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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上 紅外測(cè)溫儀系統(tǒng) 1. 引言 溫度是度量物體冷熱程度的一個(gè)物理量，是工業(yè)生產(chǎn)中很普遍、很重要的一個(gè)熱工參數(shù)，許多生產(chǎn)工藝過(guò)程均要求對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)視和控制，特別是在化工、食品等行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，溫度的測(cè)量和控制直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)測(cè)定就顯的十分重要。然而，傳統(tǒng)的接觸式測(cè)溫儀表如熱電偶、熱電阻等，因要與被測(cè)物質(zhì)進(jìn)行充分的熱交換，需經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后才能達(dá)到熱平衡，存在著測(cè)溫的延遲現(xiàn)象，故在連續(xù)生產(chǎn)質(zhì)量檢驗(yàn)中存在一定的使用局限。但是，在自然界中,當(dāng)物體的溫度高于絕對(duì)零度時(shí),由于它內(nèi)部熱運(yùn)動(dòng)的存在,就會(huì)不斷地向四周輻射電磁波,其中就包含了

2、波段位于0. 75～100μm 的紅外線.紅外測(cè)溫儀就是利用這一原理制作而成的。因此，紅外測(cè)溫儀具有使用方便，反應(yīng)速度快，靈敏度高，測(cè)溫范圍廣，可實(shí)現(xiàn)在線非接觸連續(xù)測(cè)量等眾多優(yōu)點(diǎn)，正在逐步地得以推廣應(yīng)用。 圖1 紅外測(cè)溫儀的測(cè)溫圖 2. 紅外測(cè)溫儀系統(tǒng)原理 2.1紅外測(cè)溫原理 一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長(zhǎng)的分布——與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此，通過(guò)對(duì)物體自身輻射的紅外能量的測(cè)量，便能準(zhǔn)確地測(cè)定它的表面溫度，這就是紅外輻射測(cè)溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。 　　黑體輻射定律：黑體是一種理想化的輻射體，它吸收所有波長(zhǎng)的

3、輻射能量，沒(méi)有能量的反射和透過(guò)，其表面的發(fā)射率為1，其它的物質(zhì)反射系數(shù)小于1，稱為灰體。應(yīng)該指出，自然界中并不存在真正的黑體，但是為了弄清和獲得紅外輻射分布規(guī)律，在理論研究中必須選擇合適的模型，這就是普朗克提出的體腔輻射的量子化振子模型，從而導(dǎo)出了普朗克黑體輻射的定律，即以波長(zhǎng)表示的黑體光譜輻射度，這是一切紅外輻射理論的出發(fā)點(diǎn)，故稱黑體輻射定律。 由于黑體的光譜輻射功率Pb(λΤ)與絕對(duì)溫度Τ 之間滿足普朗克定理： （1） 其中，Pb(λΤ)—黑體的輻射出射度； λ—波長(zhǎng)； T—絕對(duì)溫度； c1、c2—輻射常數(shù)。 式（1）說(shuō)明在絕對(duì)溫度Τ 下，波長(zhǎng)λ處單位面積上黑體的

4、輻射功率為Pb(λΤ)。根據(jù)這個(gè)關(guān)系可以得到下圖1的關(guān)系曲線： 圖2 黑體輻射的光譜分析 從圖1中可以看出： (1)隨著溫度的升高，物體的輻射能量越強(qiáng)。這是紅外輻射理論的出發(fā)點(diǎn)，也是單波段紅外測(cè)溫儀的設(shè)計(jì)依據(jù)。 (2)隨著溫度升高，輻射峰值向短波方向移動(dòng)(向左)，并滿足維恩位移定理T *λm = 2897.8 μm*K，峰值處的波長(zhǎng)λm與絕對(duì)溫度Τ 成反比，虛線為λm 處峰值連線。這個(gè)公式告訴我們?yōu)槭裁锤邷販y(cè)溫儀多工作在短波處，低溫測(cè)溫儀多工作在長(zhǎng)波處。 (3)輻射能量隨溫度的變化率，短波處比長(zhǎng)波處大，即短波處工作的測(cè)溫儀相對(duì)信噪比高(靈敏度高)，抗干擾性強(qiáng)，測(cè)溫儀應(yīng)盡量選擇工作在峰

