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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上 紅外測溫儀系統(tǒng) 1. 引言 溫度是度量物體冷熱程度的一個物理量，是工業(yè)生產(chǎn)中很普遍、很重要的一個熱工參數(shù)，許多生產(chǎn)工藝過程均要求對溫度進行監(jiān)視和控制，特別是在化工、食品等行業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度的測量和控制直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。因此，實現(xiàn)對溫度的實時測定就顯的十分重要。然而，傳統(tǒng)的接觸式測溫儀表如熱電偶、熱電阻等，因要與被測物質(zhì)進行充分的熱交換，需經(jīng)過一定的時間后才能達到熱平衡，存在著測溫的延遲現(xiàn)象，故在連續(xù)生產(chǎn)質(zhì)量檢驗中存在一定的使用局限。但是，在自然界中,當物體的溫度高于絕對零度時,由于它內(nèi)部熱運動的存在,就會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.紅外測溫儀就是利用這一原理制作而成的。因此，紅外測溫儀具有使用方便，反應速度快，靈敏度高，測溫范圍廣，可實現(xiàn)在線非接觸連續(xù)測量等眾多優(yōu)點，正在逐步地得以推廣應用。 圖1 紅外測溫儀的測溫圖 2. 紅外測溫儀系統(tǒng)原理 2.1紅外測溫原理 一切溫度高于絕對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的分布——與它的表面溫度有著十分密切的關系。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據(jù)的客觀基礎。 　　黑體輻射定律：黑體是一種理想化的輻射體，它吸收所有波長的

3、輻射能量，沒有能量的反射和透過，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，從而導出了普朗克黑體輻射的定律，即以波長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，故稱黑體輻射定律。 由于黑體的光譜輻射功率Pb(λΤ)與絕對溫度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； T—絕對溫度； c1、c2—輻射常數(shù)。 式（1）說明在絕對溫度Τ 下，波長λ處單位面積上黑體的

4、輻射功率為Pb(λΤ)。根據(jù)這個關系可以得到下圖1的關系曲線： 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。這是紅外輻射理論的出發(fā)點，也是單波段紅外測溫儀的設計依據(jù)。 (2)隨著溫度升高，輻射峰值向短波方向移動(向左)，并滿足維恩位移定理T *λm = 2897.8 μm*K，峰值處的波長λm與絕對溫度Τ 成反比，虛線為λm 處峰值連線。這個公式告訴我們?yōu)槭裁锤邷販y溫儀多工作在短波處，低溫測溫儀多工作在長波處。 (3)輻射能量隨溫度的變化率，短波處比長波處大，即短波處工作的測溫儀相對信噪比高(靈敏度高)，抗干擾性強，測溫儀應盡量選擇工作在峰

5、值波長處，特別是低溫小目標的情況下，這一點顯得尤為重要。 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，單位時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溫技術的理論基礎。如果在條件相同情況下，物體在同一波長范圍內(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)因其結構不同值也不同，只有黑體ε=1，而一般灰體0<ε<1，由式(2)可得： 所測物體的溫度為： (4) 式(4)正是物體的熱輻射測溫的數(shù)學描述。 2.2紅外測溫儀結構 紅外測溫采用逐點分析的方式，即把物體一個局部區(qū)域的熱輻射聚焦在單個探測器上，并通過已知物體的發(fā)射率，將輻射功率轉化為溫度。由于被檢測的對象、測量范圍和使用場合不同，紅外測溫儀的外觀設計和內(nèi)部結構不盡相同，但基本結構大體相似，主要包括

7、光學系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成，其基本結構如圖3 所示。 基本原理為輻射體發(fā)出的紅外輻射，進入光學系統(tǒng)，經(jīng)調(diào)制器把紅外輻射調(diào)制成交變輻射，由探測器轉變成為相應的電信號。該信號經(jīng)過放大器和信號處理電路，并按照儀器內(nèi)的算法和目標發(fā)射率校正后轉變?yōu)楸粶y目標的溫度值。 圖3紅外測溫儀結構圖 如圖3所示紅外測溫儀是根據(jù)物體的紅外輻射特性,依靠其內(nèi)部光學系統(tǒng)將物體的紅外輻射能量匯聚到探測器(傳感器) ,并轉換成電信號,再通過放大電路、補償電路及線性處理后,在顯示終端顯示被測物體的溫度。系統(tǒng)由光學系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成,其核心是紅

8、外探測器,將入射輻射能轉換成可測量的電信號(見4圖) 。 圖4 紅外測溫儀系統(tǒng)結構框圖 3. 紅外測溫儀光學系統(tǒng)的設計 3.1紅外測溫儀光學系統(tǒng) 紅外測溫儀的光學系統(tǒng)由菲涅爾光學透鏡和濾光片組成。將該光學透鏡置于紅外熱釋電 傳感器上。這可以提高探測器的探測靈敏度以增大探測距離，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系統(tǒng)的透鏡，它和放大電路相配合，可將信號放大70分貝以上，這樣就可以測出10~20米范圍內(nèi)人的行動。? 　　菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學原理，在探測器前方產(chǎn)生一個交替變化的“盲區(qū)”和“高靈敏區(qū)”，以提高它的探測接

9、收靈敏度。當被測物從透鏡前經(jīng)過時，發(fā)出的紅外線就不斷地交替從“盲區(qū)”進入“高靈敏區(qū)”，這樣就使接收到的紅外信號以忽強忽弱的脈沖形式輸入，從而強其能量幅度。? 圖5 紅外測溫儀的光學系統(tǒng) 3.2 熱釋電紅外探測器 熱釋電紅外探測器的結構如圖6所示，通常由熱釋電晶體、氧化膜、濾光鏡片、結型場效應管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入傳感器。紅外測溫儀中的熱釋電傳感器采用的濾光片可以通過的紅外波長為8～

