检测油水界面尤其重要。水、油近红外吸收谱线如图1所示。

由于水分子(H2O)富含O—H键，所以纯水的近红外区域的谱带归属同O—H键，即表1中的一级倍频，约1 440nm，二级倍频约960nm。

油虽然富含C—H键，但由于其成分和结构(如甲基、亚甲基)的不同，会影响吸收峰的位置，峰差一般为10nm左右。由图1b可知，其三级倍频吸收峰位于914nm附近，吸光度为0.215。

由于近红外发光二极管工作波长一般在800～1 100nm，同时结合油和水在近红外区域吸收峰的不同，最终检测谱段选择在油的三级倍频附近较为理想，即910nm附近[6]。从图1可以看出，在914nm附近油和水的吸光度相差很大，选择此检测谱段可以有效区分油和水。

2 油水界面检测系统

油罐油水界面检测系统如图2所示。近红外检测探头在手持端的控制下，从上到下依次从罐体内穿过，实时检测所接触的介质。当探头处于不同区域位置时，通过分析各区域对近红外光的吸收强度，确定介质是油还是水，并将采集的信息通过RS485总线传送到手持控制端，手持控制端显示检测结果，循环判断检测介质是否发生改变，并通过计算介质改变过程中探头下降的高度，确定油水界面位置。

2.1 油水界面检测传感器的工作原理

传感器是油水界面检测系统的核心，位于密闭的检测探头内部，其工作原理基于LambertBeer定律。一束单色光照射于一吸收介质表面，在通过一定厚度的介质后，由于介质吸收了一部分光能，透射光的强度就要减弱。吸收介质的浓度越大，介质越厚，则透射光的强度越弱，其关系式为:

式中A———吸光度;

c———吸光物质浓度，g/L;

Io———入射光强度，cd;

It———透射光强度，cd;

K———吸光系数，L/(g·cm);

l———吸收介质厚度，cm;

T———透射比。

当介质厚度l和吸光系数K确定后，吸光度A与介质浓度c成正比关系，即可以通过检测吸光度A来计算介质的油分浓度，根据油分浓度确定介质状态，通过标定，找到合适的油水分界点，减少油水乳化带的影响，进而确定准确的油水界面位置。

2.2 检测探头

检测探头主要包括信号调制发送和信号接收处理两部分，其工作原理如图3所示。

近红外发射管在驱动信号的作用下不断向接收端发射带有调制信号的近红外光，近红外光经油水介质吸收后被接收端的感光元件(近红外接收管)接收，将光信号转换为电信号，电信号经放大、滤波、A/D转换后送单片机处理，单片机根据接收电信号的强弱(即根据接收到的透过油水介质的光强度)分析确定介质状态，并将检测结果通过RS485总线传送到手持控制端的微处理器中，以便后续处理。

2.3 近红外检测光程的选择

在Lambert-Beer定律中，介质的厚度是测量吸光度必须考虑的因素。式(1)中的介质厚度就是实验中的近红外光程，光程太短不利于油水乳化带油分浓度的精确测量，光程太长可能会导致近红外光达不到检测接收端，而且不同油品对近红外光的吸收也是不同的，因此合理选择一个光程以满足油水界面的检测是十分必要的。对同一水样在4种光程下的光谱吸光度的频度统计见表2[7]。

从表2可以看出，在800～1 350nm的近红外波段，相比1、2、5mm光程，10mm光程下的吸光度几乎都在0.01～1.50之间，且吸光度在0.01～0.15为佳。考虑到所用检测波段在910nm附近，光程越短，相对测量误差越大，而且不利于在测量油水界面时介质的相对流动，影响测量精度，因此最终选用10mm光程。

3 实验分析

3.1 油罐内部各层含油浓度分析

在模拟的小型油罐中，当油水混合物充分静置后，用油分浓度检测仪检测油罐内部从上到下的介质的油分浓度，并在上位机生成油分浓度实时变化曲线(图4(1ppm=0.001‰))，分析油水分层与含油浓度的关系。

从图4可以分析得到，在整个检测过程中，油分浓度较高(纵坐标约3 000ppm)且波动很小的这段近似位于油层，最后油分浓度很低(纵坐标约10ppm)且趋于平稳时近似位于水层，中间段突变的曲线就是油层到水层的过程，油水分界点可近似为突变的中间点(纵坐标约1 500ppm)。含油浓度变化可以与检测接触介质的状态变化相对应，即可以通过检测各层的含油浓度变化作为检测油水界面的关键依据。

3.2 近红外检测传感器油水实验

通过分析油罐油水分层与油分浓度的关系，可以得到近红外检测油水界面的关键在于找到一个合适的油水分界点，有效减少油水乳化带的影响。利用设计的近红外检测传感器分别在油、水和不同含油浓度的油水混合液中测试，为了直观地观测、分析实验数据，将探头的测量结果通过串口通信方式在上位机上显示。

如图5所示，在介质水中不断加入油，可以观测到，随着油浓度的不断增大，近红外检测传感器接收端接收到的光强度(直射值)不断减少，而且变化明显，从开始的591到最后的540。

利用近红外检测传感器分别检测纯水和纯油，采集到的数据如图6所示。在纯水中接收到的直射值是584，在纯油中接收到的值在320左右，从水到油的过程数值变化明显，结合油罐内部各层含油浓度分析，油水分界点可以近似设在584和320的中间值，即450左右。

