远红外测温仪的设计电子信息专业本科毕业设计

1、远红外测温仪的设计学生姓名：学生学号：院（系）：工程学院 年级专业：级电子信息工程 指导教师： 副教授 助理指导教师：二七年六月摘 要为了监检恶劣生产条件、特殊环境的温度，以便进行预防性维护，我们进行了远红外测温仪的设计。红外测温仪是利用红外传感器对电力设备运行时的热辐射进行采集，通过转换电路将红外传感器采集到的光信号转换成电信号，再将电信号通过放大电路、带通滤波电路、解调电路、A/D转换等单元电路处理后送到单片机中，最后单片机将带有数据信息的电信号进行分析处理，将电信号转变成与之相对应大小的温度值显示输出。将有用信息保存下来并传送给控制中心，电力设备运行过程中的临界温度通过软件编程的方式写入

2、单片机中。通过对温度的确认达到掌握被测对象的工作状态，确定其工作是否正常，以便及早发现故障并针对具体情况采取相应对策。如果被测物体的温度低于所设定的临界温度值，红外测温仪将正常工作。反之，系统则发出报警信号启动报警装置，提醒操作人员采取必要的措施，避免电力设备的运行因温度过高而发生故障和损失，从而实现仪器的自动化和智能化，保障电力设备的正常运行。关键词热释电传感器，单片机，显示器ABSTRACTFor examines the bad working condition, the special environment temperature, in order to carry on the

3、 preventive maintenance,we have design the infrared thermodetector.The infrared thermo detector use infrared sensor moves the time heat radiation to the power equipment to carry on gathering, the light signal which gathers the infrared sensor transforms through the switching circuit the electrical s

4、ignal,again through enlarges the electrical signal the electric circuit, the band-pass circuit, demodulates unit electric circuit processing evacuations and so on electric circuit, A/D transformation to the monolithic integrated circuit in, the final monolithic integrated circuit will have the data

5、message electrical signal to carry on analysis processing, will transform the electrical signal corresponds with it the size the temperature value demonstration output.Preserves the useful information and transmits for the control center, in the power equipment movement process critical temperature

6、the way which programs through the software reads in the monolithic integrated circuit. Through to the temperature confirmation achieved grasping was measured the object the active status, determined it works whether normally, in order to discover early the breakdown and aims at the special details

7、to take the corresponding countermeasure.If were measured the object the temperature is lower than the critical temperature value which establishes, infrared thermo detector normal work. Otherwise, the system sends out the alarm start alarm device, the reminder operator takes the essential measure,

8、avoids the power equipment the movement breaking down and the loss because of the hyperpyrexia, thus realizes the instrument automation and the intellectualization, the safeguard power equipment normal operation.KeywordsThe pyroelectric Sensor，Monolithic integrated circuit，Monitor目 录摘要IABSTRACTII1 绪

9、论1远红外测温技术的发展及应用1远红外测温技术的发展概况1远红外测温在电力设备中的应用2远红外测温仪的研究意义及功能实现3本设计所作要求31.4 本设计所作的工作42 远红外测温原理5远红外辐射的概述5红外辐射及红外光谱5红外辐射的产生5红外辐射源5远红外辐射与可见光的区别6红外光谱6远红外热效应与红外吸收7远红外热效应及热释电效应7红外吸收7相关定律介绍8红外辐射的基本定律8黑体辐射定律8远红外测温的特性介绍9远红外测温与接触测温的区别9远红外测温仪的优缺点10选择远红外测温仪的要求11最大接收辐射信号11影响红外测温仪精度的因素11最大辐射对比度12远红外测温的原理13远红外测温原理框图1

10、3远红外测温系统的组成图13工作原理143 远红外测温仪的硬件电路设计15远红外传感器的设计153.1.1 远红外探测器的一般组成15测温部分模块分析15电源的设计16电源的方案设计16电源的电路图及工作原理17电源的参数计算19同相放大器的设计19同相放大器的方案设计19同相放大器的电路图21参数计算21低通滤波器的设计22低通滤波器的方案设计22低通滤波器的电路图22低通滤波器的参数计算23温度补偿部分设计25方案设计25电路图25参数设计25模数A/D转换器26模数转换器介绍26引脚及功能27取样与保持28量化与编码28电压转换及转换时间284 远红外测温仪的软件设计31控制模块的设计3

11、1单片机的选择314.1.2 AT89C51单片机简介314.2 AT89C51的最小应用系统设计35系统总体的流程图37源程序375 结论39附录A 特殊功能寄存器地址表40附录B 单片机的源程序41参考文献42致谢431 绪论测量是人类认识事物本质不可缺少的手段，通过对事物的测量能获得定量的概念和发现事物的规律性，而温度是确定物质状态的参数之一，在许多工业中温度信息的获得具有很重要的意义。温度测量的方法可分为两大类-接触法和非接触法测温，非接触法测温目前仍以辐射测温为主，而且辐射温度计具有响应速度快和分辨率高等优点。对于一些波动物体、移动物体、热容量小的物体和腐蚀性较强的物体，在接触法测温

