（电路与系统专业论文）医用红外测温仪及温度补偿技术的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要摘要红外测温是目前最主要的非接触式测温方式之一。它具有响应速度快、测量范围宽、灵敏度高等优点，因而被广泛应用于各行各业。红外测温仪在用于体温检测时其测量温度范围应在2 4 0 到4 5 0 之问，精度要求为士o 1 。但目前使用的红外测温仪即使其精确度指标为1 ，也远远达不到测量体温的精度要求。另外，在2 4 0 到4 5 0 的温度范围内，红外测温仪的测量精度很容易受外界环境温度的影响，导致其测量误差增大。同时红外测温仪的精度和稳定性很容易受到外界环境温度的影响。因此，减小外界环境因素对红外测温仪的影响具有十分重要的意义。本课题针对目前医用红外测温仪的现状，在查阅了大量国内外文献的基础上，提出了一种新的环境温度的补偿方法。这种方法是根据热释电探测器的工作原理，以被测物体与环境温度的差值作为参考量，根据其差值的大小确定补偿量的多少。通过数字测温：占片测量环境温度，采用软件补偿的方式，避免了以往用热敏电阻的缺点。在红外测温系统中，红外信号经过光学系统的汇聚、斩波器的调制和热释电探测器的接收后转变成频率为2 0h z 的脉冲信号。此信号经过放大、滤波、整形和a d 转换成数字信号，再送到单片机中进行数据的处理、补偿和显示。在系统的设计过程中，采用w a v e 6 0 0 0 单片机仿真系统对单片机进行调试。为了保持各部分之间正确的时序关系，软件全部采用汇编语言来编写。系统经过定标和测试表明：本系统在测量的精度和稳定性上有所提高。关键词红外测温仪；热释电探测器；发射率；温度补偿；单片机；定标一翌坐查兰二堂堡主堂堡笙苎a b s t r a c ta sam a i nw a yo fn o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n t ，i n f r a r e dm e a s u r e m e n th a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sr a p i dr e a c t i o n ，w i d em e a s u r e m e n tr a n g ea n dh i g hs e n s i t i v i t ye t c t h e r e f o r e ，n o n c o n t a c tt h e r m o m e t r yc a r lb eu s e di nv a r i e t yo fs p o t s w h e ni n f r a r e dt h e r m o m e t e ri su s e di nm e d i c i n e ，t h er a n g eo fi n f r a r e dt h e r m o m e t e ri sr e g u l a t e db e t w e e n2 4 0 。c t o4 5 0 a n di t sp r e c i s i o nm u s tb e0 1 w h e ni ti su s e di nm e d i c i n e ，b u tm o s to fi n f r a r e dt h e r m o m e t e rc o u l d n ta c h i e v et h i sr e g u l a t i o n ，m e a n w h i l e ，i nt h i st e m p e r a t u r er a n g e ，t h ep r e c i s i o no fi n f r a r e dt h e r m o m e t e rc a nb eg r e a t l ya f f e c t e db ya m b i e n tt e m p e r a t u r et h ee r r o rw i l li n c r e a s e dg r e a t l yt o o a f t e rl o o k e du pl o t so fd a t aa n dr e a l i z e dt h ed e f e c to fi n f r a r e dt h e r m o m e t e ri nm e d i c i n a ls c o p e s ，an e wc o m p e n s a t o r yw a yo ne n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r ei sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h i sn e ww a yb a s e so nt h ep r i n c i p l eo fp y r o e l e c t r i cd e t e c t o ra n dd e f i n e st h eq u a n t i t yo fc o m p e n s a t i o na c c o r d i n gt ot h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nt