通过分析实验数据可知，基于近红外吸收原理的近红外检测传感器可以准确检测油罐内部各区域的含油浓度，检测到的油浓度反映了介质区域状态，因此根据所测介质状态的变化，可以确定一个有效的油水分界点，减少油水乳化带的影响。

3.3 基于近红外光谱吸收原理的油水界面检测系统现场实验

构建如图2所示的油水界面检测系统，手持控制端与检测探头通过特制的卷尺相连，卷尺内部含有导线，探头内部装有近红外检测传感器，当探头处于空气、油或水等不同介质时，会发送不同的电信号给手持控制端，手持控制端记录实验结果。

实验用油和实验用水按图7规定分别混合成12种实验样液，每种实验样液在容器内按油、水比例为1∶8混合，每项实验需待油水界面完全清晰后进行，用标准长度尺测量油水界面的实际位置，然后用手持端控制探头以不大于10mm/s的速度向下移动，所记录的测量结果与实际值如图7所示。

分析图7可知，基于近红外光谱吸收原理的油水界面检测系统对柴油和汽油的检测结果较理想，测量误差不大于3mm，反应时间不大于1.0s;对浓度较高的2号原油和180cst燃料油相对测量误差较大，7mm左右，反应时间2.0s左右。现场实验基本满足设计要求，测量精度比传统方法(不大于10mm)高，且通过后续的软硬件修改，测量精度会进一步提高。

4 结束语

基于近红外光谱吸收原理的油水界面检测系统通过不同介质对近红外光吸收强度的不同，可有效确定油罐内部介质的状态，通过介质状态的变化，有效确定油水分界点，减少了油水乳化带的影响，进而准确检测油水分界面位置。系统结构简单、成本低。现场实验结果表明:该油水界面检测系统的测量精度满足了设计要求，且比传统的测量方法有所提高。

参考文献

[1]任磊,陈祥光,刘春涛.原油储罐油水界面测量方法的研究及应用[J].仪器仪表学报,2008,29(10):2186~2191.

[2]周兆岩.油水界面在线检测系统的研究[D].沈阳:东北大学,2011.

[3]Hao H H,Xiong J Q.A Method of Liquid Level Measurement Based on Ultrasonic Echo Characteristics[J].Computer Application and System Modeling,2010,11:682~684.

[4]董鹏敏,赵波,艾绳勇,等.原油储罐油水界面动态检测系统的研究[J].西安石油大学学报(自然科学版),2013,28(3):34~37.

[5]汪尔康.21世纪的分析化学[M].北京:科学出版社,1999:75~87.

[6]崔建峰.新型污水油份在线检测方法的研究[D].武汉:华中科技大学,2005.

篇4：红外光谱的原理及应用

关键词：数码相机；红外线滤光镜；红外照相；文件检验

红外线在电磁波谱中居于红光外端，是一种看不见的电磁辐射波。红外光谱较宽，波长范围在770nm-106nm。利用红外相机技术在文件痕迹检验中的应用，能够获取较好的优质检材。物质本身高于绝对零度（-273℃）时都会辐射红外线，而温度越低其辐射的波长越长，相反则波长越短。特别是红外线的穿透能力较强，即使是在有烟雾的条件下，也能很容易穿透纸张、油墨等介质，从而获得较好的取景图像。

一、红外数码相机的工作原理概述

对于普通红外数码相机来说，在实现光学成像原理时，必须依据传感器CCD或CMOS，将红外线亮度信号转换为模拟信号，并经过A/D（模数转换）生成可以识别的数字信号，并在微处理器（MPU）作用下实现对数字影像的存储和处理。从科学实验分析，太阳光的辐射能量中约有52%的红外线，而能够进行红外线照相的仅有1/3。在人造光源中，钨丝灯的光辐射波长范围与近红外线相匹配，峰值范围在800nm-1200nm之间，具有较好的红外线光源特征；对于激光红外线光源来说，其纯度更高，尤其是多波段光源能够实现对拍摄环境的特殊要求；汞灯、碳弧灯、闪光灯等也具有大量的红外线，也是十分理想的红外线光源。红外滤光镜是普通红外数码相机的必要部件，特别是对于特定波长的过滤。如公安部2所生产的680nm、750nm波长滤光镜，以及其他公司如Kodak公司生产的760nm、860nm、940nm等特定波长滤光镜。

普通数码相机的工作原理主要是借助于光学成像系统，由取景器、光圈、快门、传感器、调焦器、存储系统及输出接口等部件组成。对于红外功能的实现，主要取决于光学系统中的镜头和传感器。在镜头的凸凹透镜的复式组合中，可对350-2800nm之间的90%的光谱实现捕获，对于红外线的折射成像也是完全可以实现的。从当前影像传感器的感光范围来看，红外线也具有较好的接受能力。多数数码相机是以可见光为拍摄设计的，为了有效阻止红外线对正常成像的干扰，影像传感器前往往加装了红外截止滤光镜ICF。而有些满足夜间拍摄的数码相机，如索尼DSC-F717，在夜景模式下可以打开ICF。因此，在实际文检工作中，对于满足红外摄影的相机来说，可以对普通相机的ICF进行拆除，从而改装成专用的红外摄影相机。