12、不可能实现时，辐射测温法被广泛应用着。远红外测温仪是利用热释电红外温度传感器接收经汇聚、滤光处理的远红外光从而产生信号，并将此信号经过光电转换器转换为电信号，该电信号被传到处理电路进行处理并计算出被测设备的温度值。对于检测目标温度在27227之间的设备而言，其红外辐射能量的波长范围为5um14um，属于远红外波段，即使用远红外光来测量设备的温度。利用此原理对物体自身红外辐射的测量，便能准确测定它的表面温度，从而实现对电力设备的监测和控制，保证工业生产的正常运行和设备的有效使用。远红外测温仪也因此而得名，简言之，就是利用远红外光谱来对设备进行温度的测量。同时热释电红外温度传感器具有反应速度快、灵

13、敏度高、测量范围广、使用方便等特点，尤其非接触式测量使红外温度传感器和以红外传感器为核心的远红外测温模块、远红外测温仪在工业现场、国防建设、科学研究等领域得以广泛应用。远红外测温技术的发展及应用远红外测温技术的发展概况远红外测温技术在产品质量监测、设备在线故障诊断、安全保护以及节约能源等方面正发挥着重要作用。近20年来，非接触式远红外测温仪在技术上迅速发展，适用范围及市场占有率不断扩大。远红外测温技术是一种利用透镜装置采集远红外光谱来测出设备在使用过程中的温度从而掌握其状态，极早发现故障及其原因，并能预报故障的发展趋势。工业领域的应用是从保证安全生产到对设备易诊断不断地上升到精密诊断，而且世界

14、各国几乎都是从电力工业部门的应用扩展到其他领域的多种应用。下面就国内、外的发展状况和发展趋势分别加以说明。国外的发展概况20世纪60年代以后，计算机和电子技术的飞跃发展促使工业生产现代化和机器设备的大型化、高速化、自动化越来越大，结构越来越复杂，其结果是一旦发生事故，不仅会造成巨大经济损失，而且会污染环境，引起灾害，造成各种社会问题。因此，人们开始认识到发展故障诊断技术的重要性。又由于可靠性工程的发展推动了红外诊断技术的发展，而远红外诊断技术的应用其最重要的是从事设备管理和维修的人员，要求他们对这项技术的重要性有更深的理解，远红外测温的目的是掌握设备在运行过程中的工作状态和运行温度，确定其整体

15、或局部工作是否正常，及早发现故障，并对其原因、部位、危险程度等进行判断，预报故障的发展趋势，并做出相应的决策。远红外测温仪和诊断技术除应用在电力部门外，在其他民用领域也有多种应用。国内的发展概况我国远红外测温技术的发展和设备诊断技术的发展息息相关。从1979年开始，对于设备诊断技术，从维修体制改革着眼、探求设备寿命周期费用的经济性来研究这个问题。1985年1月，原国家经委委托中国设备管理协会召开设备诊断技术应用推广会，全国各方面均有代表参加，交流经验和论文，广泛介绍国内外工作现状，使大家开拓了视野，提高了认识，为今后在全国大力推行设备诊断和远红外测温技术，改进设备管理体制，打下了良好的基础。2

16、0世纪70年代以后，军事远红外技术又逐渐向民用方面转化，红外加热和干燥技术广泛应用于工业、农业、医学、交通等各个行业。远红外测温仪、远红外检测技术的采用，使得测量精度、产品质量、工作效率及自动化程度大大提高，特别是标志红外技术最新成就的远红外热成像技术，不仅在军事上具有很重要的作用，而且在民用领域也大有发展。在军事方面，远红外技术可用于军事目标探测、通信和夜视。在红外通信方面，用红外辐射作载波，其强度受发送信息的调制，具有更好的方向性。在民用方面，远红外测温技术广泛用于工业、医学及科学研究等。首先是对异常热源的检测，用远红外测温技术探测异常的热源，就能对事故的发生及时报警。其次利用远红外技术可

17、实现对工业过程进行有效地监视，从而对这些过程进行控制。利用热源光谱发展起来的远红外测温技术及远红外加热干燥技术，已经在工农业的很多方面得到应用。远红外测温在电力设备中的应用远红外测温仪在诸多领域的应用中最普通的有：1、汽车工业：诊断汽缸和加热冷却系统。2、HVAC：监视空气分层、供回记录、炉体性能。3、电气：检查有故障的变压器、电气面板和接头。4、食品：扫描管理、服务及贮存温度。远红外测温仪主要应用在高压电力设备运行时温度的测量上，这种测量对电力设备本身的安全，经济运行和使用寿命都有着重要意义。电力设备和其它任何设备一样，都具有一定的温度，处于一定热状态中。设备在运行中处于何种发热状态，直接反

18、映了设备工作是否正常。由于电流、电压的作用，将产生发热，主要包括电流效应引起的发热(反映在载流电力设备中)和电压效应引起的发热（反映电力设备内部损耗的变化)。当电力设备发生缺陷或故障时，在缺陷部位的温升将发生明显的变化。尤以电流效应引起的发热，将可能急剧增加。在电力系统的各种电气设备中，导流回路部分存在大量接头、触头或连接件，如果由于某种原因引起导流回路连接故障，就会引起接触电阻增大，当负荷电流通过时，必然导致局部过热，如果电气设备的绝缘部分出现性能劣化或绝缘故障，将会引起绝缘介质损耗增大，在运行电压作用下也会出现过热，还有些电气设备(如避雷器和交流输电线路绝缘瓷瓶)因故障而改变电压分布状况或

