毕业论文--红外线测温仪.doc

毕业论文-红外线测温仪【毕业论文】 摘 要红外线测温仪以其响应速度快准确便捷使用寿命较长等优势在冶金电子石化食品等行业得到广泛应用成为企业故障检测产品质量控制和提高经济效益的重要手段本课题是受某公司委托进行研究一方面揭示规律另外建立实验系统通过课题研究锻炼科学研究能力同时培养光机电综合能力铝的温度测量注重研究红外测温的原理红外传感器的特性在此基础上制作温度测量仪温度测量仪分为信号采集信号放大信号处理信号传输四个部分选用OTP-537F2红外探测器为系统的传感器以STC12C5A60S2为主控芯片 RS232协议传输显示测量结果选用ICL7650和CD4051进行程控放大选用OP07进行信号的放大关键词红外辐射发射率中低温测量信号放大 AbstractExternally pressurized gas bearing has been widely used in the field of aviation semiconductor weave and measurement apparatus because of its advantage of high accuracy little friction low heat distortion long life-span and no pollution In this thesis based on the domestic and overseas researchingKeywords keyword 1 keyword 2 keyword 3 keyword 6英文摘要与中文摘要的内容应一致在语法用词上应准确无误关键词间用逗号相连内容及关键词用Times New Roman 小4号字目 录摘要Abstract 结论7参考文献8致谢 9第1章 绪 论在大量的科研与工业中离不开测温非接触式测温有快速准确便捷使用寿命长等优势正被越来越多的人们所认识在冶金电子石化交通能源橡胶食品等行业得到广泛应用成为企业故障检测产品质量控制和提高经济效益的重要手段非接触式测温主要是利用任何物体都会发出红外辐射的原理来测量的随着现代红外技术的不断成熟和日益完善利用红外检测的远距离不接触准确实时快速等特点发展起来的红外检测技术由于在不停电不取样不解体的情况下能快速实时地在线监测和诊断大多数故障所以倍受国内外的重视并得到快速发展11 课题背景及研究的目的和意义温度是确定物质状态的最重要参数之一它的测量与控制在国防军事科学实验及工农业生产中具有十分重要的作用特别是高温测量在航天材料能源冶金等领域中占有极重要的地位本课题是受某公司委托进行研究一方面揭示规律另外建立实验系统通过课题研究锻炼科学研究能力同时培养光机电综合能力12 红外测温及其相关理论的发展概况红外线是电磁波长位于076m1000m之间的电磁波它存在于自然界的每一个角落com射基本知识一切物体在温度高于绝对零度时都在不停地辐射红外线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因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射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 50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com温分类温度的测量方法大致可分为两种接触法和非接触法在接触测温法中热电偶和热电阻温度计应用最为广泛该方法的优点是设备和操作简单测得的是物体的真实温度等其缺点是动态特性差由于要接触被测物体故对被测物体的温度分布有影响且不能应用于甚高温测量目前非接触测温法仍以辐射测温法为主在过去相当长的时间里辐射测温法的可靠性和抗干扰性都不太高且测量范围往往仅限于较高温度但近二十多年由于电子技术的飞快发展半导体材料的进步及计算机技术的发展与应用又由于辐射温度计具有无测量上限响应速度快及不接触被测对象因而不影响被测温场等特点辐射测温技术得到长足的进步和发展仪器的制造水平性能指标已有了显著提高辐射真温测量研究标定技术研究及应用技术研究方面亦取得了丰硕成果辐射测温仪从仪器的工作方式上分可分为 1 亮度 单色 温度计 2 比色 双色 温度计 3 宽带 全波长或红外 温度计 4 多波长高温计等从仪器的使用方式上分可分为 1 便携式 2 掌上 手持 式 3 固定安装式等从能量传输方式上分又可分为光纤式接触式和一般光学式等从目标的多少又可分成单目标线目标和面目标等 本课题研究铝表面温度的测量属于亮度温度计固定安装温度计另外本课题研究的铝温度测量一直是世界性难题主要是因为其发射率太低13 红外测温仪的发展辐射测温仪在早期是以光学高温计为代表的亮度法测温仪表光学高温计的出现和不断完善使高温温标的传递以及工业生产中接触法测温不能用的问题得到了一定程度的解决 