二、红外数码相机在文检痕迹检验中的应用1.实验器材及样本

本研究选用佳能EOS600D作为红外数码相机，并拆除其ICF滤光器。选用100mm微距镜头，分别配备780nn、850nm、950nm红外滤光镜各一块。100w钨丝灯红外线光源。尼康D90数码相机及图像处理软件系统。在实验样本中选择某中性笔字迹，变造涂改文书，印章下的字迹及真伪钞票。

2.实验方法

利用佳能EOS600D更换为100mm微距镜头，并将其固定在翻拍架上。在钨丝灯下对不同的实验样本，选用780nm/850nm/ 950nm的红外滤光镜进行拍照。相机设置为光圈优先，同时利用尼康D90进行可见光对比影像拍摄。将所有红外影像及可见光下的图像导人到Photoshop CS5中进行图像优化处理，并保持为*.bmp文件格式进行对比分析。

3.结果分析

从字迹的拍摄效果来看，尼康 D90在可见光下，F5.6，A模式，ISO为100。佳能EOS600D在钨丝灯下焦距F5.6，A模式，IS0200，选用950nm红外线滤光镜。其结果差异较大，尼康拍摄的照片肉眼很难辨识，字迹墨水渗透至纸张中，而对于红外线拍摄来说具有较强的反射作用，能够得出较为清晰的显影效果。

选用印章下的字迹作为检材。在尼康相机的拍摄参数相同条件下，佳能相机的设置参数为室内自然光、F5.6，A模式，IS0200，选用780nm的红外线滤光镜进行拍摄。其拍摄结果对比来看，对于文书上的大多数印章来说，其油墨都能被红外线滤光镜穿透，而文书上的书写笔迹、打印机的墨粉等往往吸收红外线，由此得出的红外照片可以滤除掉印章印迹，从而获得对印章下文检字迹的清晰照片，提高文检鉴定的有效性。对于涂改变造的文书检材来说，从尼康相机的拍摄参数同上，佳能相机在室内自然光下，F5.6，A模式，选用780nm和850nm红外滤光镜进行分别拍摄，其结果显示，对于不同书写工具，因其墨水的差异性，在不同红外线穿透下，对红外线的吸收、反射性能也不一致。因此，可以从不同红外线滤光镜下的拍摄效果上对比出文字的涂改现象，从而为文检结论提供有力凭证。

针对真假人民币的对比效果。从尼康相机的拍摄参数选择上，光源选择室外，F4，A模式，ISO为100；佳能相机的拍摄参数选择室外自然光下，F5.6.A模式，对ISO选择为200，选用850nm的红外滤光镜。其拍摄效果对比分析可知，对于假币来说，因其制作工艺、印染材料等方面与真币存在差异，特别是在对防伪标志的识别上，因其不同纸张、不同染料等对红外线的反射、吸收等能力不同，在显影效果上与真币的红外线拍摄照片存在较大的差异性，从而有助于提升鉴伪能力。

三、结语在文检工作中，并非局限于上述检材，特别是由于文检实务工作的广泛性和特殊性，在文检和痕检样本中，还需要结合具体的检测对象，对不同红外线滤光镜的功用及范围进行全面分析，以便于增强文检工作效率。而红外照相技术作为司法文检实践中的重要技术，更要从其应用的广度和实用性上不断探索，以获取优质的检材。

作者简介：

肖莉（1974～），女，河南信阳人，三门峡市陕县人民检察院助理工程师。

篇5：红外光谱的原理及应用

用中红外光谱ATR方法对110例冻存,89例新鲜离体胃组织样品,80例新鲜胃镜样品进行研究,同时用中红外光纤法进行了6例在体原位的检测.对110例冻存样品,各项指标与病理检测结果的符合率平均可达到90%以上.新鲜离体与在体原位也大致同病理结果符合.为了研究地区差别,对杭州市第一医院消化科80例胃镜样品进行了光谱测定,根据病变程度可以看到相应的.光谱变化.结果表明中红外光谱法用于各种胃炎等胃部疾病和恶性肿瘤的检测是一种有效方便的方法.

作 者：徐怡庄 徐智 凌晓锋 赵莹 刘学新 潘庆华 王冰冰 张啸 任予 杨丽敏 杨文君 来国桥 张元福 翁诗甫 周孝思 徐端夫 吴瑾光 XU Yizhuang XU Zhi LING Xiaofeng ZHAO Ying LIU Xuexin PAN Qinghua WANG Bingbing ZHANG Xiao REN Yu YANG Limin YANG Wenjun LAI Guoqiao ZHANG Yuanfu WENG Shifu ZHOU Xiaosi XU Duanfu WU Jinguang  作者单位：徐怡庄,王冰冰,杨丽敏,张元福,翁诗甫,吴瑾光,XU Yizhuang,WANG Bingbing,YANG Limin,ZHANG Yuanfu,WENG Shifu,WU Jinguang(北京大学化学与分子工程学院,稀土材料化学及应用国家重点实验室,北京,100871)

徐智,凌晓锋,周孝思,XU Zhi,LING Xiaofeng,ZHOU Xiaosi(北京大学第三医院普通外科,北京,100083)

赵莹,刘学新,徐端夫,ZHAO Ying,LIU Xuexin,XU Duanfu(中国科学院化学研究所,北京,100080)

潘庆华,杨文君,来国桥,PAN Qinghua,YANG Wenjun,LAI Guoqiao(杭州师范学院及其附属医院,杭州,310015)

张啸,ZHANG Xiao(杭州市第一人民医院,杭州,310006)