19、增大泄漏电流，同样会导致设备运行中出现温度分布异常。这些温度或热状态下，其发出的红外光谱属于远红外光区，这就为远红外测温技术在电力设备中的应用提供了充分的特征参数。电力设备运行过程中温度过高，轻则损坏设备和系统，重则酿成重大事故，因此为使电力设备处于最佳运行状态，对其温度的测量是十分必要的，过去由于高压的隔离问题，使直接测量不能很好的解决，采用远红外测温系统可以实行远距离的遥测，对关键电气设备连接点测温，作好每日温度测量记录，根据接处的情况和温度变化决定是否进行检修，这在很大程度上减少了因为电气设备过热而产生的事故的发生。使问题得到了很好的解决，因此具有良好的发展前景。远红外测温仪的研究意义及

20、功能实现自二十世纪九十年代以来，我国电力工业发展迅速，电网规模日益扩大。电力设备是电网和变电站的核心设备，它的运行状况直接关系到系统的安全运行。随着电压等级的提高，电力设备的负荷也越来越大，由于电力设备自身的造价都比较昂贵，因电力设备故障所带来的事故，造成的损失往往也是巨大的。而设备运行时所发出的红外光谱的波长范围是514um，属于远红外光谱，这个波段内的光所对应的物体的温度是介于0500之间。温度不是特别高，对仪器的损坏也不是特别大，因此，设计一种测量更准确，采样波长介于此区间内的非接触式远红外测温仪来监测电力设备运行状态，及时发现潜在故障，有着充分的必要性。根据远红外测温的基本定律，阐述远

21、红外测温仪的工作原理及功能实现：一切温度高于绝对零度的物体都在不停的向周围空间发出红外辐射能量，。设计出光电检测部分的具体电路图（电源、放大器、滤波器以及温度补偿等），确定出各部分元件的具体参数，并结合单片机将设备的运行过程中的临界温度写入单片机，再配以终端显示,可方便的对测量结果进行实时监控，从而实现远红外测温仪的自动化和智能化，最终将电力设备因超温所出现的故障给予解决。本设计所作要求测温范围: 27227（300500K）；响应波长: 8um14um；响应时间：500ms；A/D转换:8位的ADC0809芯片；工作环境温度范围:050；相对湿度：30 时 1095%；测量精度：23 时1%

22、；温度分辨率:0.5；电源电压:+9V；微处理器:AT89C51；发射率:0.95(可调),激光瞄准。1.4 本设计所作的工作首先，介绍远红外测温技术的相关理论知识，从与几种红外测温仪的比较中得出远红外测温仪的优点和缺点，以便对远红外测温有比较清晰的认识。其次，对远红外测温电路的硬件设计，本设计分别从红外传感器、串联稳压电源、同相放大器、低通滤波器和温度补偿部分共五个部分分别进行方案选择、参数计算、并给出了各模块的电路图以便更好的理解。再次，对远红外测温仪的A/D转换进行详细的说明，并进行了软件模块的设计，从单片机的选择到其功能的介绍、接口电路的分析、系统总的流程图并给出了源程序。总之，整个设

23、计分别从硬件和软件两个方面进行了详细的分析，思路清晰，方案正确，并最终得出了总的电路图，有很好的现实意义。2 远红外测温原理远红外辐射的概述1800年，德国天文学家F.W.赫胥尔用分光棱镜将太阳光分解成彩色光谱，表明白光是由各种颜色的光复合而成。然后用温度计测量光谱中各种颜色的温度，为与环境温度进行比较，他在彩色光带附近放了几支温度计来测定周围环境的温度。实验中，他发现：放在光带红光区域以外的一支温度计比室内其他温度计的指示数值高。经过反复实验，这个热量最多的高温区域总是位于光带最边缘处红光的外面，那里并没有可见光的辐射，从而发现了红外光。现在我们称这种不可见光线为“红外辐射”或“红外线”，它

24、实际上也是一种电磁振荡，并可分为近红外、中红外、远红外，其性质和我们熟悉的可见光及无线电波完全一样，且在不同物质中红外辐射的传输是不同的，尤其以远红外辐射表现的十分突出，为远红外测温仪的研究与设计提供了很好材料。红外辐射的产生任何物体内部的带电粒子都处于不断运动状态，当物体温度高于热力学温度0时，它就会不断地向周围进行电磁辐射。物体的自发辐射，常温下主要是红外辐射，俗称红外线，它是人眼看不见的光线，具有强烈的热作用，故又称热辐射。热辐射特性主要由温度决定，故称为温度辐射，是光学温度传感的基础。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外观的可见光；当温度继续升高，物体

