光电式辐射温度测量仪的研究与设计毕业设计.doc

目录 光电式辐射温度测量仪的研究与设计毕业设计目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 研究意义与背景11.2 辐射温计的发展历史和研究现状21.3 课题研究内容与结构3第2章 辐射温度测量的基本原理方法52.1 黑体热辐射定律52.1.1 普朗克（Planck）定律52.1.2 维恩（Wine）位移定律62.1.3 斯忒潘-波耳兹曼（Stefan-Boltzmann）定律62.2 辐射测温常用方法和原理72.2.1 比色式温度测量法原理72.2.2 亮度式温度测量法原理82.2.3 全辐射温度测量法原理82.3 本章小结10第3章 硬件结构的设计113.1 系统结构设计113.2 光纤探头设计113.3 光电转换部分133.3.1 光电二级管的性能参数133.3.2 光电二级管的噪声特性153.3.3 光电二级管电流电压的线性关系163.3.4 光电二极管的选型173.4 相关电路设计部分183.4.1前置放大模块183.4.2 幅度放大模块213.4.3 温度保持模块233.5 单片机显示输出部分263.6 本章小结27第4章 温度标定实验和函数关系拟合284.1 温度标定实验流程设计284.2 实验仪器准备294.3 观测数据和数据分析294.4 最小二乘法304.5 使用数学软件进行函数拟合314.5.1 选择多项式模型进行函数拟合314.5.2选择快速公式拟合搜索办法进行函数拟合334.6 求取V-T关系的反函数344.7 本章小结35结论36参考文献37致谢39附录1. 开题报告附录2. 中期报告附录3. 外文原文附录4. 外文翻译第1章 绪论 第1章 绪论1.1 研究意义与背景温度的测量以及对温度的调控，在科学研究和工农业生产以及国防军事都非常重要。作为国际单位制中的基本物理量和影响物质状态的重要指标，测量温度，特别是高温，对冶金、材料、航天等领域都至关重要。而近年来，由于科技进步生产发展，人民生活的水平发生了翻天覆地的变化，所要测量的物理量的种类也来越繁多，测量的精度也要求的越来越严格，与温度和温度应用相关领域的快速发展，也迫切的追求着温度测量技术的向前发展。温度测量方法可分为接触和非接触法两种。其中，接触法测温凭借测量仪器中热敏部件和被测热源之间的热交换，和被测热源之间达到温度平衡，通过温度改变引起的热敏部件的物理、化学等方面性质的变化来测量温度。这种方法有优点也有缺点。优点在于设备简单操作简便、最终测量得到的温度是被测物的真实温度，而缺点则是此种测温方法的动态特性较差。由于热敏部件在吸收被测热源辐射的同时也在向周围放射热量，及热辐射效应滞后等因素，使得被测物的实际温度和热敏部件所测到的并不相同，以至于产生温度测量误差。在当代，以热电偶、热电阻等为代表的应用接触法设计的温度测量仪表虽然在技术上日趋完善，对低温和室温的测量技术成熟，但仍不能满足许多方面特别是高新技术方面的需求。所以在高温测量中，非接触测温法发挥着十分重要的作用。因此在对高温测量的领域中，非接触法正在日益凸显其不可替代的作用。当代非接触测温法主要指辐射温度测量法，由于科学技术和生产力条件限制等原因，辐射温度测量法在过去很长一段时间里都因可靠性差易被干扰得不到广泛应用。但近年来随着材料技术和电子技术的飞跃，和辐射温度测量法本身理论上能够测量无上限温度及相应快等优点，正得到越来越多的重视，与辐射温度测量相关的真实温度研究、温度标定等技术的飞速发张，正快速的推进用此种办法制作的仪器仪表发展的，越来越多的应用到生产生活当中。3第1章 绪论 1.2 辐射温计的发展历史和研究现状从仪器制造的角度来看，辐射式温度测量系统的发展共经历了隐丝式光学高温计、使用光电倍增管作为检测核心器件的光电高温计和使用碲镉汞或者硅光电二极管作为检测核心期间的光学测量系统和光电精密测温计三个阶段。隐丝式光学高温计历史悠久，早在20世纪初就已经出现，如今已有一百多年历史。作为一种简单有效的高温（800以上）测量办法，在当代仍在被使用着。1927年，这种高温测量办法被国际温度标准采用来用作金点以上温度复现和传递的标准。其工作原理是调节灯丝亮度使灯丝消隐在被测目标的视野中，并控制峰值在650nm并且尽可能小的带宽中。因为测量时需要人工比对亮度平衡，手动调节通过灯丝的电流以改变亮度，因此这种办法有比较大的人为因素造成的误差，且不能进行自动化操作。在20世纪60年代中期，光电倍增管作为检测器的光学高温计的出现，改变了一直需要人眼比对亮度平衡的状况，使用光电管作为检测器进行亮度比对，不仅使灵敏度和精度得到了提高，更减少了认为因素提高了测温的自动化程度。