10、14um，而人體輻射的紅外線波長在10um左右，因此，該傳感器能敏銳地探測到人體的溫度。由于熱釋電探測器的輸出阻抗極高，而輸出電信號微弱，故在其內(nèi)部裝設場效應管(FET)及偏置電阻，以進行信號放大及阻抗匹配。 圖6 熱釋電紅外探測器的結構 圖7 雙探測元熱釋電紅外探測器的結構圖 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。當恒定的紅外輻射照射在探測器上時，熱釋電晶體溫度不變，晶體對外呈電中性，探測器沒有電信號輸出，因而恒定的紅外輻射不能被檢測到。當交變的紅外線照射到晶體表面時，晶體溫度迅速變化，這時才發(fā)生電荷的變化，從而形成一個

11、明顯的外電場，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應。由于熱釋電晶體輸出的是電荷信號，不能直接使用，需要用電阻將其轉換為電壓形式，該電阻阻抗高達10000兆歐，故引入N溝道結型場效應管接成共漏形式(即漏極跟隨器)來完成阻抗變換。如圖7. 傳感器將兩個特性相同的熱釋電晶體逆向串聯(lián)，用來防止其他紅外光引起傳感器誤動作。另外，當環(huán)境溫度改變時，兩個晶體的參數(shù)會同時發(fā)生變化，這樣可以相互抵消，避免出現(xiàn)檢測誤差。該傳感器使用時，D端（漏極）接電源正極，G端（柵極）接電源負極，s端（源極）為信號輸出。 熱釋電紅外傳感器內(nèi)部由光學濾鏡、場效應管、紅外感應源(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. 紅外測溫儀電路設計 4.1 測量電路 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?7-14μm，平均透過率?＞75%，輸出信號?＞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?139°×126°。并且采用雙靈敏元互補方法有效的抑制溫度的起伏、振動溫度變化產(chǎn)生的干擾，提高了傳感器的工作穩(wěn)定性，并且它的各項指數(shù)都比較好。適用于對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分別與測量電路中標的D、S、E連接起來即可。 圖11 傳感器的典型連接電路 紅外測溫系統(tǒng)的測量部分電路如圖12所示： 圖12 測量部分電路 D、S、E端分別對應了熱釋電探測器的D、S、G，其中D為場效應管漏極接+12V的電源，

14、S為經(jīng)過熱釋電探測器轉換后的電信號輸出，E為場效應管的負極接地。由S端輸入的信號經(jīng)過A1放大電路，A2濾波電路，A3積分電路，通過輸出端口輸入后續(xù)的積分顯示電路。 4.2 積分顯示電路 將模擬信號轉變成數(shù)字信號中，選用了ICL7106積分式A/D轉換器。積分式轉換器精度 成本低；精度與積分電阻，積分電容的精度有關，故可以降低對元件質(zhì)量的要求；抗干擾能力強；并且它的外圍電路簡單。 而顯示部分由多位液晶顯示驅動器ICL7106和標準段式液晶顯示屏EDS801及其他一些 元器件組成。經(jīng)過測量電路處理過的信號，經(jīng)過輸入端口進入A/D轉換電路，ICL7106進行A/D轉換，再與標準段的EDS8

15、01顯示屏顯示出被測物的溫度。 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 在實驗中通過調(diào)節(jié)A1輸出端的10KΩ變阻器，使A3輸出信號的大小發(fā)生改變，當A3的輸出小于2.0V時，可以適應ICL7106的量程為2.0V的工作特性，因此A3的兩個電位器用來調(diào)節(jié)A3輸出的大小，確保在高

16、溫時不超過2.0V。 5.紅外測溫儀的應用 紅外測溫儀具有非接觸和快速測溫的優(yōu)點, 在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和科學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量被測目標的表面溫度其次是利用測量物體的熱分布狀況判斷物體與熱分布有關的其他性質(zhì)的間接測量。舉例如下： 1> 鋼鐵工業(yè)中使用的紅外測溫儀占總量的一半以上。煉鋼、軋鋼、澆鑄、淬火時測量 控制溫度對提高產(chǎn)品的質(zhì)量起著重要的作用。對爐壁和機械設備熱故障的監(jiān)測為延 長使用壽命和安全保障提供依據(jù)。 2>在機械加工中, 測量控制熱處理部件的溫度對產(chǎn)品質(zhì)量起著關鍵的作用。 3>在化學工業(yè)中, 化工設備都在高溫高壓下工作, 監(jiān)測設

17、備的熱分布狀況, 判斷設備 工作情況, 檢測熱篙道接口熱損耗、熱泄漏故障是十分有用的。 4>在動力、電力業(yè)方面, 在運行及帶電條件下檢測動力設備、配電設備、電纜、電器接 頭等溫度的異常, 為設備的安全運行提供一定的保障。 5>在建筑業(yè)中, 通過對建筑物墻壁、樓面、房頂熱分布的檢測確定它的絕熱、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、植物表面溫度的測量, 糧食、種子烘干過程中溫度的測量, 農(nóng)副 產(chǎn)品如煙葉、茶葉加工過程中溫度的監(jiān)測, 中草藥烘干、制藥溫度的監(jiān)測。 7>在農(nóng)業(yè)方面, 土壤、植物表面溫度的測量, 糧食、種子烘干過程中溫度的測量,

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