25、会向外辐射电磁波，且随着温度的升高其波长会变短。当温度升到1500时，便开始发出白色光。当将一束白色光照射到一个玻璃三棱镜上时，通过三棱镜对不同波长光的折射，就会显现七彩的单色光束。图2.1是太阳光的分光实验示意图。图2.1 太阳光分光实验示意图红外辐射源能够发射红外电磁波的物体或器件，皆称为红外辐射源。一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。物体的温度越高，辐射出的红外线越多，辐射的能量就越强。红外线和所有电磁波一样，是以波的形式进行直线传播的，红外辐射的物理本质是热辐射。红外辐射通常可以分类如下：工程所用辐射源，包括碳弧灯、电发光辐射器、电加热的杆状辐射器等；自然红外辐射源

26、，包括太阳、月球、恒星、行星、地球表面、大气和云层等。远红外辐射与可见光的区别红外辐射是最为广泛的电磁辐射，而远红外辐射因其波长范围（5um14um）比较特殊，更具有代表性，在测温仪中的应用更广。任何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子的无规则运动，并不停地辐射出红外能量。运动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之愈小。红外辐射是一种与可见光相邻的不可见光，以波的形式在空间（同一介质）进行直线传播的，并遵守逆二次方定律，它具有可见光相同的一般性能，诸如：直线传播、反射、干涉、衍射、偏振、折射、散射、吸收等性质。同时，远红外辐射除具有电磁辐射的一般性质外，还具有一些与可见光不同的独有的特性如下：远红外

27、线对人眼不敏感，是不可见的，必须用对红外线敏感的红外控测器才能接收到，所以远红外技术在军事上具有特殊的用途。远红外线的光量子能量比可见光的小，例如10um波长的红外光子的能量大约是可见光光子能量的1/20。远红外线的热效应比可见光要强得多。远红外线更易被物质所吸收，但对于薄雾来说，长波红外线更容易通过。红外光谱红外线同其他任何光一样，也是一种客观存在的物质。红外线、可见光与不可见光等无线电磁波一起，构成了一个无限连续的电磁波波谱，红外光是太阳光谱的一部分，其波长范围和在电磁波中的位置如图2.2所示。图2.2 电磁波谱各种辐射能按波长的分布图任何物体都会以电磁波的形式向外辐射能量，这种能量叫做辐

28、射能。如太阳光线、热辐射、无线电波和射线等都属于这种能量的特殊形式，它们的形式虽然不同，但自然本质相同,所有的辐射都遵守同样的反射和折射定律。在物理学中，可见光、不可见光(紫外线、射线、射线各微波)、红外线及无线电波等都是电磁波，在真空中以光速（3*10 m/s）传播，它们的差别只是波长不同而已。光是一种电磁波，在自由空间中传播的光波都可以表示为单色平面波的线性组合。红外线处在微波与红光之间，它占有的电磁波谱范围的波长是0.761000m,与可见光相比要宽广得多,跨过10个倍频程，它相对应的频率范围大致在4*103*10Hz。一般情况下，m3m）、中红外（3m6m）、远红外（6m14m）、极远

29、红外（14m1000m）；且靠近可见光的为近红外区。红外光在金属中传播衰减很大，但红外辐射能透过大部分半导体和一些塑料，大部分液体对远红外辐射吸收非常大。气体对其吸收程度各不相同，大气层对不同波长的红外光存在不同的吸收带。电磁辐射都具有以下共同特点：电磁辐射都可以横波形式进行传播，即电磁波的振动方向与传播方向垂直；电磁辐射在真空中的传播速度相同，都等于光在真空中的传播速度；电磁辐射的传输并不需要介质。远红外热效应与红外吸收远红外热效应及热释电效应远红外热效应是光能和红外辐射被吸收的结果，红外辐射的物理本质是热辐射，辐射的程度和能量主要由物体的温度所决定。从紫色光到红色光的热效应是逐渐增大的，且

30、最大的热效应出现在红外辐射的频谱范围内，从可见光到红外辐射有明显的热效应，故又将红外辐射称为热辐射。红外辐射与电磁波辐射一样，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，也有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。而热释电效应是热效应的一种，在红外线间隙的照射下，若使某些强介电常数物质（钛酸钡）的表面温度发生变化，在这些物质表面上就会产生电荷的变化，上下表面设置电极，在正表面加以黑色膜。其表面温度上升T,其晶体内部的原子排列将变化，引起自发极化电荷Q，设元件电容为C，两极的电压为U，则U=Q/C，且热释电系数=Q/T 。但热释电效

31、应产生的电荷不是永存的，只要它出现，很快就会被空气中的各种离子所结合。根据热释电效应制成的传感器，往往在它的元件前面加机械式的周期性遮光装置，以使此电荷周期性出现，只有当测移动物体时不用遮光装置。红外吸收大气是红外辐射的主要传输介质,而组成大气的对称双原子分子,在红外线传输过程中不会引起分子电偶极矩的变化，不会造成传输衰减,不吸收15um以下的红外线。而其他气体分子如：等多原子分子，在红外线传输过程中会引起分子的电偶极矩变化，导致红外线的吸收和散射，使辐射能逐渐衰减。在实际大气中，还存在着许多大小为的液态和固态的悬浮物也会对红外线发生强烈散射或吸收，导致红外传输的衰减。非干燥大气中吸收红外线最