但是由于光学高温计是亮度平衡方法靠人眼判断所以不能进行自动测量这就使得光学高温计不能够实现温度的自动化测量记录与控制在生产现场的应用受到限制后来人们利用光电检测元代替人眼发展了光电高温计红外测温仪全辐射测温仪等辐射温度计这些辐射温度计克服了光学高温计的上述缺点但都由于存在着发射率无法消除的问题测得的温度不是真实温度而是物体的亮度或辐射温度 辐射测温法测量真实温度的最大障碍是受到被测对象发射率的影响为减少这个影响多年来研究过许多办法例如发射率修正法逼近黑体法测量反射率法偏振光法反射信息法等这些方法在实际应用中都存在着各局限性均不能从根本上解决消除发射率的影响 比色法在一定程度上解决了发射率的影响只要两个波长选择适当许多物体的比色温度接近真实温度为了进一步减少发射率影响人们又发展了三波长甚至更多波长的测温仪当物体的发射率与波长成线性关系时三波长法克测得物体的真实温度 80 年代以来各国科学家对多波长温度计进行了大量的研究分别针对不同的测量对象研制开发了三波长四波长六波长辐射温度计多波长测温理论与技术取得了发展这些发展在一定程度上解决了真温测量以及热物体测量的问题而且较好地解决了动态快速的测量问题 多波长辐射温度计的出现是辐射测温技术的一个重要研究发展方向因而得到了国外同行的高度重视90 年代初哈尔滨工业大学与罗马大学合作研制成功国际首创的棱镜分光式 35 波长高温辐射温度计已经成功地用于烧蚀材料及发射率的测量 多波长辐射测温理论是基于测量多个波长的辐射信号辅以对象发射率的背景知识计算出目标的温度值针对特定的对象可以减少或消除发射率的影响但从理论上也没能根本上解决消除发射率的影响问题实际应用中在一些情况下仍会产生较大误差 目前辐射温度计的测温范围通常为-503000这个范围覆盖了一般的工业需求特殊场合的使用的温度计其温度上限和下限都超出了该范围例如等离子火焰的等效温度为 20005000火药爆炸的温度在 3500左右原子弹爆炸的等效温度在 50000左右最低温度可测到-170甚至有的试验装置可到10K 左右 在灵敏度方面有的基准或标准光电高温计在金点温度达到 00001K工业仪表可达到 01K在反应时间方面最快的可达到微秒级最小可测目标直径为05mm显微测温仪则可达 001mm 总之目前辐射测温仪表正在向高准确度高灵敏度快速超高温超低温图像扫描微小目标测量智能化等方面发展随着测温理论的发展和技术水平的提高新的测温理论方法和测温仪表会不断出现辐射测温技术将会不断得到推动14 本文的主要研究内容本文在大量的理论实践的基础上研究低发射率高反射率的铝温度测量研究学习红外测温理论掌握测温仪设计的基本流程学习软硬件开发设计掌握工程调试经验15 测温仪的技术指标测温范围-40-500距离系数501或1001精度1测温波长814响应时间01s-20-50环境温度自动补偿16 本章小结本章介绍了红外测温的基础理论知识课题研究的主要内容红外测温技术的发展红外测温仪的分类第2章 非接触测温基本理论21引言温度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传统温度测量以接触方式为主主要以热敏电阻热电偶半导体传感器测温为主要手段传统的接触式测温由于其反应速度慢测温时间长影响物体的温度场等缺点使其应用范围受到限制非接触式克服了以上的缺点22非接触式测温方法目前非接触式测温方式主要以红外测温为主红外测温主要有以下几种方法 1 全辐射测温法它是根据测量波长从零到无限大整个光谱范围物体的总辐射功率用黑体定标的仪器来确定物体的温度其总辐射功率的大小与被测对象温度之间的关系是由斯蒂芬一波尔兹曼定律来描述的此类测温方法的优点是结构简单成本较低容易实现缺点是测量精度受物体发射率和外界环境因素影响较大需要进行环境补偿 2 亮度测温法它是根据测量给定波长凡附近一窄光谱范围的辐射用黑体定标的仪器来确定物体的温度适用于高温场合物体温度测量此类测温方法的优点是不需环境温度补偿发射率误差较小测量精度高缺点是只能工作于短波区只适于高温测量 3 双波段测温法它是根据测量两个给定波长和的辐射功率之比用黑体定标仪器来确定物体的温度适合测量发射率变化或未知的物体但只适合于测量辐射能量密度大的高温物体此类测温方法的优点是光学系统可局部遮挡受烟雾灰尘影响小测量误差小缺点是必须选择适当波段使波段的发射率相差不大 4 多波段测温法依次取多个波段通过计算这些波段的辐射功率之间的复杂关系来确定物体的温度此类测温方法的优点是测量结果与发射率无关精度高缺点是测温系统结构复杂要选择适当波段 5 最大波长测温法由维恩位移定律黑体辐射峰值波长与绝对温度之积为一常数通过测量值波长来计算温度此法常用测量极高温 大于2000 此测温系统结构简单仅用于测量极高温课题研究的是非接触常温测量此测温方法适用于工业现场的常低温非接触动态测温场合即当温度接近于常温且物体为动态的场合比较以上各种红外测温法的优缺点本课题选择全辐射测温法为了获得调制的红外辐射达到测温的目的在全辐射测温方法的基础上课题采用了致冷参比温度测量方法设计了自主采样式热释电探测器并采用数学算法的软件设计对温度进行补偿23红外测温原理com射与红外热效应任何物质 