5、值波長(zhǎng)處，特別是低溫小目標(biāo)的情況下，這一點(diǎn)顯得尤為重要。 根據(jù)斯特藩—玻耳茲曼定理黑體的輻出度 Pb(Τ)與溫度Τ 的四次方成正比， 即： (2) 式中，Pb(T)—溫度為T 時(shí)，單位時(shí)間從黑體單位面積上輻射出的總輻射能，稱為總輻射度； σ—斯特藩—玻耳茲曼常量； T—物體溫度。 式（2）中黑體的熱輻射定律正是紅外測(cè)溫技術(shù)的理論基礎(chǔ)。如果在條件相同情況下，物體在同一波長(zhǎng)范圍內(nèi)輻射的功率總是小于黑體的功率，即物體的單色輻出度 Pb(Τ)小于黑體的單色黑度ε(λ)，即實(shí)際物體接近黑體的程度。 ε(λ)= P(T)/ Pb(T)

6、 (3) 考慮到物體的單色黑度ε(λ)是不隨波長(zhǎng)變化的常數(shù)，即ε (λ)=ε，稱此物體為灰體。它是隨不同物質(zhì)而值不同，即使是同一種物質(zhì)因其結(jié)構(gòu)不同值也不同，只有黑體ε=1，而一般灰體0<ε<1，由式(2)可得： 所測(cè)物體的溫度為： (4) 式(4)正是物體的熱輻射測(cè)溫的數(shù)學(xué)描述。 2.2紅外測(cè)溫儀結(jié)構(gòu) 紅外測(cè)溫采用逐點(diǎn)分析的方式，即把物體一個(gè)局部區(qū)域的熱輻射聚焦在單個(gè)探測(cè)器上，并通過(guò)已知物體的發(fā)射率，將輻射功率轉(zhuǎn)化為溫度。由于被檢測(cè)的對(duì)象、測(cè)量范圍和使用場(chǎng)合不同，紅外測(cè)溫儀的外觀設(shè)計(jì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)不盡相同，但基本結(jié)構(gòu)大體相似，主要包括

7、光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖3 所示。 基本原理為輻射體發(fā)出的紅外輻射，進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)調(diào)制器把紅外輻射調(diào)制成交變輻射，由探測(cè)器轉(zhuǎn)變成為相應(yīng)的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器和信號(hào)處理電路，并按照儀器內(nèi)的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值。 圖3紅外測(cè)溫儀結(jié)構(gòu)圖 如圖3所示紅外測(cè)溫儀是根據(jù)物體的紅外輻射特性,依靠其內(nèi)部光學(xué)系統(tǒng)將物體的紅外輻射能量匯聚到探測(cè)器(傳感器) ,并轉(zhuǎn)換成電信號(hào),再通過(guò)放大電路、補(bǔ)償電路及線性處理后,在顯示終端顯示被測(cè)物體的溫度。系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成,其核心是紅

8、外探測(cè)器,將入射輻射能轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的電信號(hào)(見(jiàn)4圖) 。 圖4 紅外測(cè)溫儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 3. 紅外測(cè)溫儀光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.1紅外測(cè)溫儀光學(xué)系統(tǒng) 紅外測(cè)溫儀的光學(xué)系統(tǒng)由菲涅爾光學(xué)透鏡和濾光片組成。將該光學(xué)透鏡置于紅外熱釋電 傳感器上。這可以提高探測(cè)器的探測(cè)靈敏度以增大探測(cè)距離，菲涅爾透鏡用透明塑料制成，將透鏡的上、下兩部分各分成若干等份，制成一種具有特殊光學(xué)系統(tǒng)的透鏡，它和放大電路相配合，可將信號(hào)放大70分貝以上，這樣就可以測(cè)出10~20米范圍內(nèi)人的行動(dòng)。? 　　菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學(xué)原理，在探測(cè)器前方產(chǎn)生一個(gè)交替變化的“盲區(qū)”和“高靈敏區(qū)”，以提高它的探測(cè)接