32、厉害的是水蒸气和二氧化碳；附近有很强的吸收带；和15,35,814,这3个大气窗口对于从事远红外技术应用和研究尤为重要，一般红外仪器或红外系统都工作在这3个窗口之内，而远红外测温仪则工作在814的波段。2.4相关定律介绍2.4.1红外辐射的基本定律红外辐射的基本定律：当辐射能入射到物体上时，一部分能量通过表面透入物体，这部分能量，一部分被吸收，另一部分被透过物体。如果用，表示被反射、被吸收和透过的能量，则有:+= 或者+q+=1 式(2.1)式中/= ；/=q ；/=其中,q,分别称为反射率吸收率和透过率。当=l时，则q=0,说明入射到物体上的辐射能全部被反射，此类物体称之为“绝对白体”；当q

33、=1时，则=0，说明入射到物体表面上的辐射能全部被吸收，具有这种性质的物体称之为“绝对黑体”，或简称“黑体”；当=1时，则=q=0，即入射到物体表面上的辐射能全部穿透过去了，具有这种性质的物体称之为“绝对透明体”。物体的吸收率、反射率和透过率的大小，取决于物体本身的性质，物体表面状况，入射波长和物体所处温度等。且在温度平衡情况下，其吸收率等于发射率。远红外辐射除了符合可见光的一些性能外，它还遵循着它固有的特殊规律，这些规律揭示了红外辐射的本质特性，奠定了远红外测温技术应用的基础。2.4.2黑体辐射定律能够在任何温度下全部吸收以任何波长入射或辐射的物体称作黑体。黑体是一种理想化的辐射体，它吸收所

34、有波长的辐射能量，没有能量的发射和透过，其表面发射率为1。自然界中并不存在真正的黑体，在理论研究中必须选择合适的模型，普朗克提出的体腔辐射的量子化振子模型，从而导出普朗克黑体辐射定律，即以波长表示黑体光谱辐射度，这是一切红外辐射理论的出发点，故称黑体辐射定律。远红外测温系统的测量原理基于黑体辐射定律。物体的红外辐射能量大小以其按波长的分布与他的表面温度关系密切。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确的测定他的表面温度，这就是远红外辐射测温依据的客观基础。处在热平衡状态的理想黑体在温度T时均匀地向四周辐射，从绝对黑体发射出来的单色辐射强度随波长的变化规律由普朗克定律确定=（） 式(2

35、.2)式中，-第一辐射常数， =5 Wm。-第二辐射常数，=79.K其中为波长，为绝对温度。在热辐射的所有波长上对式（2.2）进行积分，则全部辐射能量的总和为：E=（）d= 式(2.3)式中，W/(),为斯蒂芬-波尔兹曼常数。式(2.3)称为黑体全辐射定律。由该定律得，凡是高于绝对零度（-273）的物体均在不停地向周围空间以热辐射或电磁辐射的形式发射或者吸收一定的红外辐射能量。而且黑体单位面积发射的总辐射功率与其开氏温度的四次方成正比。通过对辐射能量的测量，就可以得出物体的温度。2.5远红外测温的特性介绍2.5.1远红外测温与接触测温的区别远红外测温属于无损检测的范畴，它区别于传统的接触测温,

36、是非接触测温, 是利用红外辐射原理将远红外辐射特性的分析技术和方法应用于对设备或其他物体进行检验和测量的综合工程技术。与接触测温相比，在性能特点和测温要求都有显著的区别，如所示。远红外测温不仅可以测量温度高、有腐蚀性、高纯度的物体,而且可以测量导热性差的、小热容量、微小的目标、运动的物体以及进行固体、液体表面温度的测量,其测温速度快、操作安全、测温范围宽、灵敏度高、检测效率高、测量精度高（1%以内）、对被测温场无干扰、热惰性误差小,可用于显微和远距离测温,特别是可测二维温度场的热像仪,由于它可以代替成千上万支温度计和热电偶的同时工作,使其他的测温方法更加相形见绌。基于远红外测温的诸多性能，必然

37、给予远红外测温及远红外诊断技术以极其出色的特点。这些性能在做预防性维护时特别重要，如监视恶劣生产条件和将导致设备损坏或停机的特别事件。因为大多数的设备和工厂处于不断运转中，停机等于减少收入，要防止这样的损失，通过扫描现场电子设备可以查找热点。用远红外测温仪，可快速探测操作温度的微小变化，在其萌芽期就可将问题解决，减少因设备故障造成的开支和缩小维修范围，安全是使用远红外测温仪最重要的益处。远红外测温仪可在不安全的或接触测温比较困难的区域测温，能够安全地读取难以接近的或不可到达的目标温度。因此，远红外测温技术在工业领域中的适用范围很广并获得飞速发展。物体在运动和生产过程中,热和温度的变化无处不在,

38、生产中的温度控制与监测比比皆是。各种设备的缺陷和故障都直接或间接与温度变化相关,而这种温度的变化往往不能使用常规的接触测温方法监测,只适合于非接触的远红外测温。主要应用于铁路、石油化工、食品、电力等行业的温度检测、设备故障的诊断，特别适用于高温和危险场合的显微和远距离测温。表 2.1 远红外测温和接触测温方式的性能比较远红外测温接触测温特点3.反应速度快,可测动物体和瞬态温度5.测温精度高,分辨或更小6.可对小面积测温,直径可达数微米6.要求精度高时,测温要求较简单7.可同时对点、线、面测温8.可测绝对温度,也可测相对温度9.要求精度高时,测温要求严格要求远红外测温仪采用红外技术，通过测量表征