体 其内部的带电粒子都是处于不断的运动状态的当物体具有一定的温度即物体温度高于热力学温度0时 摄氏温度-273时 它就会不断地向周围进行电磁辐射物体的自发辐射能与温度有关在常温下主要是红外辐射红外辐射俗称红外线或红外光它是人眼看不见的光线具有强烈的热作用故又称热辐射物体的热辐射特性主要由物体的温度决定故又称为温度辐射物体的温度辐射特性是光学温度传感和光电传感的基础物体在常温下发射红外线当温度升高至500左右便开始发射部分暗红的可见光当温度继续升高物体会向外辐射可见光且随着温度的升高其波长会变短红外线是位于可见光中红色光外的一种光线是一种人眼看不见的光线但这种光和其他任何光一样也是一种客观存在的物质红外线与可见光紫外线X射线射线和微波等无线电磁波一起构成了一个无限连续的电磁波谱在光谱中的位置如图21所示图21 电磁波谱在电磁波谱中经常将波长范围为075100m的区域称为红外光谱区红外线与可见光无线电波一样在真空中传播速度也是以光的速度 29979251010cms 传播在红外技术中为便于对不同波长的红外光进行研究一般将红外辐射分为四个区域近红外 0753m 中红外 36m 中远红外 620m 远红外 201000m 所谓远或近是指红外辐射在电磁波谱中距离可见光的远近靠近可见光的为近红外区红外辐射的物理本质是热辐射热辐射的程度主要由物体的温度所决定温度越高辐射出的红外线越多红外辐射的能量越强科学研究表明太阳光谱各种单色光的热效应从紫色光到红色光的热效应是逐渐增大的且最大的热效应出现在红外辐射的频谱范围内因而有人又将红外辐射称为热辐射或者是热射线试验表明波长在 011000 m范围内的电磁波被物体吸收时可以显著地将电磁能转变为热能红外辐射与其它辐射一样能在其射程范围内被物体吸收并转换为热能即使在高度真空里通过热辐射也能进行能量的传递红外辐射和可见光无线电磁波一样是以波的形式在空间 同一介质 进行直线传播的并遵循逆二次方定律也能反射折射散射干涉和偏振它在真空中传播的速度等于光在真空中的传播速度即 及 21红外辐射的波长cm红外辐射在真空中1cm的长度内所包含的波长个数红外辐射的频率光在真空中的传播速度热辐射的另一个特点是辐射光谱呈连续性在电磁波谱中由于不同波谱的波长相差很大红外辐射和电磁波传播一样也存在被传输介质吸收和散射等现象使辐射能在传输过程中会逐渐衰减com辐射及基本定律绝对黑体是在任何情况下对一切波长的入射辐射吸收率都等于1的物体由于实际物体的红外辐射情况较为复杂所以在研究其辐射规律时以黑体这种简单的模型入手显然因为自然界中实际存在的任何物体对不同波长的入射辐射都有一定的反射即吸收率不等于1所以黑体只是理论研究者抽象出来的一种理想化物体模型在自然界中完全的黑体是不存在的为了表示某一物体与黑体辐射的偏离用发射率表征它表示实际物体辐射功率与黑体辐射功率之比 l即为理想黑体当 0即为完全透明体发射率是与物体的材料表面几何形状以及温度和表面加工程度有关的一个参数黑体热辐射的三个基本规律是红外线研究及应用的基础它揭示了黑体发射的红外热辐射随温度及波长变化的定量关系同样也是研究红外测温技术的基本出发点三大定律是 l 辐射的光谱分布规律普朗克辐射定律 2 辐射光谱的移动规律维恩位移定律 3 辐射功率随温度的变化规律斯蒂芬一玻尔兹曼定律普朗克辐射定律一个绝对温度为的黑体的单位表面积在波长附近单位波长间隔内向整个半球空间发射的辐射功率 简称光谱辐射度 与波长温度满足以下关系 22真空中的光速 普朗克常数 波尔茨曼常数第一辐射常数 第二辐射常数普朗克辐射定律给出了黑体在时的辐射光谱分布特征以不同的温度有公式22可计算出黑体在不同温度下发射辐射的光谱分布曲线如图22图22 不同温度下的黑体光谱辐射度从图22中可看出随着温度升高黑体辐射曲线全面提高即在任一指定波长几处与较高温度相应的光谱辐射度也较大由于每种波长的辐射都随温度升高而增加所以黑体单位表面积发射所有波长的全部辐射功率曲线下包围的面积也随着温度升高而迅速增加维恩位移定律揭示了黑体光谱辐射度极大值相对应的波长 峰值辐射波长 随温度的变化关系即 23该关系式表明黑体辐射光谱分布的峰值波长礼随其绝对温度T成反比移动由公式 23 可计算出在一般室温27 300K 下的黑体其辐射峰值为97斯蒂芬玻尔兹曼定律描述的是黑体单位表面积向整个半球空间发射的所有波长的总辐射功率随其温度的变化规律即 24斯蒂芬-波尔兹曼常数关系式 24 表明凡是温度高于开氏零度的物体都会自发地向外发射红外热辐射且黑体单位表面积发射的总辐射功率与其开氏温度的四次方成正比因而当温度有小变化时就会引起物体发射的辐射功率有很大的变化因此红外检测是非常灵敏的24被测物体发射率com 各种发射率的引入由于发射率可能随测量方向而变化所以必须定义几种不同的发射率1半球发射率半球发射率是辐射体单位面积向半球空间的辐射通量 即辐射出射度 