9、收靈敏度。當(dāng)被測(cè)物從透鏡前經(jīng)過(guò)時(shí)，發(fā)出的紅外線就不斷地交替從“盲區(qū)”進(jìn)入“高靈敏區(qū)”，這樣就使接收到的紅外信號(hào)以忽強(qiáng)忽弱的脈沖形式輸入，從而強(qiáng)其能量幅度。? 圖5 紅外測(cè)溫儀的光學(xué)系統(tǒng) 3.2 熱釋電紅外探測(cè)器 熱釋電紅外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)如圖6所示，通常由熱釋電晶體、氧化膜、濾光鏡片、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管FET和電阻等部分組成。熱釋電晶體一般采用PZT（鉛陶瓷）或其他壓電晶體材料，將敏感材料PZT的上、下表面做成電極，并在其上表面上加一層黑色氧化膜，以提高轉(zhuǎn)換效率。在管殼頂端裝有濾光鏡片，它可以阻止不需要的紅外線或其他光線進(jìn)入傳感器。紅外測(cè)溫儀中的熱釋電傳感器采用的濾光片可以通過(guò)的紅外波長(zhǎng)為8～

10、14um，而人體輻射的紅外線波長(zhǎng)在10um左右，因此，該傳感器能敏銳地探測(cè)到人體的溫度。由于熱釋電探測(cè)器的輸出阻抗極高，而輸出電信號(hào)微弱，故在其內(nèi)部裝設(shè)場(chǎng)效應(yīng)管(FET)及偏置電阻，以進(jìn)行信號(hào)放大及阻抗匹配。 圖6 熱釋電紅外探測(cè)器的結(jié)構(gòu) 圖7 雙探測(cè)元熱釋電紅外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)圖 熱釋電紅外傳感器內(nèi)部的熱釋電晶體具有極化現(xiàn)象，并且隨溫度的變化而變化。當(dāng)恒定的紅外輻射照射在探測(cè)器上時(shí)，熱釋電晶體溫度不變，晶體對(duì)外呈電中性，探測(cè)器沒(méi)有電信號(hào)輸出，因而恒定的紅外輻射不能被檢測(cè)到。當(dāng)交變的紅外線照射到晶體表面時(shí)，晶體溫度迅速變化，這時(shí)才發(fā)生電荷的變化，從而形成一個(gè)

11、明顯的外電場(chǎng)，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。由于熱釋電晶體輸出的是電荷信號(hào)，不能直接使用，需要用電阻將其轉(zhuǎn)換為電壓形式，該電阻阻抗高達(dá)10000兆歐，故引入N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管接成共漏形式(即漏極跟隨器)來(lái)完成阻抗變換。如圖7. 傳感器將兩個(gè)特性相同的熱釋電晶體逆向串聯(lián)，用來(lái)防止其他紅外光引起傳感器誤動(dòng)作。另外，當(dāng)環(huán)境溫度改變時(shí)，兩個(gè)晶體的參數(shù)會(huì)同時(shí)發(fā)生變化，這樣可以相互抵消，避免出現(xiàn)檢測(cè)誤差。該傳感器使用時(shí)，D端（漏極）接電源正極，G端（柵極）接電源負(fù)極，s端（源極）為信號(hào)輸出。 熱釋電紅外傳感器內(nèi)部由光學(xué)濾鏡、場(chǎng)效應(yīng)管、紅外感應(yīng)源(熱釋電晶體)、偏置電阻、EMI電容等元器件組成，其內(nèi)部電路框圖如