所以以光电倍增管为检测器的高温计陆续被美国标准局和多个国家包括我国用来复现国际实用温度标准，传递800摄氏度到2000摄氏度的高温实用温标。20世纪70年代，硅光电探测器优秀的线性度和灵敏度终于被Witherell和Faulhaber等人发现，凭借价格适中，使用寿命长等优点，硅光电二极管很快应用于高精度的广度测量中。在同一时间，辐射温度计的分辨率、响应速度、稳定性和精度都得到了长足发展，测量办法也从原先的单波长进而向双波长和多波长的方向发展。温度测量范围越来越大，逐渐向低温发展，测温仪表也愈来愈智能化、自动化。但辐射温度测量中也存在一些共性问题。黑体辐射定律给出了物体温度和其所辐射的热辐射量的关系，而这种关系，就是热辐射温度测量的基本原理，但能够发出某一定量热辐射的物体并不仅限于这一温度下的物体，还与由物体形状、物体的物质组成、测量环境等因素决定的物体发射率有关，以至于其他温度的物体的一定条件下也能发出同等量的热辐射，于是单单检测物体发出热辐射的量就不能得出物体的真实温度。为了解决这个问题，在辐射温度测量理论中引入了表观温度的概念，通过这种办法，排除发射率的影响，单凭物体的表观温度就能应用黑体辐射定律建立起温度和热辐射量的关系。表观温度有三种，分别为辐射、亮度、颜色温度，依据此三种温度测量原理搭建的测量仪表分别称为全辐射温度测量仪、亮度式温度测量仪和比色式温度测量仪。因此如何得到物体的真实温度仍旧是辐射温度测量理论中一个巨大的困难。1.3 课题研究内容与结构本文一开始就辐射温度测量的理论原理展开深入研究，将黑体辐射三大定律，也就是普朗克（Planck）定律、维恩（Wine）位移定律和斯忒潘-玻尔兹曼（Stefan-Boltzmann）定律就理论推导，适应范围等展开讨论。然后根据系统设计要求，设计出满足要求的硬件电路并做好器件选型工作。通过实验，标定出温度和测量所得电压值的关系，选择合适的函数模型，将二者关系进行函数拟合，从而得到温度和测得电压的一一对应关系，输入单片机进行输出显示，从而实现辐射温度测量。文章在辐射温度测量原理研究章节首先对辐射测温基本原理也就是黑体辐射三大定律进行了详细阐述。并在此基础上，概述了辐射温度测量常用的三种方法，也就是比色法（双波长法）、亮度法和全辐射法，运用数学公式的推导说明了三种方法的原理，从理论上解释了三种方法各自的优点，并最终选定全辐射法作为本文所采用的辐射温度测量理论指导。在硬件结构设计章节，对搭建系统所设计的硬件部分做出详细说明。光电式辐射测温仪所采用的探头的具体设计、光纤的选择、光电转换器的详细参数和具体选择、前置放大电路与幅度放大电路的具体原理和进行电路设计时所要注意的具体事项、说明了系统采用温度恒定模块的必要性和温度恒定模块具体的工作原理，仔细介绍了温度恒定模块所采用关键器件的详细信息，最后对显示输出模块中AD转换器的选择、单片机和显示数码管的具体信息都给出了详细说明，绘出单片机所运行程序的流程图。文章最后给出温度标定是对温度测量系统的重要意义和进行此项实验的必要性后，详细讲解温度标定实验的实验流程和其中的注意事项，对实验所用到的设备，也给出了简单介绍。明确阐述电压和温度关系的拟合对辐射温度测量系统的意义，其中产生误差对整个系统精确度的影响。简介常用的曲线拟合所用办法并详细介绍本文所用的曲线拟合办法。在给出温度标定实验多测得的实验数据后，利用本文所选办法进行多次曲线拟合并进行比对，最后给出温度和电压二者间最合适的拟合关系。第2章 辐射温度测量的基本原理方法第2章 辐射温度测量的基本原理方法2.1 黑体热辐射定律 黑体是指能够完全吸收外界所有波长电磁波的物体，但黑体只是一个存在于设想中的物体，现实中并不存在完全的黑体。现实应用和实验中，将黑体用一个达到热平衡开有小孔的密闭空腔替代。热辐射是当温度高于绝对零度时，所有物体放射出的各种类型电磁波。黑体辐射就是黑体发射出的电磁波。黑体单色辐出度(黑体表层单位面积发出的单位波长间隙内的辐射功率)比相同温度下其余任何不是黑体的物体的单色辐出度都要大，黑体是完全的温度辐射体，黑体的辐射能力之和温度有关系，并不受发射率影响。黑体辐射定律作为辐射温度测量的理论指导，给出了表层温度和物体的辐射能之间的关系。 平常所说黑体辐射定律包含囊括三个定律：普朗克（Planck）定律、维恩（Wine）位移定律、和斯忒潘-波耳兹曼（Stefan-Boltzmann）定律。2.1.1 普朗克（Planck）定律（1）全部物体在某一高于绝对零度的温度下全都要放射出一些热辐射量，黑体热辐射的光谱辐射出射度满足普朗克（Planck）公式关系，公式形式如下： （2-1）式中 光谱辐射通量密度； 黑体热辐射电磁波的波长； 黑体温度； 第一辐射常数； 第二辐射常数。