与同温度下黑体的辐射出射度之比它表征了辐射体在半球空间内的发射接近黑体发射的程度其中又可分为全量和光谱量两种半球全发射率或半球积分发射率定义为式中实际物体的全辐射出射度黑体在与物体相同温度下的全辐射出射度半球全发射率半球全发射率气表征物体向半空间内在0到的整个波长范围内的发射能力b半球光谱发射率定义为式中实际物体的光谱辐射出射度黑体在与物体相同温度下的光谱辐射出射度半球光谱发射率是波长的函数它表征物体在某一温度下波长兄处向半球空间的发射接近黑体发射的程度 2 方向发射率方向发射率也叫定向发射率或角比辐射率它是在与辐射表面法线方向成角的小立体角内测量的发射率角为零时的发射率称为法向发射率由于大多数红外系统都是探测辐射源在规定方向上的一个小立体角内的辐射通量因而方向发射率和法向发射率是很重要的方向发射率也有全量和光谱量之分a方向全发射率定义式为式中实际物体在温度时的辐射亮度黑体在与物体同温度下的辐射亮度方向全发射率因为一般与方向有关所以以夕初也与方向有关它表征物体在与法线成口角方向上的辐射与黑体辐射接近的程度b方向光谱发射率定义式为因为物体的光谱辐射亮度既与方向有关又与波长有关所以也是和波长的函数它表征物体在特定波长处向给定方向上的辐射与黑体辐射的接近程度从上述各种发射率的定义可以看出对于黑体各种发射率的数值均等于1对于所有实际物体各种发射率的数值均小于1一般可把发射率分为全发射率和光谱发射率通常所说的发射率是指全发射率光谱发射率用表示根据光谱发射率的变化规律可将热辐射体分为如下三类1黑体或普朗克辐射体黑体或普朗克辐射体的发射率光谱发射率均等于12灰体灰体的发射率光谱发射率均为小于1的常数3选择性辐射体选择性辐射体的光谱发射率随波长的变化而变化com射对实体的作用物体对于给定的入射辐射必然存在着吸收反射和透射而且吸收率反射率和透射率之和必然等于1而且其反射和透射部分不变因此在热平衡条件下被物体吸收的辐射能量必然转化为该物体向外发射的辐射能量由此可断定在热平衡条件下物体的吸收率必然等于该物体在同温度下的发射率其实由基尔霍夫定律我们也可以推断出以上公式则对于一个不透明的物体不同物质的各不相同根据上式我们不难定性地理解影响发射率大小的下列因素1不同材料性质的影响不同性质的材料因其对辐射的吸收或反射性能各异因此它们的发射性能也应不同当温度低于300K时金属氧化物的发射率一般大于082表面状态的影响任何实际物体表面都不是绝对光滑的总会表现为不同的表面粗糙度因此这种不同的表面形态将对反射率造成影响从而影响发射率的数值这种影响的大小同时取决于材料的种类例如对于非金属电介质材料发射率受表面粗糙度影响较小或无关但是对于金属材料而言表面粗糙度将对发射率产生较大影响如熟铁当表面状况为毛面温度为300时发射率为094当表面状况为抛光温度为310时发射率仅为028另外应该强调除了表面粗糙度以外一些人为因素如施加润滑油及其它沉积物 如涂料等 都会明显地影响物体的发射率因此我们在检测时应该首先明确被测物体的发射率在一般情况下我们不了解发射率那么只有用相间比较法来判别故障而对于电力设备其发射率com 3 温度影响温度对不同性质物体的影响是不同的很难做出定量的分析只有在检测过程中注意25影响红外辐射的主要因素影响物体红外辐射的主要因素有大气的衰减及物体不同的辐射率一般来说大气对可见光是透射性能良好的媒质但对不同波长的红外辐射却产生不同程度的衰减造成辐射衰减的主要原因是大气中和等气体的选择性吸收以及大气中悬浮的各种微粒的散射所致在接近地面的空气中对红外线的衰减起主要作用的是水蒸气和大气对红外线的吸收情况见图23图23大气对红外线的吸收由图23可以看出在 015 波长范围内大致有三个红外波段在大气中透射较好通常称这些波段为大气窗口它们分别为0335814由普朗克辐射定律可知随着温度的升高与光谱辐射度 极大值对应的波长减小表面温度随着升高黑体辐射中的短波长辐射所占比例增加另外在研究物体红外辐射时一定要注意不同的物体有不同的光谱发射率它是衡量一个物体辐射性能好坏的一个重要物理参数对于自然界中的任何一个物体只要知道它在一定温度下的比辐射率那么这一物体在该温度下的辐射特性就可引用有关黑体辐射定律进行研究或计算并用该物体的发射率进行修正这样对非黑体的辐射研究就较为简单了一般物体的发射率是一个通过相关的文献获得的参考值使用时应该注意修正26 本章小结本章介绍了非接触测温的基本原理红外线的基本常识影响红外测温的精度因素这些原理对仪器制作的原理分析起着重要的作用第3章 系统硬件设计31引言系统由五部分组成光学系统红外探测传感器程控放大基于单片机的信号处理系统交互界面被测目标辐射出红外波有效波段8-14m光学系统滤除可见光聚焦有效波段的红外光焦点设计在探测器的接收面上探测器能输出被测物体的温度信息和探测器本身所处环境的温度信息经过放大AD采集单片机的处理运算输出被侧目标的温度图 31 铝温度测温仪原理框图32 核心板设计单片机核心板是本设计的控制核心本课题以STC12C5A60S2为主控芯片STC12C5A60S2ADPWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟机器周期 