篇6：红外光谱的原理及应用

近红外光谱检测蜂蜜中可溶性固形物含量和水分的应用研究

摘要：提出了一种利用近红外光谱技术定量分析蜂蜜中可溶性同形物含量(SSC)的新方法,同时对蜂蜜中的`水分也进行了研究.在不同光谱范围内,通过对原始光谱的不同预处理,用偏最小二乘法分别建立了SSC和水分的近红外透反射光谱校正模型,所有模型都有高的的预测精度和水分的最优模型都为在全谱范围内,光谱预处理采用Norris平滑+一阶微分+多元信号校正,SSC模型的交互验证决定系数(RCV2)、交互验证误差均方根(RMSECV)、验证集决定系数(RP2)、验证误差均方根(RMSEP).SSC模型分别为0.998 6,0.190,0.998 5和0.127,水分模型分别为0.998 4,0.187.0.998 6和0.125.近红外光谱能实现蜂蜜中SSC和水分的准确测定.水分模型预测结果略好于相关文献的报道. 作者： 李水芳[1]张欣[2]单杨[2]李忠海[1] Author： LI Shui-fang[1]  ZHANG Xin[2]  SHAN Yang[2]  LI Zhong-hai[1] 作者单位： 中南林业科技大学,湖南,长沙,410004湖南省食品测试分析中心,湖南,长沙,410025 期 刊： 光谱学与光谱分析   ISTICEISCIPKU Journal： SPECTROSCOPY AND SPECTRAL ANALYSIS 年，卷(期)： , 30(9) 分类号： S896.8 关键词：近红外透反射光谱    蜂蜜检测    可溶性固形物含量    水分    机标分类号： R31 TS2 机标关键词：近红外光谱检测    蜂蜜    可溶性固形物含量    水分模型    应用研究    Near Infrared Spectroscopy    Soluble Solids    交互验证    决定系数    SSC    近红外光谱技术    光谱预处理    偏最小二乘法    均方根    最优模型    准确测定    预测精度    预测结果    信号校正    校正模型 基金项目： 国家科技支撑计划项目

篇7：红外光谱的原理及应用

学生姓名： 学 号： 专业班级：

指导教师：

高压输电线红外检测的原理及技术特点

摘要

随着我国西电东送的实施，远距离高压输电的安全显得越来越重要、输电线路本身是输电安全的基础。红外检测技术具有易于实现自动化、高效无污染、监测可靠性高等特点。红外热像测温技术是利用红外热辐射探测输电线路中各种电器设备表面辐射的不为人眼所见的红外线热信息，然后转换成温度进行显示的一种先进技术。是一种被动的、非接触的设备过热监测手段。它能测量设备表面上某点周围确定面积的平均温度，以温度高低来判断工作工作状态是否正常。目前已在输电线路在线测温、电力设备故障诊断 领域得到广泛应用。

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

随着我国电力工业的飞速发展，现代电力系统结构的日益复杂，输电线路的输送容量和电压等级不断提高，远距离输电线路日益增多，输电线路故障对电力系统运行，工农业生产和人民生活的危害也日益严重。因此，在线路故障后，如果能够及时、准确的找到故障点，不仅对修复线路和保证可靠供电，而且对保证整个电力系统安全稳定和经济运行都有十分重要的意义[1]。

然而线路故障的查找及其困难的。首先随着输电电压等级向超高压和特高压发展，以及高速乃至超高继电保护装置和断路器的应用，线路故障切除的时间大大缩短，这使得大部分的故障没有明显的破坏迹象。这不仅给故障点的排查带来困难，而且将成为继发性故障隐患。其次远距离输电线难免要穿越山区、沙漠等偏僻地带，交通十分不便。再次，多数故障往往在风雪、雷雨等较为恶劣的天气中发生。因此输电线路故障测距技术的大力发展和广泛应用具有极其重要的作用，而且一直是国内外工作者研究的热点。

1.2 红外热成像测温技术的发展史

1800年，应该物理学家发现了红外线以及1900年德国物理学家普朗克的量子理论假设，对红热成像技术的发展与完善奠定了基础。

红外热成像技术是从战争中发展起来的。二次世界大战后，美国德克萨斯仪器公司开发研制出第一代用于军事领域的红外成像设置，称之为红外巡视系统。它是利用光学机械系统对被测目标的红外辐射扫描，由光子探测器接收两维红外

辐射迹象，经光电传换及一系列处理，形成视频图像信号。20世纪五十年代，随着高速锗掺汞光子探测器的发展，开始出现高速扫描及实时显示目标热图像的系统。20世纪60年代早期，瑞典AGA公司研制成功第2代红外成像装置，它在红外寻视系统的基础上增加测温的功能，成为红外热像仪。

1988年推出的全功能热像仪，集温度的测量、修改、分析、图像采集和存储于一体，质量小于7kg。一起的功能、精度和可靠性都得到显著的提高。

20世纪90年代中期，美国FSI公司研制成功由军用技术转民用，并商品化的新一代红外热成像仪-焦平面红外热像仪[2]。现场测温时只需要对准目标摄取图像，并将上述信息存储到机内的PC上即完成全部操作。