39、被测温度的物理参数来求得被测温度，它不存在热接触和热平衡带来的缺点和应有范围的限制，可快速方便地测量物体的表面温度。不需机械的接触被测物体而快速测得温度读数。瞄准后只需按动触发器，在LED显示屏上读出温度数据。远红外测温仪重量轻、使用安全方便，并能可靠测量热的、危险的或难以接触的物体，而不会污染或损坏被测物体。远红外测温仪每秒可测出若干个读数,而接触测温仪做每次测量就需要若干分钟。2.5.2远红外测温仪的优缺点远红外测温仪可快速提供温度测量。红外测温技术作为无损检测众多方法中的一种，确有其独特的检测优势，可完成X射线、超声波及激光全息检测等技术无法胜任的检测。比起接触式的测温方法，远红外线测温

40、有着响应时间快、非接触性、操作安全、灵敏度高、检测效率高及使用寿命长等优点, 通过与接触测温的比较可将其优点归纳如下：它的测量不干扰被测温场,不影响温场的分布,从而具有较高的测量准确度,通常精度都是1%以内。测量范围宽.在理论上无测量上限,可以测量相当高的温度。探测器的响应时间短,反应速度快,易于快速与动态测量。不必接触被测物体,操作方便。可以确定微小目标的温度。与此同时，由于任何一种先进的技术方法都不可能完美无瑕的，远红外检测也不例外。目前远红外测温仪存在温度值确定困难、物体内部状况难以确定、价格昂贵等问题。2.6选择远红外测温仪的要求上述辐射定律不仅指出了被测物体的红外辐射与其表面温度的关

41、系，而且为检测方向和红外检测仪器工作波长范围的正确选择提出了原则性的要求。2.6.1最大接收辐射信号任何红外检测，总是希望红外仪器接收的被测目标红外辐射信号越大越好。为此，除根据兰贝特余弦定律选择最佳检测方向以外，还要求根据目标辐射的光谱分布选择红外仪器的响应波长范围。对于检测目标温度在27227（300500K）之间的电气设备而言，选择响应波长为8um14um的远红外仪器最合适；但以检侧500及以上目标为主时，则应选用3um5um的红外仪器为宜，这样可以接收较多的目标辐射。2.6.2影响红外测温仪精度的因素远红外技术及其原理可理解为其精确的测温。当使用远红外测温仪测温时，被测物体发射出的红外

42、能量通过远红外测温仪的光学系统在探测器上转换为电信号，该信号再通过微处理器转换为相应的温度值显示出来。有几个决定精确测温的重要因素，最重要的因素是发射率、温度范围、光学分辨率、视场、到光斑的距离和光斑的位置。因此在设计远红外测温仪时要尽可能的解决影响测温精度的内、外界因素，从而提高测温仪的信价比，现将主要因素解释如下:发射率，所有物体会反射、透过和发射能量，只有发射的能量能指示物体的温度。当红外测温仪测量表面温度时，仪器能接收到所有这三种能量。因此，所有远红外测温仪必须调节为只读出发射的能量。测量误差通常由其它光源反射的红外能量引起的。有些远红外测温仪可改变发射率，物体发射率的大小与其材料的性

43、质、温度和表面状态直接相关，多种材料的发射率值可从出版的发射率表中找到。温度范围：本设计的温度范围要求达到27227摄氏度(分段)，温度范围应与具体应用的温度范围相匹配这是由测温仪所工作的不同环境、要求所决定的。 光学分辨率(D:S)：即测温仪探头到目标直径之比。比值越大，分辨率越好，且被测光斑尺寸也就越小。如果测温仪远离目标，而目标又小，选择高分辨率的。目标尺寸：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。视场，确保目标大于红外测温仪测量时的光斑尺寸，目标越小，就应离它越近。当精度特别重要时，要确保目标至少2倍于光斑尺寸。2.6.3最大辐射

44、对比度当用红外辐射检测表面温度与背景温度很接近的目标时，分辨目标与背景十分困难。但是，只要选择合适的仪器响应波长范围，仍可得到目标与背景之间有尽可能高的辐射对比度，从而提高对故障的检出率。为此，把目标与背景的辐射对比度定义为：=式（2.4）式中，温度为的目标光谱辐射度；温度为的背景光谱辐射度；由于电气设备上同种材料构成的不同部位表面(目标与背景)除有微小温差外,其余特征基本相同。因此，取得目标(故障部位)与背景(良好部位)之间最大对比度的方法是式(2.4) 分子差值取最大值。这样的问题实际上归结为适当选择红外检测仪器的响应波长，以便使光谱辐射度随温度的变化率达到最大值。为此，可将普朗克辐射公式