a r g e ta n di t ss u r r o u n d i n g t h ea m b i e n tt e m p e r a t u r ei sm e a s u r e db yad i g i t a lc h i pm a dp r o c e s s e dw i t hs o f t w a r e t h i sn e ww a yc a no v e r c o m et h ed e f e c to ft h e i t n a lr e s i s t a n c e a f t e rf o c u s e db yl e n s ，c h o p p e db yc h o p p e ra n dr e c e i v e db yd e t e c t o r ，i n f r a r e ds i g n a li st r a n s f o r m e dt oe l e c t r i cs i g n a lw h o s ef r e q u e n c yi s2 0h zi nt h i si n f r a r e ds y s t e m t h ee l e c t r i cs i g n a li sp r o c e s s e d ，c o m p e n s a t e da n dd i s p l a y e di nm i c r o c o n t r o l l e rs y s t e ma f t e ri ti sa m p l i f i e d ，f i l t e r e da n da d j u s t e db yc i r c u i t d u r i n gd e s i g no ft h i si n f r a r e ds y s t e m ，m i c r o c o n t r o li sd e b u g g e dw i t hw a v e 6 0 0 0s i m u l a t i o ns y s t e ma n ds o f t w a r ei sc o m p i l e di na s s e m b l yl a n g u a g eb e c a u s eo ft i m i n gr e l a t i o nb e t w e e ne v e r yp a r t t h et e s to ft h i si n f r a r e dt h e r m o m e t e ri n d i c a t e st h a tp r e c i s i o na n ds t a b i l i t yh a si m p r o v e da l r e a d y b u ti tc o u l d n tr e a c ho l x rc o u n t r y ss t a n d a r d so nm e d i c i n a lt h e r m o m e t e r 1 1a b s t r a c tk e y w o r d si n f r a r e dt h e r m o m e t e r ；p y r o e l e c t r i cd e t e c t o r ；e m i s s i v i t y ；t e m p e r a -t u r ec o m p e n s a t i o n ；m i c r o c o n t r o l l e r ；c a l i b r a t i o ni i i第1 章绪论1 1引言第1 章绪论红外线是波长位于o 7 6 儿n p l0 0 0h m 之问的电磁波，它存在于自然界的每个角落。事实上，一切高于绝对零度的物体都在不停地辐射红外线【2j 。红外线是从物质内部发射出来的，物质的运动是产生红外线的根源。众所周知，物质是由分子、原子组成的，它们按照一定的规律运动着，其运动状态也在不断地发生变化，凶而不断地向外辐射能量，这就是热辐射现象。红外辐射的物理本质是热辐射，这种辐射的量主要由物体的温度和材料本身的性质决定。特别是，热辐劓的强度及光谱成分取决于辐射体的温度，也就是说，温度对热辐射现象起着决定性的作用口】。温度是反映物体冷热程度的物理量，在一切物体的运动过程和生产过程中，几乎可以说热和温度的变化无处不在。据统计，工业生产中5 0 以上的检测量是温度。可以毫不夸张地说，温度的检测是现代工业的命脉。测量温度的方法可以分为接触式和非接触式测温【4 j 。传统的接触式测温方式由于其反应速度慢、测温时间长= 、干扰物体的温度场等缺点而使其应用范围受到限制。非接触式测温是通过测量表征被测温度的物理参数来求得被测温度的，它不存在热接触和热平衡带来的缺点，被广泛应用在石油化工、电子电器、航空航天 那、环境监测、医疗卫生等各行各业当中。目前主要的非接触式测温方式是红外测温。红外测温不仅可以测量温度很高的、有辐射性的、高纯度的物体，而且可以测量导热性差的、小热容量的、微小的目标，运动的物体，以及固体、液体表面温度的测量【6 j 。具有响应速度快、测量范围宽、灵敏度高【7 | 、对被测温度场无干扰、热隋性误差小等特点。并可用于显微测量和远距离测量当中。二维热像仪的出现，更增加了红外技术的应用范围。