如今红外成像技术已经在冶金、化工、航海以及医疗等领域得到了广泛的应用。红外热成像技术在世界经济的发展中继续发挥着巨大的潜力。

使用红外热像仪检测检测时先对要监测的物体各部位进行全面扫描，找到异常设备，对异常部位准确测温，拍摄热谱图，通过计算机，应用分析上报异常热谱图和诊断报告。

红外热成像测温技术在设备检测的应用在国内外已经被广泛使用与传统测温技术相比，红外测温技术具有优势。红外测温具有不与物体相接触特点。

第二章 线路缺陷分析及红外检测原理

2.1线路发生缺陷原因

高压输电线路具有分布广、长期暴露于外面，经常气候多变的影响，使高压输电线路故障，使高压输电线路故障率高、故障点多。归结为以下几点：

（1）大风，风速超过设计风速时，会引起倒塔永久性地接地故障，风速接近设计风速时，会引起导线瞬时位移和出现偏转塔身的情况，使得放电间隙减小，造成瞬间线路跳闸，瞬间重合闸重合成功的故障。

（2）舞动，微风会引起导线、避雷线振动，从而使导线、避雷线断股、断线或金具零件断裂，进而造成线路故障。

（3）覆冰，导线避雷线，杆塔覆冰严重会增大导地线的驰度，增加杆塔的机械负荷，从而造成断线或倒塔，稳态横向风，覆冰脱落时产生的不平衡张力作用，会引起导线、底线舞动，从而造成导线之间或导线与避雷线之间发生短路故障。

（4）雷害，雷害故障在线路的故障总数中占较大比例，对电力系统的危害极大，危害500kV线路的主要是直接雷击主要有绕击和反击[3]。

以上列举了四种故障原因，在现实中还存在有许多原因，这里就不一一列举。

下面阐述红外热像技术原理。如今供电网络迅速发展，供电可靠性是电力安全行业检查、监督的重要指标。输电线路红外热像在线测温技术可以解决目前监测困难的问题。

2.2红外热像测温技术及原理

红外热像测温技术是利用光谱原理、探测输电线路中各种电器设备表面辐射的不为人眼所见的红外辐射热信息，用图像进行显示的技术是一种被不断电、远距离监测技术，通过五体表面温度异常来判定设备缺陷，红外热在该项技术的基础上研发的监测热故障设备。

红外辐射是电磁频谱的重要组成部分，包括微波、紫外线、无线电波、可见光、X射线和R射线。红外线波长在0.75至100m之间，是不可见光，所有摄氏温度零度以上的五体都在绵绵不断的向周围辐射红外能量。红外辐射实质是物理学中的热辐射，红外线辐射的能量大小和红外线的波长都和五体的表面温度紧密相关。通过红外测温仪的应用，迅速准确接收物体本身的能量，并对能量加以测量分析，进而精准地反应被测物体的温度，从中找出热缺陷[4]。电力设备的红外辐射通过大气传送到红外热像仪，热像仪中的光学系统设备辐射的能量聚集在红外探测仪上，探测仪将聚集到的辐射转变成为电信号，通过信号处理后显示现场红外数据。如图2.1所示典型红外探测仪器。

2.1典型红外探测器

2.3红外检测高压线路的优势及特点

远红外测温检验常用的方法有远红外线测温仪和红外热像仪个有优势，都有很好发展空间。

一、红外检测特点

1、不受电磁场的干扰

2、因为是非接触测量，十分安全

3、比蜡试温度准确

4、对高架构设备测量方便省力

二、引入远红外热成像仪后，采取以测量监测为主，打开线夹抽查为辅的办法，使导线及相关部件的技术管理水平得到提高，实现一化三性。

1、实现数字化，架空输电线设计规程规定，导线在长期最大负荷电流作用下，温度70C。，以往的检验方法无法对导线温度进行量化，只有在过热或不见温度达到一定程度时，才能在夜间通过目测观察到。而远红外热成像仪的使用，可以根据导线温度具体升高的情况采取相应的处置措施，杜绝导线缺陷演变成线路故障。把测量的数据存入计算机，用于技术分析，及时发现热缺陷，避免重大事故发生。

2、及时性，对大负荷线路而言，通过定期红外测温统计数据对比可及早发现导线异常状况，对雷击杆塔导线，在线路无法安排停电情况，先利用热成像仪对疑似部件进行测试，从测试结果迅速判断其运动状况，为下步工作提供技术支持。综上所述，远红外热成像仪的使用，使输电线路导线过热问题发现更准确，更及时。

3、便捷性，远红外热成像技术在输电线路上的应用，使固有的导线过热检验方式发生了改变，技术的提升让我们可有空减少夜间巡视的频次，降低安全隐患，使得维护生产更便捷，更高效。

2.4红外热检测方法

红外测温监测输电电路的判别有临界温升法和相对升温两种，临界温升法提出用发热点相对环境温度的温升来判断热缺陷，并给了对不同负荷电流下不同导线接头过热的临界温升表，当被检测点对环境温度的温升大于表中所规定的临界温升时就认为有缺陷，并按表中的温升确定缺陷种类，这种方法简单、清晰、实用性很强。但在实际的线路红外检测工作中，输电线上的设备受环境因素和设备自身发热状况不同，存在一定量的误差，分析热缺陷不够精确，相对温升法通过分析相对温差，根据电力行业分类。这种检测方法被测对象附近正常运行的导线或线路金具的最高温度为参考温度T2，被测量对象的温度T1，T0为环境参照体温度，根据公式：

tT1T2T1T0

T1:为发热点的温升和温度； T2：为正常相对应点的温升和温度； T0:为环境参照体的温度；

当公式计算结果35%时为一般缺陷；80%时为重大缺陷，95%时为紧急缺陷。这种方法可以消除太阳辐射造成的附加温升的影响。有效的解决了表面温度判断

法的不足，对电力设备的红外诊断具有一定的指导性，因此在实际工作中经常被采用。如下图2.2所示，可看出不同红外检测示意图。

2.2红外检测示意图

第三章 基于红外热成像技术的应用

3.1红外无损检测

红外无损检测，顾名思义，就是利用物体红外进行红外辐射原理，通过红外成像获取被测物体的温度部分来掌握其内部热量的流动，以此来鉴定物体内部是否在缺陷的一种无损的检测方法。