45、对温度求偏导。即光谱辐射度对温度的变化率为：=式（2.5）由于式（2.5）中的最后近似式，是在通常环境温度附近有1，则=式（2.6）为了求得式（2.6）中的最大值，我们设x= 则：=式（2.7）将式（2.7）对x求导数，并令其结果为0，可得x=6再将x=6代回，得=2411（） 式（2.8）即:与光谱辐射度随温度变化率达到最大值相应的波长应满足式（2.8）。对于检测温度在27227的电气设备而言，选择中心响应波长=8的红外敏感元件，即使目标与背景温差较小，也可获得尽可能高的辐射对比度，使得故障较易识别。2.7远红外测温的原理当物体温度高于绝对零度时都可以产生红外辐射能量，且强度与其温度成比例。

46、物体温度越高，所发出的红外辐射能量越强。通过测量表征被测物体的物理参数来求得被测温度,它不存在热功当量接触和热功当量平衡带来的缺点和应用范围的限制。当一个物体本身具有不同于周围环境的温度时，不论物体的温度高于环境温度，还是低于环境温度；也不论物体的高温来自外部热量的注入，还是由于在其内部产生的热量造成，都会在该物体内部产生热量的流动。热流在物体内部扩散和传递的路径中，将会由于材料或设备的热物理性质不同，或受阻堆积、或通畅无阻传递，最终会在物体表面形成相应的“热区”和“冷区”，从而在物体表面形成不同的温度分布，而不同的温度分布状态与设备运行状态紧密相关，远红外测温技术正是通过对这种红外辐射能量的

47、测量，测出设备表面的温度及温度场的分布，而材料、设备及工程结构等的运行热状态是反映其运行状态的一个重要方面，热状态的变化和异常往往是确定被测对象实际工作状态及判断其可靠性的重要依据，这就是远红外测温技术的基本原理。2.8远红外测温原理框图2.8.1远红外测温系统的组成图远红外测温系统由以下几部分组成：远红外透镜及滤光系统、测试装置、A/D转换器、微处理机（单片机）和终端显示组成。结合红外测温的工作原理及实际操作的需要，进行了相关参数的计算和论证，在确定方案可行的情况下，最后得出远红外测温仪系统的原理框图如图2.3所示。远红外测温仪系统是集信号采集、数据处理、误差分析、输出显示及危险报警为一体的

48、多功能、智能化的测温系统。而信号采集系统中最重要的是用滤光片收集远红外区域内（814um）的光谱，使红外测温的波长范围相对缩小，精度有所提高。因此，远红外测温仪在工业系统温度的测量上有更好的应用。随着现代技术的发展，红外测温仪的设计也越来越先进、品种越来越繁多、功能越来越齐全、价格不断的趋于稳定。具体操作：将远红外测温仪对准被测的物体，按触发器启动单片机，并在仪器的LED上读出温度数据，保证测温距离和光斑尺寸之比。使用远红外测温仪时还必须注意：1、只测量表面温度，红外测温仪不能测量内部温度。2、不能透过玻璃进行测温，玻璃有很特殊的反射和透过特性，不允许精确红外温度读数。但可通过红外窗口测温。红

49、外测温仪最好不用于光亮的或抛光的金属表面的测温（不锈钢、铝等）。3、定位热点，要发现热点，仪器瞄准目标，然后在目标上作上下扫描运动,直至确定热点。4、环境温度，如果将红外测温仪突然暴露在环境温差为20度或更高的情况下，允许仪器在20分钟内调节到新的环境温度。图2.3远红外测温系统的组成图2.8.2工作原理远红外测温仪由五部分组成，正常工作时光学系统中的透镜汇集其视场内的发热体所辐射出的红外辐射能量，并汇集远红外波段内的光谱。视场的大小由测温系统的光学零件及其位置所确定，使后接滤光镜能接收到更多的能量，从而达到接收信号最大的目的；经汇集以后的远红外线通过滤光片的滤波处理，将符合光电检测器范围内的

50、理想波长即远红外光谱（814um）送到光电探测器上并经过A/D转换器转变成相应电信号，经放大器处理后，进入低通滤波器中，将高于截止频率的信号滤除掉，再将此电信号与温度补偿信号一起送入加法器中，将两者的输出信号经过相加电路的相加运算后，得到最后的输出电信号，送到微处理器对数据进行分析处理，并转变为被测目标的线性温度信号值；激光器和测距仪是对光电检测的调节和辅助作用。红外激光器是用于测量过程中对被测对象瞄准作用，为了获得精确的温度读数，测温仪与电力设备之间的距离必须在合适的范围之内，共轭光学测距仪是测定仪器到目标的距离，在调测量距离时，应确保目标直径等于或大于受测的光点尺寸，所谓光点尺寸就是指测量

51、仪测量点的面积。目标越大光点尺寸就应越大，反之，则越小。整个系统还配备了显示器和RS232（一种接口标准）数字输出接口，最终将此温度值送终端显示进行显示输出或者将异常的温度数据送报警显示电路启动报警装置，提醒工人注意被测物体的温度出现异常，从而实现保护被测设备和工业生产控制的自动化和智能化。3远红外测温仪的硬件电路设计3.1远红外传感器的设计3远红外探测器的一般组成远红外探测器一般由光学系统、敏感元件、前置放大器和信号调制器组成。光学系统是远红外探测器的重要组成部分。根据光学系统的结构分为反射式光学系统的远红外探测器和透射式光学系统的远红外探测器两种。对于反射式光学系统的红外探测器的结构，它由