其具体数值为 ； ；其中 普朗克常数，； 电磁波于真空中的传播速度，； 波耳兹曼常数，。（2）当辐射的出射频率比较低，普朗克（Planck）辐射公式能够化简变为瑞利-金斯公式。当辐射频率较低时，会使得，而可按展开，上式取两项时，普朗克公式就能够改写为 （2-2）（3）当辐射的出射频率比较高，普朗克辐射公式能够化简变作维恩（Wine）公式。当辐射出射频率比较高时，会使得，而，普朗克公式就能够改写为 （2-3）公式（2-2）和（2-3）给出了在高频段和低频段普朗克公式的变形，简化了计算过程，节省了运算时间。2.1.2 维恩（Wine）位移定律黑体光谱辐射亮度在不同温度时对应的最大亮度的峰值波长是不同的，且当温度上升，波长朝短波长方向移动，又在温度下降时，波长朝长波长方向移动。维恩位移定律的公式如下： （2-4）对于黑体，如果能测出黑体在某一状态时峰值的波长，就可以根据维恩位移定律来计算出这一黑体在这个状态下的温度。2.1.3 斯忒潘-波耳兹曼（Stefan-Boltzmann）定律斯忒潘经由反复试验总结出关于物质的辐射问题的研究结论：黑体辐射的总量仅仅和绝对温度有关，且与绝对温度的四次方成正比，和所辐射的波长无关。波耳兹曼随后将热力学原理与麦克斯维电磁理论综合起来，从理论上证明了斯忒潘的结论的正确性，并且指出这一定律只能适用于黑体，二人共同建立了斯忒潘-波耳兹曼（Stefan-Boltzmann）辐射定律，也就是众所周知的全辐射能量普遍方程式，一般也称为四次方定律，它的数学关系式可以写作： （2-5）式中 黑体辐射的功率密度； 绝对温度； 斯忒潘-波耳兹曼常数，可表示为， （2-6）在实际应用中，常采用 （2-7）为黑体的发射率，其值为。2.2 辐射测温常用方法和原理2.2.1 比色式温度测量法原理由同一物体所辐射出的不同波长的的辐射亮度进而得到物体温度的辐射温度测量法被称作比色温度测量法。通过之前对维恩（Wine）位移定律的讨论可知，当温度不同，所对应的黑体辐射亮度的最大亮度的分支波长也会变化。物体在半球方向、单位时间、单位面积的辐射通量（单色辐射的）通过普朗克（Planck）公式（2-1）表述。当温度，同时波长较小（）的时候，就会得到维恩近似公式： （2-8）取波长和处辐射功率做比值，有 （2-9）因为两波长处的带宽相等，同时将记为，又得到 （2-10）比色法中假设，于是所测得的温度，也就是比色温度为 （2-11）所以比色（双波长）温度测量法就是通过测得被测物体两波长的辐射亮度比值，然通过公示（2-11）确定被测物体温度的方法。由光谱发射与波长的关系道，比色温度计测量的温度有可能大于、小于或者等于真实温度。如果我们在用比色法测温时选用的两波长的光谱发射率十分接近，那么被测物材料发射率对温度计测量结果的影响将会很小，这是比色法最大的优点。2.2.2 亮度式温度测量法原理当被测物体（灰体）与绝对黑体在某一波段下的单色辐射出度相同时，该黑体的温度就称为被测物体的亮度温度，表达式为： （2-12）在常用温度和波长范围中，上式可用维恩公式表示为 （2-13）观察公示（2-13）可以发现，如果想要求得被测物体的真实温度，就需要知道波长为的光谱发射率和由高温计进行测量所得的亮度温度。而亮度温度和真实温度之间的差距，又与光谱发射率的大小成反比，也就是物体的光谱发射率越大，亮度温度和真实温度之差越小。如果满足，则，通过（2-13）式知，若得到物体的发射率就能对测得的物体亮度温度进行修正，从而提高亮度测温法的精度。但由于的大小由材料的性质、物体的形状、温度和光的波长所决定，难以精确的度量，亮度测温法还存在很多不足。但凭借其灵敏度较好的优点，亮度温度测量法是现今应用最广泛的辐射温度测量办法。2.2.3 全辐射温度测量法原理通过测量物体辐射所有热辐射的总和，并使用黑体温度表定义来标定被测物的温度，就是全辐射温度测量法的原理，而通过黑体温度标定所得到的被测物温度与他所辐射的热辐射总量之间的关系就满足斯忒潘-波耳兹曼（Stefan-Boltzmann）定律的关系。本次设计以斯忒潘-波耳兹曼（Stefan-Boltzmann）定律为理论基础，进行全辐射温度测量系统的设计。被测物体的辐射出射度和波长之间满足一固定关系，在一定温度下，不同波长辐射出射度也不相同，对物体辐射的所有波长的辐射出射度进行计算得到的温度被称作全辐射温度。黑体辐射的能量可由下式得到： （2-14）简化得到： （2-15）式中 全辐射温度； 斯忒潘-波耳兹曼常数。