1T 的单片机是高速低功耗超强抗干扰的新一代8051单片机指令代码完全兼容传统8051但速度快8-12倍内部集成810专用复位电路2路PWM8路高速10位AD转换 250KS 针对电机控制强干扰场合1增强型8051 CPU1T单时钟机器周期指令代码完全兼容传统80512工作电压STC12C5A60S2系列工作电压55V- 33V5V单片机STC12LE5A60S2系列工作电压36V- 22V3V单片机3工作频率范围0 35MHz相当于普通8051的 0420MHz4用户应用程序空间8K 16K 20K 32K 40K 48K 52K 60K 62K字节5片上集成1280字节RAM6通用IO口364044个复位后为准双向口弱上拉普通8051传统IO口 可设置成四种模式准双向口弱上拉推挽强上拉仅为输入高阻开漏 每个IO口驱动能力均可达到20mA但整个芯片最大不要超过55mA7 ISP在系统可编程IAP在应用可编程无需专用编程器无需专用仿真器 可通过串口P30P31直接下载用户程序数秒即可完成一片8有EEPROM功能 STC12C5A62S2ADPWM无内部EEPROM 9 看门狗10内部集成810专用复位电路外部晶体12M以下时复位脚可直接1K电阻到地11外部掉电检测电路在P46口有一个低压门槛比较器 5V单片机为132V误差为-5com误差为-312时钟源外部高精度晶体时钟内部RC振荡器 温漂为-5到-10以内 1用户在下载用户程序时可选择是使用内部RC振荡器还是外部晶体时钟 常温下内部RC振荡器频率为50V单片机为11MHz155MHz 33V单片机为 8MHz12MHz 精度要求不高时可选择使用内部时钟但因为有制造误差和温漂以实际测试为准13共4个16位定时器 两个与传统8051兼容的定时器计数器16位定时器T0和T1没有定时器2但有独立波特率发生器 做串行通讯的波特率发生器 再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器14 2个时钟输出口可由T0的溢出在P34T0输出时钟可由T1的溢出在P35T1输出时钟15外部中断IO口7路传统的下降沿中断或低电平触发中断并新增支持上升沿中断的PCA模块 Power Down模式可由外部中断唤醒 INT0P32 INT1P33 T0P34 T1P35 RxDP30 CCP0P13 也可通过寄存器设置到P42 CCP1P14 也可通过寄存器设置到P43 16 PWM 2路 PCA可编程计数器阵列2路 -也可用来当2路DA使用 -也可用来再实现2个定时器 -也可用来再实现2个外部中断 上升沿中断下降沿中断均可分别或同时支持 17AD转换 10位精度ADC共8路转换速度可达250KS 每秒钟25万次 18通用全双工异步串行口 UART 由于STC12系列是高速的8051可再用定时器或PCA软件实现多串口19 STC12C5A60S2系列有双串口后缀有S2标志的才有双串口RxD2P12 可通过寄存器设置到P42 TxD2P13 可通过寄存器设置到P43 图 32 STC12C5A60S2芯片图核心板由单片机最小系统下载程序电路与其他部分的接口三个部分组成如图2所示其最小系统包括晶振电路和复位电路STC12C5A60S2是通过串口进行程序下载的而且还可以串口和上位机进行通信所以本设计中使用了TTL转RS232电平转化芯片232232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片使用5v单电源供电图33 232芯片图芯片有以下几个特点1符合所有的RS-232技术标准2只需单一5V电源供电3片载电荷泵具有升压电压极性反转能力能够产生10V和-10V电压4功耗低典型供电电流5mA5内部集成2个RS-232C驱动器6内部集成2个RS-232C接收器7高集成度片外最低只需4个电容33 红外探测器的选择红外探测器实质上就是对目标发射的红外辐射进行探测及显示处理的过程在该过程中物体发射的红外辐射经大气传输和衰减后由探测仪器光学系统接收并聚焦到红外探测器上在此把目标的红外辐射信号功率转换成便于直接处理的电信号进一步经放大处理后以数字或二维热图像的形式显示出来由此可见在物体的红外探测过程中最关键的环节是光学系统对红外辐射接收并聚焦到红外探测器上再把物体的红外辐射功率信号转换成电信号而这种转换功能是由红外探测器完成的 红外探测器是红外测温仪中微弱信号采集的重要组成部分它的主要功能是测定红外辐射的大小并将其转变为其他形式的能量多数情况是转变为电能以便应用一个完整的红外探测器包括红外敏感元件红外辐射入射窗口外壳电极引出线以及按需要而加的光阑冷屏光锥浸没透镜和滤光片等在低温工作的探测器还包括社瓦瓶有的还包括前置放大器com 