毕业设计开题报告 红外测温系统的研制.doc

河 北 科 技 大 学毕业设计(论文)开题报告 题 目： 红外测温系统的研制 学生姓名： 学 号： 专 业： 电子信息工程 指导教师： 开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于10篇（不包括辞典、手册）；4有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2004年2月26日”或“2004-02-26”。毕业设计（论文）开题报告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述：1) 红外测温系统概述红外测温作为一门新技术和新方法，它的出现是红外技术的发展结果。红外技术是研究红外辐射的产生、传输、转换、探测并付诸应用的一门科学技术。近20年来，红外测温技术在产品质量控制和监测!设备在线故障诊断安全保护以及节约能源等方面发挥了正在发挥着重要作用，逐渐被广泛应用于电力、食品加工、冶金、石化、医疗、科研等多种行业中。红外测温技术与传统测温技术相比有巨大的优越性，因此在很多工业生产过程如电力系统、冶金系统中得到了广泛应用。红外测温产品有着广阔的应用前景。目前红外测温产品主要有两类：点式红外测温仪和面式红外测温仪，面式红外测温仪即红外热像仪，现在点式红外测温仪就其测温性能及其辅助功能上来说不如红外热像仪，主要缺点如下：i. 远距离、小目标难以对准，人为因素影响较大，从而影响测温精度；ii. 测温结果不利于保存分析,限于局部没有全局效果，从而有时不利于发现问题；iii. 不利于远程遥控，自动化、智能化程度较低；由于红外热像仪价格昂贵，国产产品价格在2030万左右，进口产品价格更是在7080万左右这大大限制了它的推广应用，而点式红外测温仪价格只有一两万元左右。就测温精度来说，点式红外测温仪和红外热像仪相比精度相当，并且很多应用场合精度要求也不是很高，可以采取一定措施弥补其缺点,而又不太大的增加其成本。2) 红外测温原理一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。物体的红外辐射特性：辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系，因此,通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。发射率是表征物体辐射红外线的能力，它是相同温度和波长下的实际物体与黑体的单色辐射出度之比，所以亦称比辐射率，它是表征物体辐射本领的重要热物性参数，发射率越大,物体表面的辐射能力越强。大部分有机物或金属氧化表面的发射率都在0.850.98之间，光洁的金属表面或抛光的物体发射率很低，所以,材料种类、表面粗糙度、理化结构和材料厚度都是影响发射率的主要因素。3) 红外测温仪i. 红外测温仪的特点非接触测量：它不需要接触到被测温度场的内部或表面，因此，不会干扰被测温度场的状态，测温仪本身也不受温度场的损伤测量范围广：因其是非接触测温，所以测温仪并不处在较高或较低的温度场中，而是工作在正常的温度或测温仪允许的条件下。一般情况下可测量负几十度到三千多度。测温速度快：即响应时间快，只要接收到目标的红外辐射即可在短时间内定温。准确度高：红外测温不会与接触式测温一样破坏物体本身温度分布，因此测量精度高灵敏度高:只要物体温度有微小变化，辐射能量就有较大改变，易于测出。可进行微小温度场的温度测量和温度分布测量，以及运动物体或转动物体的温度测量。使用安全及使用寿命长。ii. 红外测温仪的工作原理红外测温仪接收物体自身发射出的不可见红外辐射能量。红外辐射是电磁频谱的一部分，电磁频谱包括无线电波、微波、可见光、紫外射线和射线。红外线位于可见光和无线电波之间的区域，红外线的波长在(78100)L之间，实际上，(0.7814)L波带常用于红外测温。按波长的范围可分为近红外、中红外、远红外、极远红外四类。红外线辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它是基于任何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动，并不停地辐射出热红外能量。