斯忒潘-波耳兹曼定律从理论角度证明了热辐射量只和温度有关系且辐射量与黑体温度四次方成正比，并作为理论指导，为全辐射温度测量法给予理论支持。因为一般物体的辐射出射度会受到发射率的影响，所以将发射率考虑到计算中，斯忒潘-波耳兹曼公式变形为： （2-16） 为了给出灰体全辐射能的表达式，在此我们先介绍灰体概念。灰体是对不同波长的辐射，单色吸收率没有差别的物体，且物体的单色吸收率和发射到该物体体表的辐射波长并无关联。灰体和黑体一样都是都是设想中的物体，并不存在于现实中。实际物体介于二者之间，既不能全部吸收外界所有波长的电磁波，也对不同波长的单色辐射吸收率不同。灰体和黑体的不同点为：灰体吸收率，黑体吸收率。灰体的发射率与波长无关，也就是满足的关系，由此可得灰体的全辐射能量表达式为： （2-17）变形得到： （2-18）因为发射率的取值在0到1之间，又对公式（2-18）进行观察，能够发灰体的实际温度必定会比物体全辐射温度小。不同物体的发射率由于材料性质、表面形状、温度等不同难以测量，而发射率对全辐射测温发测量误差影响最大。灰体真实温度和全辐射温度之间的误差表达式为： （2-19）对于不是灰体的普通物体，因为物体发射率和辐射波长有关，因此无法将（2-17）式化简，若已知发射率的表达式就能由计算得出物体辐射能量和温度之间关系的表达式。也能由灰体辐射能量和温度之间的关系得出普通物体辐射特性。全辐射温度的物理意义可概括为当物体与黑体热辐射能量相等时，黑体的实际温度就是物体的全辐射温度。2.3 本章小结本章首先介绍了辐射温度测量的理论基础，也就是黑体辐射三大定律，黑体辐射三定律包含普朗克（Planck）定律、维恩（Wine）位移定律、和斯忒潘-波耳兹曼（Stefan-Boltzmann）定律。对应黑体辐射三大定律，分别详细介绍了辐射测温常用的三种基本原理方法：比色温度测量原理、亮度温度测量法原理、全辐射温度测量法原理。并从理论的角度表述了三种方法各自的优点，最终选择了全辐射测温法作为本次课题的理论指导。39第3章 硬件结构的设计第3章 硬件结构的设计3.1 系统结构设计 本课题旨在设计基于热辐射定律原理的光电式辐射测温仪，并提出改进方法，在对高温物体进行测量时运用光纤传导技术，使被测热源的热辐射经过光纤远距离传导到仪器端，使测量人和测量仪器远离高温热源，避免对测量人和仪器造成伤害。本课题主要研究了全辐射测温法原理下测温系统的搭建，硬件系统包括：光纤探头部分、传导光纤部分、光电转换部分、相关电路设计部分、单片机显示输出部分。其中相关电路部分又包括一级前置放大模块、二级幅度放大模块和温度保持模块部分等。搭建整个系统的结构图如下：被测热源多模光纤光学透镜显示输出放大电路光电转换图3-1 光电式辐射温度测量仪的结构图3.2 光纤探头设计为了较好的进行被测热源的热辐射收集工作，本课题设计了由光纤、凸透镜、光纤固定套管、铝合金套管组成的光纤探头。通过将光纤探头对准被测的辐射热源，可使其接受一定视场范围和角度内被测物体的热辐射，并汇聚到光纤。光纤传输部分的参数是保证仪器性能和测量结果稳定的重要参数，下图是光纤探头结构图和光纤数值孔径参数示意图：光纤数值孔径为： （3-1）本课题采用多模玻璃光纤，光纤结构如图3-3。光纤基本参数为：，得到，。图3-2 光纤探头结构示意图 n1a图3-3 光纤结构图 为了提高对高温辐射的耦合程度，探头端采用透镜将光束耦合，水平面上的光纤的透镜耦合如图3-4所示。从图中可以得出 （3-2）因为 （3-3）便得到 （3-4） 上式证明，当光纤的固定不变时，透镜外径越大，距离系数也就越大。 图3-4 水平面上的光纤头透镜耦合3.3 光电转换部分光电转换器是光纤辐射式测温仪的核心器件，它以光电效应为工作原理实现了光信号到电信号的转变，其性能将直接影响到系统最后的测量结果。由于对光电转换器件的需求越来越多，电子技术发展也越来越迅速，出现了很多类型的光电转换器件，有光电导二极管、光电池、光敏晶体管、光敏电阻、光电倍增管、光达林顿晶体管等。其中光电二极管凭借反应速度快、噪声低、使用简便等优点，作为辐射测温系统使用的主要探测器，广泛应用到辐射温度测量中。本课题选用的光电转换器就是光电二极管。3.3.1 光电二级管的性能参数光电二极管在理想状体下可看做一个微弱的电流源，接受到的辐射能量越多，光电二极管输出的电流也就越大，光电二极管的等效电路如下：图3-5 光电二极管的等效电路图（1）分流电阻分流电阻在理想条件下为无限大，但在现实中，其阻值在的范围内。测量分流电阻的实验方法是在光电二极管两端加压强10的电压，通过检测流过分流电阻两端的电流值来计算其电阻值。