热释电探测器分类按探测器的物理机理红外探测器可分为两类一类是入射辐射热效应引起某一电气特性变化它的效应正比于所吸收的能量这类探测器称为热释电探测器另一类为光电探测器即入射光子流和探测材料的电子直接相互作用引起某一电气特性变化它的响应正比于吸收的光子数本课题采用的光电探测器 1 光电型探测器光电型探测器是利用探测器材料的光电效应制成的检测元件所谓光电效应是指探测材料在受到光辐射照射后材料中的电子吸收辐射能改变了运动状态使材料的电学性质发生变化取决于材料内部电子的运动状态随着电子运动状态的改变材料的电学性质也相应的改变因此光电型探测器的物理过程就是光辐射的照射直接引起电学性质的改变由于电子运动状态的改变过程相当快因而光电型探测器的响应速度也非常快它们的响应时间一般小于毫秒级最短可达微秒级此外为了使材料内部的电子改变运动状态入射辐射的光子能量 hv 必须足够大即光子的频率必须大于某一定值从波长的角度而言就是能够引起光电效应的热辐射有一个最大的波长值存在可见光电型探测器具有选择性的光谱响应特性属于选择性探测器然而本科采用的就是比色测温的原理就是需要两个特定的波段所以光电型探测器恰好满足本课题的要求2 热释电探测器它利用某些物质对温度的敏感特性来探测红外辐射能量利用热探测器探测红外辐射的基本原理包含两个主要过程首先热释电探测器吸收红外辐射能量以后随温度随之升高并且伴随着入射辐照功率的变化元件的温度也随之发生相应的变化然后探测器利用元件的某种温度特性把温度变化转换为相应的电信号例如热电堆和热释电探测器或者利用元件的某种温度敏感特性来调制电路中电流强度的大小从而得到相应的电信号例如测辐射热计热释电探测器的热效应与入射辐射的波长无关所以热电型探测器的光谱响应率基本不随入射辐射的波长而变化属于无选择性的探测器com 红外探测器的主要参数1 响应率响应率表示红外辐射能转变为电信号的能力它等于输出电压 Vs 和输入红外辐射能量 E 之比常以符号 R 表示有定义可得2 光谱响应曲线探测器的响应率与入射热辐射的波长有关将光谱响应率随波长的变化情况绘制成曲线此曲线称为探测器的光谱响应曲线 3 噪声等效功率当入射热辐射在探测器中产生的信号电压 Vs 等于探测器本身的噪声电压 Vn 时这入射辐射的功率 E 就叫做噪声等效功率用符号 NEP表示单位是 W可以写成下式4 探测率由于大多数探测器的与探测器的灵敏面积 A 的平方根和带宽的平方根成比例关系采用很难对不同灵敏面积的探测器进行比较因此通过对面积进行归一化处理引进另一个质量指标探测率它用符号 表示定义式如下从式中可以看出实质上就是探测器的灵敏面积为单位面积测量线路带宽为 1Hz 时单位功率的热辐射所能获得的信号与噪声之比即信噪比 5 响应时间响应时间用来描述探测器对入射热辐射能响应的快慢它通常用符号 表示单位是秒或微妙 有两种不同的定义方法一种是当功率为 E 的热辐射突然入射到探测器灵面积时需经过一段时间才能达到恒定值如图 3-5a 所示从光照开始探测器输出电压上升到恒定的 063 时所需的时间被定义为响应时间另一种方法指在较低的频率范围内探测器具有平均的光谱响应曲线即响应率与频率无关但是随频率升高响应率下降如图3-5b响应率下降到平坦部分数值的 0707 倍时所对应的频率为 响应时间定义为根据光谱响应率与波长的关系可把探测器分为两类一类是无选择性的探测器它在一定的波长范围内具有平坦的光谱响应曲线如图 3-4a 所示即与波长 无关它不存在峰值波长和截止波长另一类是选择性探测器它具有选择性的光谱响应特性如图 3-4b存在响应峰值与响应峰值相对应的波长叫峰值波长 与 对应的波长称为截止波长 图 34 光谱响应曲线很显然NEP 越小探测器所能探测的最低入射辐射功率就越小因而 NEP 是用以表征探测器探测微弱热辐射能力的一个质量指标 由此可见好的探测器具有短的响应时间因而能够探测快速变化的红外热辐射图 35 响应时间曲线com 硅光电二极管的选用信号调理部分最核心的部分是红外探测器探测器选用OTP-537F2测量波长5-14微米温度与输出电压线性度较好而且芯片内部集成了测环境温度的部分可以方便地进行温度的补偿34信号调理设计 由于红外传感器输出信号在低于25为负信号单片机不能识别因此对这个范围的信号采取反向放大使信号变为正信号这样单片机就能识别在100以下信号都比较微小小到微伏级对此信号采用低噪声高增益的运算放大器进行放大ICL7650和CD4051选择不同阻值的反馈电阻来实现构成同向程控放大OP07高精度低噪声放大器构成反向放大电路com CD4051介绍CD4051 相当于一个单刀八掷开关开关接通哪一通道由输入的 3 位地址码ABC 来决定此外CD4051 还设有另外一个电源端 VEE以作为电平位移时使用从而使得通常在单组电源供电条件下工作的 CMOS 电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关并使这种多路开关可传输峰峰值达 15V 的交流信号例如若模拟开关的供电电源 VDD 5VVSS 0V当 VEE 5V 时只要对此模拟开关施加 05V 的数字控制信号就可控制幅度范围为5V5V 