正是基于红外测温的大量优点，国外有关专家曾指出：“从x 光有史以来，工业领域当中，红外技术是最有力、最有前途、可视行强1 2 红夕l , i n 温仪的分类到二十世纪初，辐射法测温的理论准备己基本完善。又经过了几十年的努力，应用于工业现场的红外测温仪，已有了三利，类型的传统形式。即全辐射测温仪、单色测温仪和比色测温仪。i 2 1 全辐射测温仪全辐射测温仪是通过测量波长从零到无穷大的整个光谱范围内的辐射功率来确定物体的辐射温度 9 。辐射温度就是指当实际物体总的辐射功率( 包括所有的波长) 与绝对黑体总的辐射功率相等时，则黑体的温度叫做实际物体的辐射温度。目前尚无对全光谱波段辐射均匀相应的探测器，也没有能透过全光谱波段的窗口或透镜的红外光学材料，因此，全辐射测温只是一个理想化的概念。实际使用的全辐射测温仪只是对较宽波段范围的辐射进行的测量，所接收的辐射能量为总辐射能量的大部分值。根据斯蒂芬一波耳兹曼定律m y = i 。e i 卣矿5 e x p ( f 2 旯丁一1 ) 1 一d 2 = g o t4( 1 - 1 )式中m ，为绝对温度为r 时物体的光谱辐出度；s 。为物体的光谱发射率；7 t 为物体的绝对温度；a 为波长；卣为第一辐射常数；厶为第二辐射常数；s 为物体表面的发射率；盯为斯蒂芬一波尔兹曼常数h o 。由上式可以知道，物体表丽的辐射功率不仅取决于物体的温度丁，还依赖于物体表面的发射率s 。由于不同物体的发射率差异很大，所以不能只通过测量辐射功率来单一地决定物体的温度。全辐射测温仪通常要通过黑体定标。设黑体温度为死。，它所对应的辐射功率为2第1 章绪论m t 8 b = 田：b在仪器定标和实测时，若两者的接收功率相同m t = s a t 4 = m = 镀：8由此得t =? 7 jf 1 2 、应有如下关系f 1 3 1f 1 4 1其相对误差为t 1 1 】a t t = l f 17 4f 1 5 1凼为被测物体的发射率总小于1 ，所以全辐射测温仪的指示温度总低于物体的真实温度。显然，目标的发射率越接近丁1 ，则测温仪的指示温度就越接近目标的真实温度；反之，发射率越小，误差就越大。1 2 2 单色测温仪单色测温仪是通过测量目标发射的某一波长范围内的辐射功率来确定目标亮温的仪器【1 2 】。所谓亮温是指温度为，的辐射体，如它在某一波长范围内的辐射功率与温度为。的黑体在同一波长范围内的辐射功率相等，则定义z j 。为该辐射体的亮温。假如目标的光谱发射率：已知，将普朗克公式在( 兄 + 丑) 内积分帆= r 。s 轰t - 5 f e x p ( 善：兄7 _ ) 一1 。1 d a ( 1 - 6 )可知，测温仪接受到的辐射功率只与温度有关。若取兄为单位波长，在2 t 厶时，式( 1 6 ) 将简化为m 。= s 五。5 e x p ( 4 2 a t ) 。1( 1 - 7 )若用黑体标定，由亮温的定义，这时，温度为瓦。的黑体辐射能量应等于温度为丁的目标辐射能量。即m 。= 。轰万5 【e x p ( f ：j t t ) = 卣矿5 e x p ( 4 2 肛瓦。) 。( 1 - 8 )：r 二是得燕山人学工学硕十学位论文a t t = 丑丁矗l n ( s 像)( 1 9 1由式( 1 9 ) 可知，测试波长选的越短，由发射率引起的误差就越小，所以单色测温仪一般工作在短波区。但短波单色测温仪的温度覆盖范围窄，易受外界的干扰。而长波单色测温仪虽然测量误差偏大，但它有较宽的温度覆盖范围，且对太阳、炉壁、火焰等高温物体的杂散辐射引起的误差不大敏感。此外，根据维恩位移定律可知f 1 3 】，随着温度的升高，辐射功率最大的波长向短波方向移动。因此，测量低温目标宜选用长波波长，而测量高温目标宜选用短波波长。1 2 3 比色测温仪比色测温仪是根据两个波段辐射能量的比值与物体温度的函数关系来测定物体色温的【“】。设实际物体的真实温度为丁，在波长 和五，处的光谱发刺率为s 。和s 。当该物体在这两个波长处辐射功率之比与某一温度为瓦。的黑体在这两个波长处的辐射功率之比相等时，这个黑体的温度瓦。就叫做该物体的有色温度，简称色温。比色测温仪可在一定程度上消除因发射率不同而造成的误差。只要发射率在这两个波段内的变化是缓慢的，这两个波段上的辐射能量的比值就主要决定于被测物体的表面温度。而光学系统上的灰尘、视场局部被遮挡、测试空间有烟雾、灰尘和测距变化等等旧，只要它们对这两个波段的辐射功率的影响近于相同，这些因素对测量结果就无显著影响。同样，元件的性能或电路放大倍数的变化对测量结果也无显著影响。根据色温的定义，假定有 ( + ) 和兄：( ：+ 丑) 两个波长范围，且五选为单位波长，丑， 彘。利用黑体标定目标温度，则由式( 卜7 ) 得出两个波长辐射功率的比值为= 瓮m = 嚣e 冲m 击一堋z屯正5 lrl a z j若e 坤1 。象 剖m 正5 一。l 瓦。l 五厶jl、d第1 苹绪论经整理得了a t = 嚣( 1 - 1 1 )一，i丁善：( 百1 一正1 ) “”一7由此可见，为了提高比色测温的精度，关键是选择合适的波长，使两个波长处的发射率相近【1 7 】。般说来， 和如越接近，s 。和s 。相差就越小，测量误差也就越小。而由式( 1 1 0 ) 亦知，若将丑和a ，选择在短波，爿两者相差较大，测量误差也会减小。可见，这两方面的要求是矛盾的。早在1 9 6 6 年，前苏联科学院冶金所的专家就提出：物体的光谱发射率可近似的认为是对于波长的多项式。