无损检测是以现代科学技术为依托并尽力在其基础上的一门应用型技术学科，它以不破坏监测物体内部结构为前提，应用物理学的方法，检测五体内部或表面的物理性能、状态特性以及内部构造，检查物质内部是否存在不连续性，从而来判断被测物是否还有符合规定，再来评价还是否具有适用性[5]。

无损检测技术重要性已在全世界得到了公认。无损检测在生产过程中产品质量的保证，材质、零件和产品的可靠性以及生产效率的提高、降低成本方面都起到了重大的作用。而红外无损检测就是根据五体的热辐射特性，扫描记录或者观测物体的表面。红外无损检测过程是与物体的热扩散过程息息相关的，所以又被成为热无损检测。

3.2 红外检测中故障定点查找

故障发生时，应立即确定已发生热故障点范围，这样对故障囊定位就有一个大致的范围。例如：110kV奔登线跳闸，要求巡线查找故障点。接到巡视命令后，技术人员可从调度中心调取继电保护动作记录，记录显示奔腾一次变110kV奔

登线808方向电流电压。零序II段保护动作跳闸。根据保护动作情况，分析判断故障点应该在40#-50#之间，于是我们先将巡视重点放在40#以后，结果发现110kV奔登线#47杆A、B两项绝缘子闪络[6]。提前近1个小时发现了缺陷，为顺利抢修争取时间。

第四章 建议及总结

应用红外测温仪监测热缺陷，首先要建立大容量带宽的传输通道。在通道带宽建设上，一个标清的摄像机经压缩后，传输视频需要1个2M口，拿一个变电站13路信号为例，就需要13个2M口。如果采用高清摄像机，并对重要部位的开关状态、仪表设备状态、显示数据等进行巡视，那么，要采用16M的宽带[7]。这样就可以避免因宽带不足，只能牺牲图像分辨率的情况出现。通过红外功能的摄像头可实现夜视功能，也可以安装带环境测温读的摄像头来辅助变电站的安防。

结合上文提到的检测方法，给出如下建议：

（1）当前，数据对比预测高压输电线的热缺陷是较为合理的，实用性较强。（2）我国高压输电线路的安装施工工作应加强安全隐患的管理。（3）必须加强对道题的监督，金具、接头、导线等的性能会直接影响高压输电线路的送电性能和安全性能，我国应在重视绝缘监督的同时，加强导体的监督及技术检测方法的管理。

（4）严格执行验收标准，实现无隐患投运，强化验收人员施工标准。通过推行标准化管理，电缆线路管理水平稳步提升，在今后工作中将继续加强标注化推行力度，想科学、标注化迈进。确保电缆线路安全平稳运行。

综上所述，该技术与传统测温技术相比，具有不受距离限制、不断电、安全可靠性高、易操作等优点，适合供电公司，发电厂等行业推广使用。

参考文献：

[1] 董其国.红外线诊断技术在电力设备中的应用[M].北京：机械工业出版社，1998 [2] 陈衡，候善敬.电力设备故障红外诊断[M].北京：中国电力出版社，1999 [3] 王方，邱道尹，岳艳杰，朱云.基于红外技术的变电站温差无线温度监测[J].电力自动化设备.2011(08)[4] R万兹蒂.红外技术的实际应用[M].北京：科学出版社，1981.[5] 关荣华，曹春梅，陈衡：工业设备内部缺陷的红外热诊断研究[J]:激光与红外：2001年04期

篇8：红外光谱的原理及应用

随着近红外光谱分析技术的研究和应用日趋活跃,对光谱分析仪器的信噪比、分辨率、实时性、稳定性等指标提出了更高的需求。国内外逐渐研制出种类繁多的近红外光谱分析仪器[2]。分析仪器的主要组成有:光源组件(用火花放电激发金属元素使之发光)、分光部件(分离和选择元素固有的发射光谱的谱线)、测光部件(对选定的谱线进行测光)和数据处理部件(对测定的信号进行处理)。

根据分光系统可以将分析仪器分为:固定波长滤光片型、光栅色散型、快速傅里叶变换型和声光可调滤光器(AOTF)型。AOTF被誉为“20世纪90年代近红外光谱仪器最突出的进展”[3~5],它采用声光调制产生单色光,即通过超声射频的改变实现光谱的扫描,消除了仪器的可移动部件,采用全固态设计,使仪器的可靠性大大提高,满足了工业在线分析和现场分析的需要。

1 AOTF-NIRS网络化检测系统的研究

AOTF近红外光谱分析仪器已经开始应用于食品安全方面的检测,但是其本身仍然存在很大的提升和发展空间以及一些尚未解决的问题,比如尚未实现网络化、数字化及图像化在线传输等。以下部分对AOTF-NIRS食品安全网络化检测系统的架构、原理及特点进行探讨。