的模拟信号本系统的中的 CD4051 的用法是VDD 12VVSS VEE 0VINH 0这样可控制输入信号电压范围为 012V在使用 CD4051 是必须注意的几点如下33 1 使用单电源时CD4051 的 VEE 可以和 GND 相连 2 强烈建议 ABC 三路片选端要加上拉电阻 3 CD4051 的公共输出端不要加滤波电容并联到地否则不同通道转换后的电压经电容冲放电后会引起极大的误差4 禁止输出端INH为高电平时所有输出切断所以在应用时此端接地表 31作音频信号切换时最好在输入输出端串入隔直电容 CD4051 导通电阻小CD4051 在常温下的导通电阻为几百欧姆供电电压范围较宽速度相对较快控制简单适合作为量程转换模块中选择放大反馈回路的开关但是多路模拟开关也有其不利的地方其导通电阻不恒定随电源电压的增大而减小控制信号电平也随电源电压增大而增大在使用时需根据现场实际情况综合考虑添加必要的外围电路保证其工作正常在电源电压的选择上要结合实际需要适当增大com ICL7650 介绍ICL7650 是Intersil 公司利用动态校零技术和CMOS 工艺制作的斩波稳零式高精度运放它具有输入偏置电流小失调小增益高共模抑制能力强响应快漂移低性能稳定及价格低廉等优点图 36 ICL7650的管脚图com OP07 介绍OP07芯片是一种低噪声非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路由于OP07具有非常低的输入失调电压对于OP07A最大为25V所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施OP07同时具有输入偏置电流低OP07A为2nA和开环增益高对于OP07A为300VmV的特点这种低失调高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面图 37 OP07管脚图35电源模块的管理 本系统中所用到的电压种类一共有三种12V-12V5V 电源设计方案的选择 1 低电压线形稳压芯片LDO线形稳压芯片是一种最简单的电源转换芯片基本上不用外围元件但是传统的线形稳压器如 78xx 系列都要求入电压要比输出电压高 2V-3V 以上否则不能正常工作 2 自己设计开关电源开关电源也是实现电源转换的一种方法效率很高但设计要比使用线形稳压器复杂得多但对于大电流高功率的设计建议采用开关电源但是功耗太大必须加很大的散热片很不合适 3 直接采用电源模块考虑到开关电源设计的复杂性一些公司推出了基于开关电源技术的低电压输出电源模块可靠性和效率都很高电磁辐射小而且许多模块可以实现电源的隔离用户只需要加很少的外围的元件即可使用而且红外探测器中集成的光敏电阻与电阻分压通过读取分压值即可知道红外传感器此时的温度环境电源模块的价格也不是很贵 为了合理的选择本课题需要的电源特对三种电源方案作了比较比较结果如表所示表 32考虑到现场所能提供的工作条件和自身设计的需要在本课题中采用 ACDC转换模块直接给系统供电这样给系统的设计和现场的测试带来极大的便利 本课题所采用的电源模块特性如下 1 低输出纹波 2 宽输入电压范围 3 高效率高精度 4 运行温度范围-10705070按曲线降载 5 保存温度-40105 6 输出电压精度V13V2 5 7 输入电压 1 源效应05 8 输入电压频率4760Hz 9 输出电压 1 负载效应05 10 输出电压纹波1 11 温漂系数0003 12 保护特征短路保护过热保护36 输出转换设计本课题所采用的 DA 转换器是 ADI 公司生产的它具有高精度低功耗全数字电流环输出的特点AD420 的输出信号可以是电流信号也可以是电压信号其中电流信号的输出范围为 4mA20mA0mA20mA 或 0mA24mA具体可通过引脚 RANGE SELECT1RANGE SELECT2 进行配置如表 3-2 所示当需要输出电压信号时它也能从一个隔离引脚提供电压输出这时需外接一个缓冲器可输出 0V5V0V10V5V 或10V 电压 表 33AD420 具有灵活的串行数字接口最大速率可达 33Mbs使用方便性价比高抑制干扰能力强非常适合用于高精度远程控制系统AD420 与单片机的接口方式有两种3 线制和异步制单片机系统通过 AD420 可实现连续的模拟量输出其主要特点如下 宽泛的电源电压范围为 12V32V输出电压范围为 0V25V 带有 3 线模式的 SPI 或 Microwire 接口可采集连续的模拟输入信号采用异步模式时仅需少量的信号线 数据输出引脚可将多个 AD420 器件连接成菊链型 上电初始化时其输出最小值为 0mA4mA 或 0V 具有异步清零引脚可将输出复位至最小值0mA4mA 或 0V BOOST 引脚可连接一个外部晶体管来吸收回路电流降低功耗 只需外接少量的外部器件就能达到较高的精度37 本章小结本章详细介绍了测温仪的硬件设计对应用的芯片有一个比较详细的介绍 第4章 