分子和原子的运动愈强，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量愈小。当用红外辐射测温仪测量目标的温度时首先要测量出目标在其波段范围内的红外辐射量，然后由测温仪计算出被测目标的温度。单色测温仪与波段内的辐射量成比例；双色测温仪与两个波段的辐射量之比成比例。红外测温仪是由光学系统、探测单元和信号处理三部分组成的。光学系统的主要作用是收集被测目标的辐射功率，并使其汇聚到红外探测器上。红外探测器的作用是将接收到的红外辐射转换为电信号输出。电信号处理部分的作用主要是对探测的微弱信号进行放大，以达到显示或记录被测温度的目的。为了使红外测温仪有较高的输出信噪比，必须要求仪器有较大的光学相对孔径，高灵敏度的探测器，低噪声的电信号处理系统。为了使红外测温仪有较高的测量精度，必须采取发射率修正，环境温度补偿和精确的温度定标等措施。iii. 红外测温仪的分类红外测温仪包括便携式、在线式和扫描式三大系列。红外测温仪根据原理可分为单色测温仪和双色测温仪（辐射比色测温仪）。iv. 红外测温仪的主要参数温度范围：测温范围是测温仪最重要的一个性能指标。美国爱光公司生产的便携式红外测温仪系列的温度范围为3003000度(分段)，每种型号的测温仪都有其特定的测温范围。所选仪器的温度范围应与具体应用的温度范围相匹配目标尺寸：对于单色测温仪，测温时，被测目标应大于测温仪的视场，否则测量有误差，建议被测目标尺寸超过测温仪视场的50%为好，对于双色测温仪，其温度是由两个独立的波长带内辐射能量的比值来确定的，因此当被测目标很小，没有充满现场，测量通路上存在烟雾、尘埃、阻挡对辐射能量有衰减时，都不会对测量结果产生影响。光学分辨率：即测温仪探头到目标直径之比。如果测温仪远离目标，而目标又小，应选择高分辨率的测温仪。4) 红外测温的应用红外测温,由于是非接触式，而且可测的温度低温可测负的温度，高温可达3000e，因此，在工业部门的钢铁、水泥、化工、石油、轻工食品加工、空调制冷、汽车检测、沥青路面、玻璃制造，设备诊断、造纸、消防等等部门都可广泛应用。由于红外测温是测量物体的表面温度，故测量结果与被测目标的表面状况有关系，因此，在应用技术上要注意以下问题：i. 正确设定辐射系数前面介绍的普朗克定律是对黑体而言的,黑体的发射系数为1，而自然界中存在的物体，几乎都不是黑体，它们的辐射系数都小于1。如何正确选择被测物体的发射率呢？一般有几种方法：a) 参考厂家说明书中给出的不同材料的发射率来选定。b) 在低于260e的物体，可在被测物体上贴上一块标准发射率的纸，在温度达到平衡时，用测温仪分别测量覆盖和紧邻的未覆盖部分的温度，便可求出被测物体的发射率。c) 用热电偶或其他方法先测出物体的真实温度，用此温度来校准红外测温仪。即细节测温仪的发射率值,使指示的温度与真实温度一致，此时的发射率就是被测物体的发射率。ii. 正确选择距离系数用D表示测温仪到目标的距离，S表示目标的直径,距离系数为D：S。此系数越大，表示光学分辨率越高。当D:S=12:1时,距离为900mm时，目标直径必须大于86mm，这样才不会引起测量误差,目标直径必须充满现场，而且最好有115倍的余量。参考文献：1. 郑子伟.红外测温仪概述.四川：成都市计量监督检定测试所，2006年.2. 叶建泗.红外诊断技术及其在电力系统中的应用,2001年2月.3. 陈 衡.红外扫描测温与热诊断学.激光与红外,1996年8月.4. 董其国.红外诊断技术在电力设备中的应用.北京:机械工业出版社,1998.5. 杨 立.红外热象仪测温与误差分析，红外技术，1999年.6. 郭呈祥.红外测温技术.工科物理，2000年.7. 杨世铭，陶文铨.传热学.北京:高等教育出版社,2002年.8. 高魁明.热工测量仪表.北京:冶金工业出版社,1985年.9. 由富恩辐射测温原理及检定北京：中国计量出版社，1990年10. 