12、圖8所示。 圖8 熱釋電紅外傳感器的內(nèi)部電路框 4. 紅外測(cè)溫儀電路設(shè)計(jì) 4.1 測(cè)量電路 選用的是RE200B雙元熱釋電傳感器，這種傳感器靈敏元面積?2.0×1.0mm2，基片厚度?0.5mm，工作波長(zhǎng)?7-14μm，平均透過(guò)率?＞75%，輸出信號(hào)?＞2.5V(420°k黑體1Hz調(diào)制頻率0.3-3.0Hz?帶寬72.5db增益)，噪聲?＜200mV(mVp-p)?(25℃)，平衡度?＜20%，工作電壓?2.2-15V，工作電流?8.5-24μA(VD=10V,Rs=47kΩ,25℃)，源極電壓?0.4-1.1V(VD=10V,Rs=47kΩ,25℃)，工作溫度?-20℃-?+7

13、0℃，保存溫度?-35℃-?+80℃，視場(chǎng)?139°×126°。并且采用雙靈敏元互補(bǔ)方法有效的抑制溫度的起伏、振動(dòng)溫度變化產(chǎn)生的干擾，提高了傳感器的工作穩(wěn)定性，并且它的各項(xiàng)指數(shù)都比較好。適用于對(duì)人體溫度和一些生產(chǎn)線上溫度不是很高的地方使用。 熱釋電傳感器與溫度儀的連接框圖： 圖9 傳感器單元與熱輻射溫度儀框圖 如圖9所示：將傳感器的D、S、E分別與測(cè)量電路中標(biāo)的D、S、E連接起來(lái)即可。 圖11 傳感器的典型連接電路 紅外測(cè)溫系統(tǒng)的測(cè)量部分電路如圖12所示： 圖12 測(cè)量部分電路 D、S、E端分別對(duì)應(yīng)了熱釋電探測(cè)器的D、S、G，其中D為場(chǎng)效應(yīng)管漏極接+12V的電源，

14、S為經(jīng)過(guò)熱釋電探測(cè)器轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)輸出，E為場(chǎng)效應(yīng)管的負(fù)極接地。由S端輸入的信號(hào)經(jīng)過(guò)A1放大電路，A2濾波電路，A3積分電路，通過(guò)輸出端口輸入后續(xù)的積分顯示電路。 4.2 積分顯示電路 將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)中，選用了ICL7106積分式A/D轉(zhuǎn)換器。積分式轉(zhuǎn)換器精度 成本低；精度與積分電阻，積分電容的精度有關(guān)，故可以降低對(duì)元件質(zhì)量的要求；抗干擾能力強(qiáng)；并且它的外圍電路簡(jiǎn)單。 而顯示部分由多位液晶顯示驅(qū)動(dòng)器ICL7106和標(biāo)準(zhǔn)段式液晶顯示屏EDS801及其他一些 元器件組成。經(jīng)過(guò)測(cè)量電路處理過(guò)的信號(hào)，經(jīng)過(guò)輸入端口進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換電路，ICL7106進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再與標(biāo)準(zhǔn)段的EDS8

15、01顯示屏顯示出被測(cè)物的溫度。 具體的積分顯示電路如圖13。 圖13 LCD顯示電路 4.3電源電路 圖14電源電路 該系統(tǒng)電源電路如圖14所示。該系統(tǒng)采用12V 直流電源供電。將220V交流電通過(guò)變壓器T 降壓，全橋U 整流，C10 濾波，為系統(tǒng)提供12V直流電壓。 4.4整體電路 圖15整體電路 在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)調(diào)節(jié)A1輸出端的10KΩ變阻器，使A3輸出信號(hào)的大小發(fā)生改變，當(dāng)A3的輸出小于2.0V時(shí)，可以適應(yīng)ICL7106的量程為2.0V的工作特性，因此A3的兩個(gè)電位器用來(lái)調(diào)節(jié)A3輸出的大小，確保在高