即p = 口。( 功爿( 1 1 2 )式中口，( t ) 是与温度有关的多项式的系数。这也就是说，在一定的温度和表面状况下，物体的辐射发射率仅为波长的函数。通常情况下只取两项就可以达到足够的精度。目前出现的三波段、四波段、甚至八波段的多波段红外测温仪 18 , 1 9 1 。就是根据上述理论研制的。波段越多，测温仪的结构就越复杂，另外太多的波段也会导致发射率方程组的病态程度加深。1 3 发射率和环境因素对红外测温仪的影响1 - 3 1发射率对红外测温仪的影响发射率是指相同的几何条件和光谱条件下，实际物体与同温度黑体的辐射能通量之比【2 0 1 。由于实际物体的发射能力都比同等温度下黑体的辐射能力低，所以辐射发射率是个小于1 的数值【2 “。因而用公式( 1 3 ) 、式( 1 8 )和式f 1 1 0 1 定标的全辐射测温仪、单色测温仪以及比色测温仪，其指示温度都不是被测物体的真实温度【2 “。都存在一定的误差，且误差大小与材料的发射率有关。由式( 1 5 ) 、式( 1 9 ) 和式( 1 1 1 ) 可计算出在t = 1 0 0 0 时，发射率对测温仪示值误差( 丁) 的影响。见表1 - 1 。燕山大学上学硕十学位论文表1 - 1 材料发射率对三种红外测温仪的示值影响f 1单色测温仪比色测温仪全辐射测温仪材料o6 5 山n1p mo5 0 05 8u “08 5 10u m全波段s l c9 51 3 82 04 14 9 1 6i i 墨1 4 士51 8 81 4 27 4 - 26 9 l lw c3 8 16 5 1 01 0 14 7 2 69 0 2 1从表1 1 看出，物体发射率对红外测温仪的测量精度有很大的影响1 2 。作为表征材料表面辐射特性的一个物理量，发射率的大小与材料的表面温度、辐射波长、发射角度、偏振方向有关。这种依赖关系很容易受表面状况一包括表面粗糙度、氧化层的厚度、物理或化学杂质等的影响。这种复杂的参数要准确的测量是非常困难的1 2 ”。菲涅尔定律揭示出材料的热辐射是偏振的，并取决于发射角和折射率，据此，法国m c c 公司研制出通过测量3 次偏振光亮度，求出材料的发射率和真实温度的t 4 0 0 型测温仪，从而在原理上解决了发射率的影响。但仪表结构复杂，成本高，且只能在固定距离和方向上测量，很难在工业上得以实用 2 6 。1 3 2 环境因素对红外测温仪的影响环境因素对红外测温仪的影响主要表现在以下两个方面：一方面，自红外源发出的辐射，大都要经过一定距离传输才能被红外探测器接收。而大气中的多原子气体分子，例如h 2 0 、c 0 2 、0 3 、c h 4 、n 2 0 、c 0 等，对红外辐射具有强烈的吸收作用。非干燥大气中吸收红外线最强烈的是水蒸气和二氧化碳。水蒸气在2 ，7 微米和3 6 微米有强吸收带，在0 5 4 、0 7 2 、o 8 1 、0 8 5 、o ，9 4 、1 1 、1 3 8 、1 8 7 、3 2 微米有不太强的吸收带。二氧化碳则在4 3 微米和1 5 微米有强吸收带，在0 7 8 1 2 4 微米、1 4 、1 6 、2 0 、2 7 、4 8 、5 2 、9 4 、1 0 4 微米有不太强的吸收带盼2 8 1 。这些气体分子除吸收红外线外，还将散射红外线。由于大气的吸收和散射，使红外辐射发生第1 章绪论衰减，严重时，可以使红外仪器无法工作。5 5 - ? - 面，由于外界辐射源的存在，尤其是附近热辐射体的存在，使测温镜头实际接收剑的辐射能量大于目标投入镜头的能量，由此产生的测量误差也十分明显 2 9 。表1 - 2 提供感受波长范围为 9g m ，1 2p i n 的测温镜头，环境温度在2 7 0k 至3 3 0k 范围内，对从3 0 0k 至13 0 0k 目标温度进行测量时产生的能量误差( ) 。从表1 - 2 中可以看出，当目标温度越低，环境温度越高时，能量误差就越大。因而红外测温仪的测量误差就越大。表1 - 2 能量误差随环境温度与目标温度的变化关系( )t a b l e1 - 2t h ev a r i a t i o n a lr e l a t i o n s h i po f e n e r g ye r r o rw i t he n v i r o n m e n ta n do b j e c tt e m p e r a t u r e淡2 7 0 k2 8 0 k2 9 0 k3 0 0 k3 1 0k3 2 0 k3 3 0 k3 0 ( j k2 03 72 35 02 67 43 ( 1o ( )3 32 33 64 53 95 95 0 0 k36 443 551 259 668 678 288 37 0 0 kl5 3l8 52 1 725 429 43 3 738 49 0 0 k09 3l1 213 3l5 5i 8 020 72 3 5l1 0 0 k06 407 609 110 612 314 2l6 2】3 0 0 k0 ，4 605 506 607 708 91 0 311 71 4 医用红外测温仪的现状尽管红外测温仪早己在工业领域广泛应用，但由于医用红外测温仪的特殊要求，直到1 9 8 6 年ts h i n o z a k i 等才酋次应用热电堆探测器制成了耳道式红外体温计，用来测量人体鼓膜的温度 3 0 】。