1.1 系统架构

以AOTF为分光元件的红外光谱测量系统由单色红外发射系统、光谱接收系统及计算机控制系统组成,可称为一个AOTF工作站(如图1所示)。系统基于远程网络监控平台设计,多个AOTF工作站可进行组网(如图2所示),支持对近红外光谱分析仪器的环境温度、电流、电压、光源光强进行远程监控,保证仪器工作在一个稳定的环境中;可在近红外仪器运行时精确、实时地记录下仪器的运行状况,为仪器的调整和维修提供丰富的参考。

1.2 技术原理

从图1中可以看出,光源室的红外辐射经调制系统进入分光单色器,单色器发出的单色光进入测量组件,由探测器接收。探测器将探测到的光信号转成电信号,经前置放大器将弱电信号放大。放大后的信号经信号提取供嵌入式测控系统采集处理。最后将数据导入计算机分析软件,由分析软件将物质含量分析结果通过光谱曲线图方式表现出来。

光源照射到样品后,在其表面和内部产生漫反射,经检测器即得到该样品的近红外漫反射光谱,光谱经一阶导数预处理后根据所建立的数学模型从近红外光谱来计算同类型食品的相关化学成分含量。

由于不同样品的成分不同,对近红外吸收作用不同,近红外反射光谱也不会完全相同,所以应用近红外光谱进行检测技术的关键就是在两者之间建立一种定量的函数关系,即数学模型。依靠这种关系,就能从未知样品的光谱中求出样品的成分和含量。但样品的近红外光谱与其待测组分含量或质量指标之间的关系往往是非线性、多因子的复杂关系。目前所采用的多元线性回归、逐步多元线性回归、主成份回归和偏最小二乘等分析方法都是假设被研究体系为线性加合体系,因而都有其局限性。

人工神经网络模仿人脑处理信息,具有分布并行处理、非线性映射、自适应学习和鲁棒容错等特性,对处理灰色、黑色体系与非线性体系的信息有着突出的优点。

处理控制单元采集光谱信号,可实现红外波长的单步或连续扫描,并能够选择工作方式、显示测量结果。

系统可通过智能控制运行环境,远程监控仪器运行参数,以保证仪器运行正常。近红外光谱仪器在工作时有许多外界因素影响红外光谱吸收峰特征,其中有环境状态和样品的温度、仪器供电电压、光源的工作电流等。

1.3 技术特点

AOTF近红外光谱分析仪与传统的检测分析仪器相比,具有以下优点:

(1)全固化设计,小巧轻便,长时间不需对波长进行校准,免维护;建立模型速度快[6],模型移植性好(可以方便地在不同仪器间转移)。

(2)不受温度、湿度及灰尘等外界环境的影响,能够适应各种工况,既可以在实验室应用也可以现场应用,为在线检测提供了不同的解决方案,并体现了一机多用。

(3)系统灵敏度高、信噪比高。

(4)波长的重复性和稳定性好,可以实现连续或非连续波长选择。扫描速度快,光谱可在任意光谱范围和任意光谱分辨率调谐。

(5)测试效率高,样品测量用时少、测量样品数量多。一台近红外光谱仪通过光纤可连接数十个检测点,实现生产过程中不同检测点的在线高速实时检测分析。

2 应用

2.1 NIRS技术的应用原理

近红外光谱属于分子振动光谱,是基频振动的倍频和组合频,谱峰较宽,信号易获取且信息量大,它主要是由分子的振动能级变化产生的,它是由含氢基团(C-H、O-H、N-H、S-H)的伸缩振动产生的。近红外谱区光的频率与有机分子含氢基团振动的合频[7]及各级倍频的频率一致。研究表明,只有与氢原子有关的官能团能在NIR区形成有适当强度的倍频振动的频带[8]。因此,通过扫描样品的近红外光谱可以得到样品有机分子中含氢基团的特征信息。例如图3是饱和烃正己烷的近红外光谱。图3中1700~1800 nm(5882~5555 cm-1)处的一组吸收带分别是甲基和亚甲基的不对称与对称伸缩振动的一级倍频吸收,它们的合频吸收带在2300~2350 nm(4348~4255 cm-1)附近。图3中1150~1250 nm(8698~8000cm-1)处是C-H的二倍频吸收带。

众所周知,食品的主要组成部分就是有机物,而且出现的食品安全问题中涉及的绝大部分有毒或有害物质也都是有机物。因此,通过扫描样品的近红外光谱可以得到样品有机分子中含氢基团的特征信息。这样,几乎所有的有机物的一些主要结构和组成都可以在它们的近红外光谱中找到信号,不需要其他试剂,在测定光谱时原样测量液体、粉末、胶体等,不破坏或消耗样品,对样品的外观和内在结构不产生影响,样品测试后可原样保存。

虽然近红外光谱在理论上非常适合用于碳氢有机物质的组成性质测量,但是在该区域内,含氢基团化学键振动的倍频与合频吸收程度很弱,灵敏度相对较低,吸收带较宽且重叠严重,因此,依靠传统的建立工作曲线方法进行定量分析是十分困难的,这也是早期影响近红外光谱分析技术发展的致命原因所在。随着光学、计算机数据处理技术、化学计量学技术的不断发展,以及近红外光谱分析仪器的不断更新换代,采用性能优异的近红外光谱仪获取正确的分析数据,结合适当的化学计量学方法[9],建立稳定的应用模型才能实现近红外光谱分析的实际应用。