16、溫時(shí)不超過(guò)2.0V。 5.紅外測(cè)溫儀的應(yīng)用 紅外測(cè)溫儀具有非接觸和快速測(cè)溫的優(yōu)點(diǎn), 在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和科學(xué)研究方面都有著廣泛的用途。按其使用的途徑可分為兩大類首先是測(cè)量被測(cè)目標(biāo)的表面溫度其次是利用測(cè)量物體的熱分布狀況判斷物體與熱分布有關(guān)的其他性質(zhì)的間接測(cè)量。舉例如下： 1> 鋼鐵工業(yè)中使用的紅外測(cè)溫儀占總量的一半以上。煉鋼、軋鋼、澆鑄、淬火時(shí)測(cè)量 控制溫度對(duì)提高產(chǎn)品的質(zhì)量起著重要的作用。對(duì)爐壁和機(jī)械設(shè)備熱故障的監(jiān)測(cè)為延 長(zhǎng)使用壽命和安全保障提供依據(jù)。 2>在機(jī)械加工中, 測(cè)量控制熱處理部件的溫度對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量起著關(guān)鍵的作用。 3>在化學(xué)工業(yè)中, 化工設(shè)備都在高溫高壓下工作, 監(jiān)測(cè)設(shè)

17、備的熱分布狀況, 判斷設(shè)備 工作情況, 檢測(cè)熱篙道接口熱損耗、熱泄漏故障是十分有用的。 4>在動(dòng)力、電力業(yè)方面, 在運(yùn)行及帶電條件下檢測(cè)動(dòng)力設(shè)備、配電設(shè)備、電纜、電器接 頭等溫度的異常, 為設(shè)備的安全運(yùn)行提供一定的保障。 5>在建筑業(yè)中, 通過(guò)對(duì)建筑物墻壁、樓面、房頂熱分布的檢測(cè)確定它的絕熱、裂漏隱患 及缺陷的位置。確定工廠、建筑物熱耗的管理。 6>在農(nóng)業(yè)方面, 土壤、植物表面溫度的測(cè)量, 糧食、種子烘干過(guò)程中溫度的測(cè)量, 農(nóng)副 產(chǎn)品如煙葉、茶葉加工過(guò)程中溫度的監(jiān)測(cè), 中草藥烘干、制藥溫度的監(jiān)測(cè)。 7>在農(nóng)業(yè)方面, 土壤、植物表面溫度的測(cè)量, 糧食、種子烘干過(guò)程中溫度的測(cè)量,

18、農(nóng)副 產(chǎn)品如煙葉、茶葉加工過(guò)程中溫度的監(jiān)測(cè), 中草藥烘干、制藥溫度的監(jiān)測(cè)。 8>在科學(xué)研究方面, 由于紅外測(cè)溫儀的突出優(yōu)點(diǎn), 使得在特殊試驗(yàn)條件要求一能提供 測(cè)溫手段, 應(yīng)用范圍較廣。 總之，其應(yīng)用范圍很廣，由此可見(jiàn)紅外測(cè)溫儀的用途很大，對(duì)工業(yè)，農(nóng)業(yè)的發(fā)展有著重要的作用。 參考文獻(xiàn)： [1] 唐岳湘，趙修良，單健，俞紅.紅外線人體測(cè)溫儀電路的設(shè)計(jì).測(cè)控技術(shù).2006.11:136-138 [2] 陳可中,譚翔,量建杰,辭明暉,王戎丞,肖桂平.紅外測(cè)溫儀的設(shè)計(jì).電子測(cè)試技術(shù).2007. 10(10):11-14 [3] 劉海濤，徐亞?wèn)|.非接觸式紅外測(cè)溫儀設(shè)計(jì).科學(xué)論壇.2011(31):81-84 [4] 任婷婷，張?chǎng)?，梁志華.淺談紅外人體測(cè)溫法.計(jì)量與測(cè)試技術(shù).2008.35(12):44-46 [5] 吳海洋，魏計(jì)林，邱選兵.一種基于ARM的人體紅外測(cè)溫系統(tǒng).紅外.2011.3:34-38 專心---專注---專業(yè)