虽然热电堆所做的仪器在响应速度、精度等方面都能达到较高的要求，但它有很大的局限性，如信号强度小，非线性，电损耗大，仪器重，成本高。由于热释电探测器具有响应速度快、光谱响应宽、工作频率宽、灵敏度与波长无关等优点，1 9 8 9 年以来，热释电耳道式测温仪已成功的用于体温测量，1 9 9 1 年以后该产品已遍及欧美市场l j “。7燕山大学工学硕士学位论文我国在这方面的起步较晚。2 0 0 3 年，由中科院物理研究所王树铎教授研制的“非接触、口腔式红外线电子体温仪”才获得专利授权。在此之前，完全不与人体接触、又满足医疗测量精度的要求的体温计，还没有面世。即使是上述两种体温测量仪，由于其自身的特点，也不适合对大流量人群的快速检测。耳道式体温测量仪在测量的时候需将探头插进人的耳道内【j “，而“非接触、口腔式红外线电子体温仪”在测温时需对准人的口腔，且其远距离测温易受外界环境温度的影响，导致测量精度的下降。萨是由于上述两种红外体温测量仪的这些特点，制约了它们在公共场合的应用。1 5 课题的意义和内容1 5 1 课题的意义红外测温仪在用于体温检测时其测量温度范围应在2 4 0 到4 5 0 。c ，精度要求为士o 1 。但目前使用的红外测温仪即使其精确度指标为1 ，也远远达不到测量体温的精度要求。根据昆明物理研究所实测过几百台、套各种类型国内外生产的测温仪得出的数据，测量精度最好的仅为2 ，差的竟有1 0 的偏差! 同时，当被测目标的温度在2 4 0 到4 5 0 之间时，外界环境温度与被测目标的温度很接近，外界环境温度对红外测温仪的精度影响就十分显著。提高医用红外测温仪的测量精度，必然要考虑外界环境温度对它的影响。非典疫情过后，人们越来越注重公共卫生安全。非接触、高精度医用红外测温仪的研究，对于在公共场合、大流量人群的快速检测具有重要的意义。它不仅具有巨大的商业价值，而且具有重大的社会价值。1 5 2 课题的内容本课题为自选课题。研究的主要内容是设计一种能满足医用要求的红外测温仪。为了提高红外测温仪的精度，课题中对外界环境温度采取了软件补偿的方法。第2 章光学系统和光电转换第2 章光学系统和光电转换2 1红外测温仪的光学系统红外测温仪光学系统的作用是重新改善光束的分布，更有效地利用光能。红外光学系统的使用可大大提高灵敏面 二的照度，从而提高仪器的信噪比，增大系统的探测能力。2 1 1 红外测温仪光学系统特点与其它光学仪器相比，红外测温仪的光学系统具有下面几个特点：第、测温仪光学系统的作用是会聚能量，它的后续部件是光电转换器，所以它所成的像必须是实像。第二、理论 ：，测温仪的测量距离为o 一。但一般的红外测温仪的测量距离并不太远，尤其是在工业应用场合。辐剩传递通路上的介质吸收和固体遮挡物等因素将直接影响测温的精确度。通常，测温仪的最近测量距离为2 0c m ，最远测量距离为2 0m 左右，所以不能将目标光源看成平行光。第三、在含透镜的光学系统中，由于透镜材料对不同波长的光有不同的折射率，使成像平面的位置不同。因而，无论是单波段、双波段或多波段红外测温仪的光学系统设计，都要按预先确定的1 二作波段进行设计”“。2 1 2 常用红外光学系统结构常用的红外光学系统有三种结构形式，即透射式光学系统( 辐射束通过其中的折射介质) ；反射式光学系统( 辐射束受到其中一个或几个反射镜的反射) ；组合式光学系统( 由透射式和反射式系统组合而成) 。2 12 1 透射式光学系统透射式红外光学系统也称折射式红外光学系统，它般由一个透镜或组合透镜构成。透射式光学系统有如下两种结构：9一塞些奎兰兰堡主主堡丝兰( 1 ) 单透镜如图2 - 1 所示。这种系统结构简单，加工方便，在成像质量要求不高、通光口径较小的场合使用。( 2 ) 组合透镜组合系统由若干个单透镜组成，如图2 2 所示。这种系统能很好的消除像差，可获得较好像质，但总透过率低。图2 - 1单透镜光学系统示意图图2 - 2 组合透镜光学系统示意f i g2 - 1t h es k e t c hm a po ff i g 2 - 2t h es k e t c hm a po fs i n g l el e n sc o m b i n e dl e n s2 1 2 2 反射式光学系统由于红外波段的范围较宽，能满足各种物理上、化学上、机械上性能要求的红外透光材料不多。同时透射式光学系统色差很大，消除色差的透镜不易设计制造。为了减小色差，常采用反射式光学系统。典型的反射系统有：( 1 ) 牛顿系统牛顿系统的主镜是抛物镜，次镜是平面，如图2 3 所示。这种系统结构简单，易于加工。但挡光大，镜筒长，因而重量也大。图2 3牛顿光学系统示意图f i g 2 - 3o p t i c a ls k e t c hm a po f n e w t o n1 0第2 章光学系统和光电转换( 2 ) 卡塞格伦系统卡塞格伦系统的主镜是抛物面，次镜是双曲面，如图2 - 4 所示。这种系统较牛顿系统挡光少，像质好，结构尺寸小，但曲面加_ 丁较困难。图2 - 4 卡塞格伦系统f i g 2 - 4t h es y s t e mo f c a s e r g r a i nf 3 1 格利高利系统该系统的主镜是抛物面，次镜是椭球面。这种系统的加工难度介于牛顿系统与卡塞格伦系统之阳j ，且所成的像是正像。与透射式光学系统相比，反射式光学系统具有材料要求不高、重量轻、成本低、光能损失小、不存在色差，且能有效减小系统慧差等优点。