分流电阻越大越好，因为分流电阻直接影响光伏模式，也就是光电管在没有电压偏置时候的电流噪声，分流电阻变大，电流噪声变小。（2）结电容结电容对光电管响应速度有直接影响，而结电容的值又由扩散区和偏置电压的大小决定。结电容的大小和扩散区的大小成正比，和偏置电压的大小成反比。结电容随偏置电压变大而快速变小，二者近似满足指数关系，下图就为二者的关系曲线。图3-6 结电容与偏置电压的关系曲线光电管扩散区的面积和结电容的大小成正比，同时与分流电阻成反比。因此采用光学优化方法比采用扩散区较大的光电管，在提高光电管所接受的辐射能时，具有噪声更低的优点。（3）串联电阻光电管在没有电压偏置时，也就是工作在光伏模式下的线性度，主要由串联电阻所决定，串联电阻阻值在理想条件下为零，但在现实中它的取值范围在内。（4）响应度光电管的灵敏度由响应度表示，表示如下： （3-5）其中 是光电生的电流； 为某波长的光管上的光功率。管功率转化为电流效率的百分比就是响应度。而光谱、温度和偏置电压的变化都可能影响光功率的变化，因此，在本课题中为了排除温度变化对光电管响应度的影响，加入了恒温模块的设计，以期使系统更加稳定。（5）上升时间和下降时间上升时间指光电管接受的辐射能从上升到所用的时间，而下降时间是其从降低到所用时间。上升时间和下降时间和之间带宽表示为： （3-6）对上升时间产生影响的因素有：1. 二极管电路频率响应时间常数；2. 光电管耗尽区载流子电荷聚集时间；3. 光电管非耗尽区载流子电荷聚集时间。频率响应时间常数的决定公式为 =2.2（+)(+) （3-7）其中 负载电阻； 串联电阻； 寄生电容； 结电容。总的上升时间的表达式为： （3-8）其中， 、和三个因素对总的上升时间都会产生影响，当光电管在光伏模式下工作时，如果扩散区面积比小，总上升时间由决定；如果扩散区面积比大，总的上升时间由决定。当光电管在光导模式下工作且其全耗尽型，总上升时间由决定，若是非，总上升时间由 、和共同决定。3.3.2 光电二级管的噪声特性光电二极管的噪声有Shot噪声和Johnson噪声两个来源，其中Shot噪声由光电流和控制，其表达式为： （3-9）其中 噪声测量带宽； 光电管暗电流； 光电管电流； 电子电荷，其值为。 是光导模式下，光电管噪声的主要来源。Johnoson噪声由光电管中分流电阻产生，为光电管热噪声，其表达式为 （3-10）其中 分流电阻； 绝对温度； 噪声带宽； 玻尔兹曼常数，其数值为。在光伏模式下，是噪声的主要来源。通过式（3-9）和（3-10）可得到总的电流噪声： （3-11）由加载于光电管上的光功率产生的光电流等效为噪声电流的度量即为噪声等效功率，也就是NEP，其表达式为： （3-12）其中，是响应度。的取值范围在到之间。3.3.3 光电二级管电流电压的线性关系若无入射光时，光电管中电流和电压关系类似于整极管。若加载正向偏置电压，电流增加呈指数倍数形式；若添加反向偏置，则有一个很小的反向饱流产生，反和电流和暗电关系式为： （3-13）其中 暗电流； 反和电流； 开尔文温度； 被加载在光电管上的偏置电压； 电荷量； 玻尔兹曼常数，其值为。下图给出了在不同光功率条件下光电管之间的特性关系，其中。图3-7 光电管I-V特性曲线 观察上图可得出结论：光功率越和反向饱和电流的大小成正比，正向偏置电压和电流的大小成指数关系。且当偏置电压取不同的值，对应的光电管的工作状态也各不相同。当偏置电压取零，暗电流为零；当偏置电压大于零，光电管正向偏置，电流和电压满足指数关系；当偏置电压小于零，若有较高反向电压加载于光电管，暗电流就变为反向饱和电流。又由于我们称在施加反向电压致方向电流快速上升时的电压值为击穿电压，光电管正常工作在反向偏置状态的反向电压值不能超过击穿电压，通常来讲不能超过。当有光辐射时，则光电管中电压电流关系表述如下： （3-14）3.3.4 光电二极管的选型本课题中选用的光电二极管是硅型光电二极管。由于光纤安装和光电二极管封装部分缺少必须的封装设备，所以选用王玉田老师提供的WFH-68A型光纤测温仪的光电二极管。此光电二极管适合的温度测量范围是800到1800，波长响应范围在0.4um-1.1um，对800nm左右的波长灵敏度最高，有效面积0.5mm。3.4 相关电路设计部分完成光电二极管的选型后需将光电二极管接受热辐射后产生的电流信号进行处理并进行检测，如此便需要进行相关测控电路部分的设计。此电路模块是本课题的核心，也是整个仪器的核心，为保证仪器的精确度，该模块要做到低噪声、低漂移、良好的线性度和稳定的频率输出。且在在进行电路设计时，应注意以下几条：（1）光电管应在零偏置模式下工作。