陈衡红外物理学北京：国防工业出版社，1985年11. GARDNER D L，GARRETT SL.Fiber-optic seismic sensor. SPIE，198712. GARDNER D L，HOFLER T，BAKER SR，et al.A Fiber-Optic interferometric seismometer. Journal of Lightwave Technology，198713. BAUMGARTNER P，WEGSCHEIDER W，BICHIER M，et al. Single-electron transistor fabricated by focused laser beam-induced doping of a GaAs/AlGaAs heterostructure. Appl. Phys. Lett，1997.14. YE Yutang，LI Zhongdong，HONG Yonghe, et al. Remote sensing of the temperature of the exposed region in laser assisted diffusion. Journal of applied sciences，1997.15. LAX M. Temperature rise induced by a laser beam. Journal of Applied Physics，1977.2本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段及途径：本课题为远程红外测温系统的设计，采用软硬件相结合的方案实现功能。系统硬件设计可分为温度采集处理模块（即传感器与单片机的接口电路）、数据传输和显示模块（即单片机和PC串口通信电路）两部分。系统软件设计可分为SPI程序设计、单片机与PC通信程序设计两部分。整体设计思路：本设计中采用软硬件相结合的方案实现功能。硬件设计包含温度采集处理模块和数据传输显示模块，以单片机作为控制核心。软件设计利用汇编程序完成。物体红外测温传感器单片机控制PC显示监控整体系统结构图i. 硬件设计： 系统关键技术：a) 光学系统设计：光学系统起到收集红外辐射并将其聚焦到红外探头上的作用，由于红外信号相对来说比较微弱，光学系统所收集到的红外信号的大小直接影响着测温结果，因此要实现测温仪精确测温必须设计一个光路简单、红外辐射损失小的光学系统。b) 信号检测电路：由于探测器输出的电压信号非常低(V级)，而信号噪声则相对较大，所以设计与探测器噪声相匹配的低噪声放大器及如何在低信噪比的情况下检测出微弱信号也是实现测温功能的前提。c) 温度补偿技术：由于红外的辐射能受很多因素的影响，如被测物体的黑度系数、杂散光和背景光、辐射路径及大气的衰减等，都会影响测温精度，所以如何进行温度补偿，提高测温精度也是实现红外测温所必须解决的问题。d) AD转换技术 如果传感器的输出是线性模拟输出，需要对其进行AD转换，输出数字信号，再由单片机对其进行控制处理。ii. 软件设计：构成本系统控制器部分的是单片机，软件系统的设计包括传感器和单片机进行SPI通信程序设计、单片机与PC通信程序设计两部分。a) SPI通信程序设计：SPI是一个同步串行外设接口 ，容许处理器与各种外围接口器件以串行方式进行通信、交换信息，即可以提高传输速度也可以减小器件的资源占用，另外即使在没有SPI接口的单片机上也可利用软件进行模拟。SPI通信原理：MLX90601与单片机之间通过SPI接口进行通信，MLX90601作为从器件，通过SPI接口可以对MLX90601内部的EPROM及所有寄存器进行读/写操作。SPI以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（单向传输时）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）。（1）SDO-主设备数据输出，从设备数据输入；（2）SD-I主设备数据输入，从设备数据输出；（3）SCLK-时钟信号，由主设备产生；（4）CS-从设备使能信号，由主设备控制。当MLX的片选信号出现一个下降沿时，写命令开始，再出现一个上升沿时写命令结束。其间共有32个时钟脉冲出现，始终上升沿有效。读命令也如此。SDI写命令的顺序是：8位命令、8位地址、16位数据，高位在前；在输入写命令8个时钟周期后，在SDO口输出输入的命令码、地址码以及头8位数据以供校验用。b) 单片机与PC通信程序设计：51单片机有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和电脑之间可以方便地进行串口通讯。软件