但其中心挡光，有较大的轴外像差，难于满足大视场和大孔径成像的要求。2 12 3反射一透射组台式光学系统无论透镜式光学系统还是反射式光学系统都存在多种像差，如球差、慧差、像散、畸变、像面弯曲和色差等。像差的大小依赖于光学系统的相对孔径、光束相对于光轴的倾斜角度和制作光学系统的材料等。此外，像差也依赖于透镜的曲率半径、厚度，以及透镜间的空气间隙。反射透射式光学系统可以结合反射式和透射式系统的优点，采用球面镜取代非球面镜，同时用补偿透镜来校正球面反射镜的像差，从而可获得较好的像质。但这种系统往往体积大，加工困难，成本也较高。典型的组合式反射一透射系统系统以下三种：( 1 1 施米特系统这种系统的主镜是球面反射镜，其前面安装有一块校正板，如图2 。5 所示。根据校正板厚度的变化来校正球面镜的像差。：彳! 塞些兰三堂堕圭兰堡丝塞( 2 ) 曼金折射一反射镜这种系统由一个球面反射镜和一个与它相贴的弯月形折射透镜组成，如图2 - 6 所示。它所采用的透镜是负透镜，用以校正球差，但色差较大，故常将此透镜做成胶合消色差透镜。由于曼余折射一反射镜都由球面组成，因而造价低廉，加工和安装较容易。图2 - 5 施米特系统示意图f i g 2 - 5s k e t c hm a po fs c h m i t ts y s t e m镜图2 - 6 曼金折射反射镜f i g 2 - 6m a n g i nr e f r a c t o ra n dr e f l a c t o r( 3 ) 马克苏托夫系统该系统的主镜为球面镜，与曼余折射一反射镜相似，仍采用负透镜校正球面镜的球差，但让负透镜与球面镜分离，利用形状与位置两个自由度，可以消去更多的像差，其像质必然比曼金折射一反射镜有更大的改进 3 2o v视场1 1 7 。前截止波k75 1 4u m噪声 7 5 源极电压05 07 v峰值波长65 05 m n工作电压2 2 1 5 v工作电流8o 2 4u a2 4 本章小结本章详细介绍了红外测温仪光学系统的参数设计和选择。同时也介绍了红外探测器的种类、原理和探测器的选择。燕山人学工学硕士学位论文第3 章电路系统设计3 1 红外信号的调制调制实质上是对所需处理的信号或被传输的信息做某利，形式| 二的变换，使之便于处理或传输。对于红外系统，当被测物体温度一定时，由目标所发射的辐射通量总是恒定的，位于一定距离处的红外系统所接收到的辐射通量也是恒定的。为了探测目标，需要对目标辐射能进行调制，即把红外系统接收到的恒定辐射能转换成随h , 1 问变化的断续的辐射能，以便热释电红外探测器的接收和后续电路的处理。3 1 1 斩波器的设计对红外信号的调制可以通过两个途径来实现：一种是在光学系统的焦平面附近加斩波器，使红外辐射断断续续地落在探测器上，这样探测器就产生随时问变化的交流信号：另一种是让光学系统扫描，这样就可以得到交流信号。对于交流信号，可以用交流放大器进行放大和处理。斩波器是一种最简单的辐射调制器，一般用金属片制成。课题中所使用的斩波器形状如图3 1 所示。图3 - 1 斩波器的形状f i g3 - 1s h a p eo f c h o p p e r2 8第3 章电路系统设训当热释电红外探测器的窗口被扇形金属片遮挡时，探测器没有输出信号；当探测器不被扇形金属片遮挡时，探测器上就有输出信号。因此，靳波器不断地旋转，探测器就会输出一系列的脉冲信号。3 1 2 斩波器的驱动斩波器要不停地旋转才能对红外信号进行连续地调制。为了可靠地控制斩波器的转动，课题中采用步进电机带动斩波器转动，而步进电机则由s a a l0 4 2 芯片进行驱动。3 1 。2 1 步进电机步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲，电机转轴就步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。步进电机具有转动惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。因而厂泛应用于机电一体化产品中。课题选用丰源微特电机有限公司生产的2 0 b y 2 0 l 0 1 型两相永磁步进电机，其主要性能指标如表3 - 1 所示。表3 - 12 0 b y 2 0 l o i 的性能指标步距角相数电压电流电阻最大静转矩定位转矩转动惯量一l8 。25 v05 a1 0 n7 5e c n l3 0 9 c m0 6g c m 。2 0 b y 2 0 l 0 1 的接线图如图3 - 2 所示。aab孬图3 - 22 0 b y 2 0 l 0 1 接线图f i g 3 - 2w i r i n gd i a g r a mo f 2 0 b y 2 0 l 0 12 9岔耍m_ 坠生墅堡主兰堡笙苎3 1 2 - 2 步进电机驱动芯片对于2 0 b y 2 0 l 0 1 型步进电机。可以采用两相双p 日拍的驱动方式，按a b b 再一百五百a - a b 的次序，依次给四个线圈通电，步进电机就能顺时针旋转。s a a l 0 4 2 是适宜于两相步进电动机双极性驱动的单片集成电路。其内部结构如图3 - 3 所示。从图中可以看到，它包含三个信号输入极、一个逻辑控制单元和两个驱动输出极。