52、凹面玻璃反射镜组成，其表面镀金、铝和镍铬等红外波段反射率很高的材料构成反射式光学系统。为了减小像差或使用上的方便，常另加一片次镜，使目标辐射经两次反射聚集到敏感元件上，敏感元件与透镜组合在一起，前置放大器接收热电转换后的电信号，并对其进行放大。本设计中主要使用透射式光学系统的远红外探测器，其原理图如图3.1所示。透射式光学系统的部件用红外光学材料做成，不同的红外光波长应选用不同的红外光学材料：在测量700以上的高温时，用波长为0.753um范围内的近红外光，用一般光学玻璃和石英等材料作透镜材料；当测量100700范围内的温度时，一般用35um的中红外光，多用氟化镁、氧化镁等热敏材料；当测量10

53、0以下的温度用波长为514um的中远红外光，多采用锗、硅、硫化锌等热敏材料。三个范围内的波长远红外光其测量的温度相对较低，同时对仪器的损坏了相对较小，而远红外测温仪最适合的工作波长是814um，因此，在选用波段时应充分考虑远红外测温仪的工作波长而选择第三段。获取透射红外光的光学材料一般比较困难，反射式光学系统可避免这一困难，所以，反射式光学系统用得较多。图3.1 透射式远红外探测器示意图3测温部分模块分析远红外测温仪系统是一个有机的整体，并能对各种信息进行快捷的处理和显示，因此,在进行信号接收时首先利用遮光板对被测物体所发出的红外辐射能量进行有选择的吸收，主要吸收其中的远红外光谱。而遮光孔的大

54、小由单片机输出控制信号控制电机的转动与否来带动遮光板旋转。经选择吸收的远红外辐射光信号通过敏感元件的转换成与之相应的电信号并送到放大器进行放大处理，再经滤波器的滤波处理成所需要的电信号送到加法器运算，最后送到显示输出端显示，但是在进行加法运算时要利用温度补偿部分对所输出的数据进行补偿，以实现被测物体温度值与显示输出的线性关系，从而实现测温仪的智能化控制，据此原理得出远红外测温仪的部份处理装置的原理框图如图3.2所示。图3.2 红外测温部份处理装置的原理框图远红外测温仪的探头部分的方框图是一个包括光、机、电一体化的红外测温系统，利用热辐射体在远红外波段的辐射能量来测量温度，由测温传感器、放大单元

55、、滤波单元及加法单元、温度补偿单元组成。测温传感器为一暗盒，盒内固定热释电探测器件，前方有遮光板，电动机带动遮光板旋转，将被测的红外辐射调制成交变的红外辐射线，红外测温装置通过光电敏感元件将远红外辐射能变换为电信号输出，温度补偿二极管也固定在盒内；放大单元是选用集成运放作为模拟放大器,且运放工作于线性放大区，电路的输出与输入之间存在一一对应的关系, 反馈信号通过反馈电阻送到输入端,即利用电压本身的变化量通过反馈网络对放大电路起自动调整作用,最终达到放大并稳定输出电压的作用；滤波单元采用集成运放组成的有源滤波器, 由两节RC滤波电路和反相比例放大电路所组成, 开环电压增益的输入阻抗很高，输出阻抗

56、较低,而且具有一定的电压放大和缓冲作用；温度补偿单元采用二极管温度补偿电路,利用半导体受到外界的光和热的刺激时，其导电性能将会发生其显著变化，在将二极管的温度补偿信号经差动放大以补偿环境温度的影响。3.2电源的设计3电源的方案设计电子系统为降低运行成本一般使用220V/50HZ工频交流市电，而电子电路及设备内部使用的一般都需要稳定的直流电源供电，因此，需要将交流电换成直流电。将交流电变换成稳恒直流电的设备称为稳压电源，直流电源的输入为220V的电网电压(即市电)，一般情况下，所需直流电压的数值和电网的有效值相差较大，因而需要通过电源变压器降压后，再对交流电压进行处理。稳压电源依据其工作原理的不

57、同又可分为线性稳压电源和开关稳压电源，本系统对电源的要求并不是很高，所以本系统选用串联型稳压电源。在工作过程中调整管始终正常工作，所谓正常工作，是指在输入电压波动和输出电压改变时调整管应始终工作在放大状态，即工作在线性放大区。分析电路的工作情况可知，在输入电压最低且输出电压最高时管压降最小，若此时管压降大于饱和管压降，在其它情况下管子一定会工作在放大区。串联型稳压电源的优良性能是具有较高的稳定度和负载稳定度，同时具备输出的纹波电压小、瞬态响应速度快、线路结构简单、便于维护、没有开关干扰等优点，其工作原理方框图如图3.3所示。因此，实用型串联稳压电路至少包含调整管T、基准电压电路、取样电路和比较放大电路四个部分组成。此外，为了使电路安全工作，还可以在电路中加保护电路并且接到调整管的基极上。图3.3 线性稳压电源的原理方框图3电源的电路图及工作原理为了使输出电压可调，也为了加深电压负反馈，可在基本调整管稳压电路的基础上引入放大环节。具有放大环节的串联型