系统软件设计本系统中主机的工作主要包括 1 控制 AD 模块的 AD 转换 2 控制串并转换和其数据传输 3 数据处理发射率的计算和物体真温的计算 4 串口输出和被测目标温度的显示 5 控制 DA 模块的 DA 转换 本系统主机的软件设计采用 C 语言编写使用的 MICROCHIP 公司的MPLAB 集成调试环境进行设计开发的软件设计采用结构化模块化方法这样可以提高系统的可靠性还可以大大降低系统的硬件开发主机程序流程图如图3-13 所示 上位机采用的是 VB 语言编写的VB 作为微软公司推出的 Windows 环境下的一种开发工具支持面向对象的程序的设计具有简单易学高效的特点它不但提供了良好的界面设计能力而且在微机串口通信方面也有很强的功能串行通信由于高效可靠价格便宜遵循的是统一标准提供的是事件驱动通讯方式和查询通讯方式便于设置和使用因而得到广泛的应用1主程序设计2信号采集子程序设计在硬件设计的基础上非接触红外温度采集还需通过软件结合实现采集子程序是一个中断服务程序正弦波电流产生电路开始工作后向单片机发出中断信号单片机接收到中断信号之后进入采集中断服务程序如图52所示为红外信号采集的程序设计3温度补偿的软件实现原理10006461400260415013404300313720022472100292825033681100326330046093800354350604286003133400754535001618第6章 数据处理和误差分析对测量仪表来说来自各方面的干扰是影响测量精度的主要因数全面正确地分析误差以及合理科学地对数据进行处理可以大大地提高系统的测量精度61误差来源分析 本红外线辐射测温仪属于中低温测量从宏观分析其误差主要来源于以下四个方面一方面是来自被测物体本身的辐射特性第二方面来自红外探测器探测性能其次是来自测量环境的影响最后一个方面来自系统的硬件和数据处理其中来自被测物体本身和测量环境的误差是由物体本身的特性决定的因此可用误差修正的方法来尽量减少它们对测量精的影响对于探测器的误差来说可以通过选择最佳的红外探测器方法使误差降低到最低程度而硬件和软件设计带来的误差从某种角度而言是最容易产生的也是最易减少的当然硬件和软件设计引起的误差被克服程度和设计者的设计经验有很大的关系第三章介绍的软硬件的设计方案已经充分考虑到了测量精度的问题62 不确定性误差 1 被测物体的发射率误差被测物体向空间辐射的辐射强度主要受自身温度和发射率大小的影响在本红外线辐射测温仪数据处理时是通过假设被测物体在两波长下的发射率相等来确定被测物体温度的即假设被测物体为灰体然而实际上被测物体不是灰体也不存在理想的灰体这样就给测量结果带来一定得误差我们可以通过选取非常接近的两波长作为比色测温的两波长从而可以尽量减少发射率对测量结果的影响 2 环境引起的误差环境因素包括环境温度湿度杂光影响等对于本红外线辐射温度仪来说湿度和温度对系统的影响很小因为探测器受到很好的保护措施且被测物体温度较高而对探测器输出影响最大的是杂光的影响另外测量环境的变化还会影响前置放大电路零点的变化因此在数据处理时用到了零点的扣除这样就可以减少环境引起的误差对被测物体测量结果的影响 3 外部噪声源对系统的干扰由于干扰信号可通过各种线缆侵入主机系统内部而影响到测量精度因而测控装置的配线技术是首先要考虑的对于静电感应引起的噪声可在信号线或箱体上包一层金属导体屏蔽层并将屏蔽层端点接地对于电磁感应引起的噪声配线时应尽量使信号线远离强电线以减少互感4 数字电路对模拟电路的影响在测量系统中测量电路往往是模拟电路和数字电路的混合体数字电路工作电流的变化也会影响模拟电路而产生噪声为了消除噪声在同一系统内部应当把这两类信号线分开走线最后通过一点将它们连接起来对 AD 和 DA 转换电路设计时要特别注意地线的正确连接如果AD 转换和采样保持是采用独立的芯片则它们必须采用独立的数字地和模拟地 以上四方面对测量仪产生的误差量化后小于 0263 设计误差 设计误差包括硬件设计误差和软件设计误差对于硬件误差而言主机结构比较复杂有探测器前置转换和放大电路模数转换和基于 PIC16F877A 单片机的软件和硬件因此设计误差要分多方面考虑 1 红外探测器的误差在本系统中是采用硅光电二极管作为系统的红外探测器硅光电二极管输出光电流信号在安培之间其量化误差小于02 2 运算放大器的误差系统采用 AD820 作为前级信号转换的运算放大器采用 OP07 作为信号转换后的运算放大器运算放大器的运放误差可分为两类静态误差和动态误差静态误差包括输入失调电压输入偏置电流输入失调电流共模抑制比有限引起的误差等动态误差指由于运算放大器本身的带宽不可能无限大以及外接无源网络的寄生电容接线电容或者是电容器的介质吸收效应造成动态运算误差运放 AD820 和 OP07 的静态误差和动态误差都很小通过理论计算其量化误差小于 023 AD 和 DA 转换模块误差本系统设计采用的是独立 AD 和 DA 转换模块其中 AD 转换模块理论上是 16 位实际上位数只能达到 15 位因为