幽3 3s a a l 0 4 2 结构框幽f i g 3 - 3b l o c kd i a g r a mo f s a a l 0 4 2s a a l 0 4 2 的各引脚功能如f ：三个输入端接收微处理器来的控制指令，内部均设有滞环缓冲电路，以消除噪声影响。7 脚输入时钟脉冲，上跳沿起作用。1 0 脚是c w c c w 控制步进电动机转向的输入端，输入逻辑电平0 或l ，分别对应于步进电动机顺时针( c w ) 或逆时针( c c w ) 方向。8 脚是整步半步方式控制端。输入低电平时为整步方式，输入高电平时为半步方式。驱动输出端3 、1 和1 6 、1 4 分别接步进电动机的两相绕组l 1 、l 2 和l 3 、l 4 。四端内部均接有二极管，它们共同按至引脚2 ，一般从2 脚到1 5脚之间串入稳压：二级管，使绕组产生的过高正向尖脉冲得到钳位，以保护驱动级中的晶体管。第3 章电路系统殴计，6 脚输入端需外接电阻r b ，其作用有两个：、当r b 接地时，给驱动级设置一定的步进电动机电流。- 2 、在r b 卜加卜一定电压信号作为本集成电路的状态设援( s e t 信号) 。当此s e t 信号为高电平时，四个输出端被关闭呈高阻态，而s e t 的信号回到低电平，直到一个时钟脉冲上跳沿到来，l 1 、l 2 、l 3 、l 4 被置为1 0 1 0 状态。中间的4 、5 、1 2 、1 3 脚为接地端。3 1 23矩形脉冲波产生电路n e 5 5 5 是一种用于产生矩形波振荡信号的高稳定装置，是一种应用灵活方便的集成组件，在各类检测电路中得到广泛应用。n e 5 5 5 工作于多谐振荡状态的外部接线图如图3 4 所示。当工作于振荡状态时，其输出信号的频率和占空比由两只外接电阻r 、b 和一只外接电容c ，来决定。工作时，外接电容c ，通过电阻足+ 月：充电，通过r ，放电。因此，输出信号的频率可以通过二者的适当比值来精确调节。在这种工作方式中，电容的充电值和放电值分别在( 1 3 p 么和( 2 3 此。之间。电容的充电时间和放电时间及输出信号的周期与电源电压无关。了5 v图3 4 脉冲形成电路f i g 3 - 4c i r c u i to f f o r m i n gp u l s e充电时间( 输出高电平) 为五= r 1 c 2 l n 2放电时间( 输出低电平) 为瓦= r 2 c 2 l n 23 1( 3 1 )( 3 - 2 )燕山大学上学硕士学位论文振荡信号的周期为t = 正+ 疋= ( r j + r 2 ) c 2 l n 2( 3 - 3 )占空比为q = 志( 3 - 4 )本课题需要一个1 0 0h z ，占空比为5 0 的方波信号。那么可选择定时电容c = 0 0 1 心，将t = o 0 1s 代入式( 3 3 ) 中，可得r 】= r 2 “7 5 0 k f 2 。3 1 2 4 步进电机的驱动电路综上所述，实际的步进电机驱动电路如图3 5 所示。图3 - 5 步进电机驱动电路f i g 3 - 5d r i v i n gc i r c u i to fe t e c t r o m o t o r3 2 信号的放大和滤波热释电探测器接收到经过斩波器调的红外辐射能量后，转变为交变的脉冲电信号。这种电信号是十分微弱的，通常只有几毫伏。对这种能量过于微弱的电信号，既无法直接显示，一般也很难做进一步的分析处理。若要将信号进行数字化的处理，则须把信号放大到数伏量级才能被般的模3 2i - 薯：二一数转换器所接受。5另外，由于信号中不可避免的包含有各种噪声，所以必须要对探测器检测到的信号进行滤波，以使有用频率信号通过而i 司时抑制( 或大为衰减)无用频率信号。以往这种滤波器主要采用无源元件r 、l 和c 组成，六十年代以来，集成运算放大电路获得了迅速发展，由它和r 、c 组成的有源滤波器，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。此外，由于集成运算放大电路的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出阻抗又低，构成有源滤波器后还具有一定的电压放大和缓冲作用。3 2 1 有源滤波器的设计3 2 1 1 工作频率的确定5 5 5 定时器产生频率为1 0 0 h z 的时钟信号而时钟信号的每一个上跳沿都会驱动步进电机顺时针旋转1 8 。每2 0 个时钟脉冲就会使步进电机旋转一周。根据斩波器的形状特点，步进电机每旋转一周，都会使热释电探测器接收到的红外信号变化四次。因此可以计算出来红外测温仪的工作频率为2 0h z 。3 2 1 2 集成运算放大器的选择o p 0 7 是一种超低失调的集成运算放大器。其共模输入阻抗可达2 0 0m q ，输出阻抗仅为6 0n 。可广泛应用于精密仪用放大器、传感放大器、桥式放大器、热偶放大器、精密测试系统、医疗器械设备、自动控制系统、波形发生与变换电路等领域。o p 0 7 的具体参数如表3 - 2 所示表3 - 2 0 p 0 7 的功能参数参数参数值参数参数值参数参数值输入失调f u h i 00 6 m v输入失调电流 o8n a转换速率0 1 7 v u s输入偏置电流 1 1 0 d b电源电压抑制比1 0 4 d b静态功耗 31 * 1 07 n失调电挑温度系数 o6 h z噪声电压02 5 v ，h z擐人差模输入电压3 0 v燕山大学工学硕士学位论文3 2 13 滤波电路的设计根据系统的工作频率，设计一个带通滤波器，使其中心频率为2 0h z ，带宽约为2 0h z 左右。