2.2 NIRS技术在食品安全领域的应用

三聚氰胺、染色馒头、地沟油,塑化剂等食品安全事件频频曝光,且有愈演愈烈之势。食品安全问题屡屡成为舆论关注焦点,这也促使食品质量安全的检测成为国际范围内广泛研究的热门课题。“民以食为天,食以安为先”,食品安全也是一门专门探讨在食品加工、存储、销售等过程中确保食品卫生及食用安全,降低疾病隐患,防范食物中毒的一个跨学科领域,更是事关国计民生的重点与难点问题,是确保居民消费安全的最基本手段。

目前,近红外光谱分析技术在解决食品安全领域的难题方面做出了突出的贡献,越来越受到社会的肯定和重视,该技术相继被应用到食品真伪以及掺假鉴别、食品种类鉴别、食品产地追溯、农药残留检测、污染物鉴别以及食品质量评估与分级等方面。

(1)食品真伪、掺假鉴别

食品真伪[10]、成分掺假问题用一般的化学方法分析费时费力,近红外光谱定性分析技术无需复杂的前处理即可通过光谱信息的分析提取出物质的特征信息,实现食品品质的快速鉴别。

(2)追溯原料产地

对原料产地[11]进行追溯,一旦出现食品安全问题,可快速溯源,采取及时有效的措施控制食品安全事故的扩散。

(3)鉴别食品种类

不同食品品种[12]间口感、品质等差别较大,为提高食品品质,品种鉴别愈显重要。

(4)检测有机农药残留

食品中有机农药残留[13]数量级基本都在ppm级,理论上超出近红外最低检测限,因此以高灵敏的检测仪器加上实际检测应用中的光谱实际采集、模型建立是有效的措施。

(5)食品质量评估与分级

近红外光谱分析技术可以用于食品加工中的过程控制,对食品采取实时品质监控可以有效保证食品质量安全。

2.2.1 在奶制品检测方面的应用

奶产品[14]的成分需要进行严格的控制,奶制品中不同成分的含量及添加剂的含量都有较为严格的规定。同时,奶制品在生产过程及消费过程中都应当保持足够的新鲜及安全,这要从原料乳开始抓起。而传统的成分测定方法,都需要太长的时间不能满足工业对加工过程进行控制的要求。近红外光谱分析技术的出现恰好为这种需求提供了可能性,多年来也一直在实践中进行应用。

用近红外光谱技术快速分析奶中的脂肪、蛋白和总固形物的含量已对奶产业产生了巨大的影响。此外,对奶制品尤其是原料乳的检测还包括理化检测、掺假检测和微生物检测。用近红外光谱分析方法检测牛乳成分的主要困难是牛乳为非透明液体。经长期试验验证,长波近红外反射、透射法及短波近红外透射法可以较好地用于牛奶中各种成分含量的检测。

2.2.2 在酒精饮料检测方面的应用

近红外光谱分析技术被广泛用来分析各种酒精[15]饮料(包括啤酒、葡萄酒和白酒)中乙醇的含量及水溶液中的乙醇、果糖和葡萄糖的含量,样品不用进行预处理,即可获得满意结果。比传统的比重法、重铬酸盐氧化法、分光光度法、气相色谱法及国外学者提出的紫外检测高效液相色谱法、酶法、核磁共振法、流动注射分析法更快速、准确、简便、廉价。

3 结束语

随着经济、社会的发展、科技的进步,近红外光谱分析技术在食品安全的各个领域都已经得到广泛的应用。发展产生需求,需求推动科技进步,近红外光谱分析技术也在不断发展中得到拓展和提升。

尤其近年来,出现了地沟油、瘦肉精等有毒、有害物质出现在人民日常生活所必需的食品中的公共安全问题,给人民的日常生活带来了极大的恐慌。这些有毒、有害物质的出现也要求技术手段上尽快找到合适的手段、建立稳定而又简单的模型来确定其检测方法,力争在问题食品进入消费市场之前查处。

在推动近红外光谱分析技术的发展,使其在食品安全检测发挥更有效的作用方面,建议采取以下措施:

(1)应完善近红外光谱数据库的建设,并做到资源共享;(2)目前的近红外检测仪器多为庞大的实验室仪器,应多发展适合于现场快速检测的便携式近红外分析仪;(3)面向食品公共安全重大需求,瞄准世界先进科技前沿,以民生安全需求为导向,以关键和集成技术创新为动力,以提升产业自主创新能力为核心。数字化、智能化、网络化光谱分析检测技术和光谱仪器必将是光谱技术和光谱仪器持续发展的主要方向。同时,产品应实现系列化、规模化,涵盖专用级、便携级、研究级等低、中、高端,不断拓展应用,形成规模效应。

摘要：针对近年来多发的食品安全问题,概括性地介绍了近红外光谱分析技术的原理、近红外光谱仪器分类、优势对比及其在食品质量与安全检测中的研究和应用情况。同时,探索性地提出了一种新型的食品安全网络测试分析系统,该系统是由多台基于声光可调滤波器的近红外光谱分析仪器联网组成的。并介绍了该光谱仪器的组成、原理及技术特点,对其在食品安全领域的应用前景进行了展望。最后,对近红外光谱分析技术未来的发展提出了几点建议。