光电二极管有零偏置和反向偏置两种工作模式，反向偏置时虽然反应快开关速度比较高，但由于限定度不好且有暗电流干扰，综合起来还是选择工作于零偏置时。（2）在对放大器等供电时应选用直流稳压电源，并可在电源供电引脚处并联微小电容以起到滤除电源信号中的杂波干扰作用。（3）在进行放大器选择时，应注意运算放大器偏置电流大小对系统灵敏度和精度的影响。较高的偏置电流会引发比较大的偏置电压，从而对测量结果的准确性产生影响。（4）在满足频带宽度条件下应选择较大的反馈电阻，反馈电阻的大小和信噪比成正比。且可于反馈电阻处并联较小的电容，以达到滤波消噪的作用。但同时应注意，所并联的电容和反馈电阻将共同对信号带宽产生影响。（5）可通过添加导体外罩屏蔽外界电磁波对放大电路的干扰，并注意屏蔽用的导体外壳要接地。同时还应注意元件的摆放合理性，把类似作用的器件摆放在一起，保证用最短的线路完成电路的连接的同时注意布局对称，合理摆放导线。3.4.1前置放大模块由于接受热辐射条件下光电二极管所放出的电流在微安级别甚至更小，并不能被一般的电流检测仪器所测量，因此需要将光电二极管所发出的微弱的电流信号做放大处理，也就要用到前置放大模块。前置放大模块的核心器件是前置放大器，它的作用在于，首先在把微弱的电流信号转换成电压信号同时将信号放大，其次在于进行换能器阻抗匹配。又因为光电二极输出的电流信号特别小，所以就需要前置放大电路部分保持很高的放大倍数的同时，还要保持良好的信噪比，这样就不仅需要在器件摆放时注意使光电二极管和前置放大器摆放的近一些，减少因为传输距离过长产生的干扰和不必要的损耗；也需要前置放大器在满足带宽的条件下拥有良好线性度和抗干扰能力，噪声低，漂移低。在衡量以上条件后，选择AD829作为本次课题前置放大模块的前置放大器。AD829是一款具有自定义补偿特性的低噪、高速视频运算放大器。在保持50以上带宽条件下，用户可以自行设置1到20范围内的增益。它在3.58和4.43条件下，差分相位和差分增益误差分别为0.04和0.02%，可以驱动反转端接的50或75电缆，因此特别适合专业视频应用。AD829仅需5电源电流便可实现230无补偿压摆率和120增益带宽积。AD829的外部补偿引脚使它拥有异常丰富的功能。例如，针对指定负载和电源电压，可以选择补偿来优化带宽。用作增益为2的线路驱动器时，以1峰值的代价就可以将-3带宽提高至95 。此外，AD829具有出色的直流性能，能够为低至500 的负载提供最小30 开环增益，输入电压噪声低至，最大输入失调电压仅1 。共模抑制比和电源抑制比均为120。AD829也适用于快速建立时间达到0.1%精度为90特别重要的多通道、高速数据转换。由于理论上满足要求，且在实际应用中效果良好，最终选定AD829作为前置放大模块的放大器。最终设计的前置放大电路图如下图3-8所示。由于电路仿真软件Multisim中缺少光电二极管的器件，暂时用可变电流源代替进行模拟。图中光电二极管工作于零偏置模式下，AD829正向输入连接一个15的电容接地进行滤波处理以减少正向输入对光电二级电流信号的干扰，并提高输入输出信噪比。放大器供电端添加正负12直流稳压电源，并在电源和供电端之间添加一组并联的小电容起滤波作用，减小电源噪声对放大器的影响。图中、和共同组成反馈电容，和的大小均为10，为0200大小可调节的电容，通过改变可实现改变反馈电容，使整个反馈电容的大小控制在0.5到5的范围内。同时由于一般情况下选择反馈电阻阻值在500左右，但实验室中缺少500电阻，在此用510替代。图3-8 前置放大电路设计图图中反馈电阻和放大器的连接方法为负反馈，放大倍数由电阻阻值控制，在普通的负反馈电路中添加反馈电容，有效的做到对输入信号滤波消噪的作用，且和反馈电阻共同决定了前置放大模块的通带宽度。 (3-15) (3-16) (3-17)其中，为光电二极管输出的电流；为前置放大模块的截止频率；为前置放大模块输出的电压信号。3.4.2 幅度放大模块为了使最终输出的电压信号能被AD转换器有效采集，在前置放大模块后添加幅度放大模块将前一模块输出的电压信号再次放大以满足AD转换器对输入电压的需求。同样，对幅度放大模块中的放大器仍需拥有良好线性度和抗干扰能力，噪声低，漂移低等。最终，选择TL072作为幅度放大电路的放大器。TL072是一款JEET型低噪声运算放大器，带宽达到3，具有失真低、输入噪声电压低、反向偏置电流低、输入阻抗高、恢复率高、增益带宽大和供电所要求的电流低等优点。在单个单片硅积体电路中，TL072JFET型低噪音运算放大器包括了两种最高水准的模拟技术。每一个内部偿还运算放大器有搭配高伏JFET输入设备为了低输入偏移电压（补偿电压）。