则滤波电路和放大电路的连接如图3 - 6 所示放r 4图3 - 6 带通滤波电路f i g 3 - 6b a n d p - a s sf i l t e r由下列公式可计算出滤波器的中心频率和带宽肛土c b r 云+ 旦r 4jl3r 5j整形电路( 3 5 )兀= 去砖b 斯b s ，“= 1 十r 7 r 6g = u n 3 c b( 3 - 7 )( 3 - 8 )式中b 为滤波器的带宽，f o 为滤波器的中心频率，g 为滤波器的增益。对该电路进行p s p i c e 仿真，其仿真结果如3 - 7 图所示。从图3 - 7 中可以看出：该电路的中心频率约在1 8h z 处，带宽约为2 2h z 左右。2 0050第3 章电路系统设计，、f、，2?，、，、j 、| 、，i，j -，i 、一一7 70 103103 01 03 0频率h z矧3 7 滤波器的仿真结果f i g3 - 7s i m u l a t e dr e s u l to f f i l t e r3 2 2 信号的放大和整形3 2 2 1 放大电路的设计课题中采用的放大电路如图3 - 8 所示图3 - 8 放人电路f i g 3 - 8t h ea m p l i f i e r3 5燕山大学t 学硕士学何论文课题中采用两级耦合放大电路，级间采用阻容耦合方式，以消除直流信号的影响。同时，为了通过2 0h z 的低频信号，在电路中分别采用了4 7 妒和2 0 虹的钽电解电容。在放大电路中，对幅值为2m v ，频率为5 0h z 的方波信号进行仿真。电路的仿真结果如图3 - 9 所示。两级电路的放大倍数约为10 0 0 倍左右。图3 - 9 放大电路的仿翼f i g 3 - 9s i m u l a t e dr e s u l to fa m p l i f i e r32 2 2 信号的整形热释电探测器输出的电信号是正负交变的近似方波的脉冲信号。此信号经过放大和滤波，变成了近似于正弦波的交流信号。为了便于后续电路的处理，还需要将此信号进行整形。整形电路采用四个锗二极管组成的桥式整流电路，经过整形后的信号就成为单向的脉动信号。具体f 乜路如图3 1 0 所示。图3 1 0 整形电路f 培3 - 1 0c o m m u t a t i n gc i r c u i t3 6第3 章电路系统设计3 3 本章小结本章详细阐述了系统信号的调制方式及其实现。同时介绍了放大电路、滤波电路的设汁和仿真结果，以及其硬件电路的实现。燕山大学工学硕士学位论文第4 章数据的采集和显示4 1 数据采集4 1 1a d 转换器的选择a d 转换器的种类繁多，特性各异。要选择合适的a d 转换器，最重要的是明确使用的目的，确定合适的转换速率和转换精度。这样，就能选择性能合适、性价比较高的模数转换器。所谓a d 的转换速率，是指能够重复进行数据转换的速度，即每秒转换的次数。而a d 的转换精度是指在一个转换器中，任何数码所对应的实际模拟电压与其理想电压之差的最大值。在本课题中，系统的工作频率为2 0h z ，而每个周期需要采样2 0 次，因此每秒需要采样4 0 0 次。a d 转换器的采样频率应大于4 0 0h z 。同时采用1 2 位的a d 转换器以提高系统的测温精度。综合考虑，本课题选用了美国b b 公司生产的a d s 7 8 2 4 模数转换器。4 1 2a d s 7 8 2 4 功能简介a d s 7 8 2 4 是美国b b 公司推出的一种低功耗4 通道1 2 位并行串行模数转换芯片。该芯片是一种开关电容式逐次逼近模数转换芯片，其内部自带采样保持器( s h a ) 、时钟源、+ 2 ，5v 参考电压及与微处理器的并行串行接k i 。同时，它还可以在连续转换模式下对外部4 通道模拟输入信号进行顺序转换。与其它a d c 相比，a d s 7 8 2 4 具有非常低的功耗和丰富的片上资源，且内部结构紧凑，集成度高，工作性能好，可在一4 0 8 0 范围内正常工作，非常适用于仪器仪表及便携式探测器使用。412la d s 7 8 2 4 的基本特点和主要参数内部带有采样保持器( s h a ) ，采用1 2 位逐次逼近( s a r ) 模数转换方式。第4 章数据的采集和显示采样频率为4 0 k h z ，最大采样与转换时间为2 5u s 。数据可并行或串行输出，并带有三态输出缓冲电路，可直接与各种微处理器相连。积分非线性( i n l ) 最大为士o 5l s b ，无漏码的差分非线性( d n l ) 最大为1 2 位。具有连续转换模式、转换无失码。典型信噪l e ( s n r ) 为7 3d b 。孔径延迟( a p e r t u r ed e l a y ) 时间为4 0i l s 。内带+ 2 5v 基准电压，也可选用外部+ 25v 基准电压。差分电压输入范围为士1 0v ，同时带有四通道多路选择器。采用单+ 5v 电源供电。正常工作情况下的功耗为5 0m w ；关闭模式下的功耗仅为5 0u w 。4 12 2 内部结构及引脚说明图4 1 所示为a d s 7 8 2 4 的内部结构框图，图4 - 1a d s 7 8 2 4 内部结构框图f 培4 - 1i n t