BIFET技术给低输入偏置电流，输入补偿电流（输入偏移电流）和电源电流，提供了宽阔的频带宽度和高度转换速度（速率）。进一步而言，这些设备表现出低噪音低和低谐波失真，让他们能够用于高保真精确音频放大设计。对于幅度放大电路部分的设计，最初给出了两种设计方案，分别如下图3-9和图3-10所示：图3-9 幅度放大电路设计方案1示意图图3-10 幅度放大电路设计方案2示意图在方案（1）中，经前置放大电路处理过得信号从放大器反向端输入，放大倍数由和共同决定，输出电压的表达式如下： （3-18）在方案（2）中，精油放大器正向端进行放大最后输出，放大倍数同样由和一起决定，输出电压表示为： （3-19）经过在Multisim上的模拟仿真，和在实际中应用发现，方案（2）较方案（1）更加稳定，也能进行较大倍数的放大。同时，由于所选AD转换器为单片机STM8的片内AD，其能检测到的电压范围在03伏特，要求为正。方案（2）中输出电压为正向，方案（1）中输出电压为反向，因此方案（2）更能满足本课题的设计要求，最终选择方案（2）作为本次设计幅度放大模块所用方案。综合上述，所设计的辐射温度测量光电转换模块和放大部分总的电路原理图如下: 图3-11 光电转换模块和放大模块部分电路原理图3.4.3 温度保持模块因为温度变化不仅会对光电管与放大器的性能造成一定影响，同时由于工作温度不同，光电管接收到的热辐射量也会受到影响，从而对整个辐射测温的测量结果产生影响，因此如果能使避免由于温度变化而引起的测量结果误差便再好不过。为此，本课题设计了温度保持模块，将光电转换和放大电路模块保持在一个恒定的温度，又升温加热较冷却降温容易实现并且更加稳定，所以本论文将进行用电路模块实现将系统保持在一个高于室温和工作环境温度的设计。温度保持模块中用到的主要器件有铂电阻PT100，电压比较器LM393和功率三极管TIP41。下面首先对这三个器件做简单介绍。PT100是铂热电阻，简称作：PT100铂电阻，有陶瓷、玻璃、云母元件等多个品种，凭借其良好的温度特性，广泛应用于温度计、工业、电子、气象、医疗等高精温度设备中。它的工作原理是：PT100的阻值会随温度变化，当他在0时阻值为100欧姆，温度升高，阻值会变大，当温度达到100时阻值约为138.5欧姆，阻值随温度上升近似匀速增加，二者曲线关系近似于一条抛物线。LM393是比较器集成电路，在一片芯片中集成了两个独立高精度的比较器。LM393专门用于单电源供电时获得宽电压范围，同时也可在两电源供电时使用，且具有精度高、能减少由于温度漂移引发的失调电压、输入共模电压范围接近地电平、兼容逻辑电路等优点。由以上优点，LM393用途广泛，适用于脉冲发生器、多频振荡器、方波发生器、宽频压控振荡器、MOS时钟计时器和高电平数字逻辑门电路等。当适用两个电源进行供电时，LM393不仅功耗低，还能兼容MOS逻辑电路，这是它比起其他比较器的优点所在。同时在使用时应注意LM393是高增益,宽频带器件，像大多数比较器一样，如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合则很容易产生振荡。这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时，输出电压过渡的间隙。电源加旁路滤波并不能解决这个问题，标准PC板的设计对减小输入输出寄生电容耦合是有助的。减小输入电阻至小于10K将减小反馈信号，而且增加甚至很小的正反馈量(滞回1.010mV)能导致快速转换，使得不可能产生由于寄生电容引起的振荡。除非利用滞后，否则直接插入IC并在引脚上加上电阻将引起输入输出在很短的转换周期内振荡，如果输入信号是脉冲波形，并且上升和下降时间相当快，则滞回将不需要。LM393的功能框图如下。图3-12 LM393的功能框图TIP41是NPN型功率三极管，广泛应用于信号放大及音频功放，可与TIP42 PNP做互补对称管使用。TIP41的电流增益带宽积最小为3，放大倍数在3075倍之间。TIP41的引脚图如下。1. 基极2. 集电极3.发射极321图3-13 TIP41的引脚图运用以上三个器件作为核心进行电路设计，做出的温度保持模块电路图如下所示。图3-14 温度保持模块电路设计图在此恒温模块中，以PT100为传感器（由于Multisim中没有PT100电阻，用可变电阻代替进行模拟），以功率三极管TIP41为加热器件，通过比较器LM393构成温度保持电路。为将系统保持在高于室温，且高于工作环境的温度，选定为40摄氏度，查询PT100资料手册可知在40摄氏度时PT100的电阻为115.54，此时调节变阻器使近地端阻值为53.39，使得比较器LM393正向输入端和反向输入端点位相同。当温度小于40，PT100的阻值就会小于115.54，LM393反向输入端的电压也就小于正向，此时比较器输出高电平，功率三极管TIP41处于导通状态，开始发热；当温度高于40摄氏度时，PT100的阻值就会超过115.54，反相输入端电压也就小于同相输入端电压，致使比较器输出低电平，功率三极管TIP41成关闭状态，停止加热，由于所恒定的温度高于室温，温度会逐渐下降，最终使模块保持在40上下浮动。运用这种方法能精确控制温度保持在40，且容易设置所恒定的温度。3.5 单片机显示输出部分光电二极管接收热辐射后所发出的微弱的电流信号，在经过前置放大模块和幅度放大模块的放大后，得到的是一个电压信号，并不能直接从中读出所测量的温度值，最终需要通过AD转换器将电压信号的模拟值转换成数字量送给单片机进行显示输出。显示输出部分主要以单片机STM8为核心构成。STM8是由意法半导体公司所生产的位单片机。该系列单片机可分三个子系列，分别是一般用途的STM8S系列；汽车用途的STM8SA系列和低功耗用途的STM8L系列。本课题所采用的STM8S-DISCOVERY开发板是ST公司针对STM8S系列设计的一款开发板。该单片机具有如下特点：高性能的8位结构、模块化外设和引脚兼容封装、采用0.13微米工艺技术，具有高性价比且为你现有的8位和16位应用提高性能。芯片抗干扰能力强，性能高度可靠，并且系统成本低，简单灵活，容易入门。显示所用的模块为TM1638芯片和DS1302驱动的共阴数码管。TM1638是带键盘扫描接口的LED（发光二极管显示器）驱动控制专用电路，内部集成有MCU 数字接口、数据锁存器、LED 高压驱动、键盘扫描等电路。主要应用于冰箱、空调 、家庭影院等产品的高段位显示屏驱动。最终的显示输出模块由STM8和TM1638驱动的共阴数码管组成。采用STM8片内自带的AD转换器，其检测电压的范围在0到3伏特，将转化成数字量的电压值输送到STM8中，通过温度标定实验得到温度和电压的关系，在单片机中进行转换，最终通过TM1638模块将结果显示输出。其中温度显示程序的流程图如下图所示：显示初始化开始AD转换中断读AD值，出中断电压温度数值转换图3-15 温度显示程序流程图3.6 本章小结本章主要对课题中的硬件设计进行了详细讲解。首先阐述光纤探头部分的结构和具体参数；其次概述光电式辐射温度测量仪的核心器件，也就是光电二极管，对光电二极管的选型要求和具体参数，给出详细的说明；然后讲解前置放大电路和幅度放大电路，对具体器件的选型，参数的选择，和最后所得的电压数值，都给出了详细的描述；然后讲解了使光电转换电路和电压放大电路保持温度恒定的温度保持模块，温度保持模块的具体工作原理，器件选型，和器件介绍，都作出详细表述；最后论述显示输出模块，详细介绍了显示输出模块所用的STM8单片机、TM1638共阴极数码管，给出了单片机内运行程序的程序流程图。第4章 温度标定实验和函数关系拟合每一个测温系统的生成都要经过温度标定实验，通过温度标定实验才能将所测得的其他类型物理变化，例如体积、形状、电压等转换成温度数值进行计量。而温度标定实验的结果，也会对最终温度测量系统的准确性产生重要影响。在本课题所研究的辐射温度测量系统中，需要将幅度放大模块所输出的电压值进行测量，每个电压数值对应测得该数值时被测物体的温度，完成温度标定实验。在温度标定实验中测得几个温度节点下的电压值，为通过测量放大电路输出的电压得到不是这几个温度节点下的温度值，也就是将离散的温度和电压的对应关系，变为连续的温度和电压的对应关系，就需要进行电压和温度关系的函数拟合。函数拟合，就是将由实验等方法得到的一组一一对应的离散数据，通过数学方法，得出二者之间的关系或近似关系，使二者在坐标轴上近似满足一条平滑的曲线。函数拟合，分为线性拟合、二次函数拟合、数据的n次多项式拟合、指数函数的数据拟合、多元线性函数的数据拟合等。而不同的系统，由于选择方案、使用器件、器件连接办法和测量时测量办法实验人员等原因，得到的拟合函数也会各不相同，而在实验过程中，由测量办法和测量人员产生的误差也会对整个函数拟合结果产生影响，称为拟合误差，一般把拟合误差算作系统误差。4.1 温度标定实验流程设计首先按照如下图所示，将实验仪器按顺序摆放。万用表放大电路光电管多模光纤光纤探头标准温度温度保持 图4-1 温度标定实验仪器摆放示意图首先，将光纤探头摆放在标准温度仪前，并用多模玻璃光纤连接，将多模玻璃光纤对转光电管有效面，并使光电二极管和放大电路有效连接，同时将温