红外测温仪系统
1. 引言
温度是度量物体冷热程度的一个物理量，是工业生产中很普遍、很重要的一个热工参数，许多生产工艺过程均要求对温度进行监视和控制，特别是在化工、食品等行业生产过程中，温度的测量和控制直接影响到产品的质量和性能。因此，实现对温度的实时测定就显的十分重要。然而，传统的接触式测温仪表如热电偶、热电阻等，因要与被测物质进行充分的热交换，需经过一定的时间后才能达到热平衡，存在着测温的延迟现象，故在连续生产质量检验中存在一定的使用局限。但是，在自然界中,当物体的温度高于绝对零度时,由于它内部热运动的存在,就会不断地向四周辐射电磁波,其中就包含了波段位于0. 75～100μm 的红外线.红外测温仪就是利用这一原理制作而成的。因此，红外测温仪具有使用方便，反应速度快，灵敏度高，测温范围广，可实现在线非接触连续测量等众多优点，正在逐步地得以推广应用。
图1 红外测温仪的测温图
2. 红外测温仪系统原理
2.1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。
黑体辐射定律：黑体是一种理想化的辐射体，它吸收所有波长的辐射能量，没有能量的反射和透过，其表面的发射率为1，其它的物质反射系数小于1，称为灰体。应该指出，自然界中并不存在真正的黑体，但是为了弄清和获得红外辐射分布规律，在理论研究中必须选择合适的模型，这就是普朗克提出的体腔辐射的量子化振子模型，从而导出了普朗克黑体辐射的定律，即以波长表示的黑体光谱辐射度，这是一切红外辐射理论的出发点，故称黑体辐射定律。
由于黑体的光谱辐射功率Pb(λΤ)与绝对温度Τ 之间满足普朗克定理：
c15 （1）
PbTexpc2T1其中，Pb(λΤ)—黑体的辐射出射度；
λ—波长； T—绝对温度；
c1、c2—辐射常数。
式（1）说明在绝对温度Τ 下，波长λ处单位面积上黑体的辐射功率为Pb(λΤ)。根据这个关系可以得到下图1的关系曲线：
图2 黑体辐射的光谱分析
从图1中可以看出：
(1)随着温度的升高，物体的辐射能量越强。这是红外辐射理论的出发点，也是单波段红外测温仪的设计依据。
(2)随着温度升高，辐射峰值向短波方向移动(向左)，并满足维恩位移定理T *λm = 27.8 μm*K，峰值处的波长λm与绝对温度Τ 成反比，虚线为λm 处峰值连线。这个公式告诉我们为什么高温测温仪多工作在短波处，低温测温仪多工作在长波处。
(3)辐射能量随温度的变化率，短波处比长波处大，即短波处工作的测温仪相对信噪比高(灵敏度高)，抗干扰性强，测温仪应尽量选择工作在峰值波长处，特别是低温小目标的情况下，这一点显得尤为重要。
根据斯特藩—玻耳兹曼定理黑体的辐出度 Pb(Τ)与温度Τ 的四次方成正比， 即：
PbTT4 (2)
式中，Pb(T)—温度为T 时，单位时间从黑体单位面积上辐射出的总辐射能，称为总辐射度；
σ—斯特藩—玻耳兹曼常量； T—物体温度。
式（2）中黑体的热辐射定律正是红外测温技术的理论基础。如果在条件相同情况下，物体在同一波长范围内辐射的功率总是小于黑体的功率，即物体的单色辐出度 Pb(Τ)小于黑体的单色黑度ε(λ)，即实际物体接近黑体的程度。
ε(λ)= P(T)/ Pb(T) (3)
考虑到物体的单色黑度ε(λ)是不随波长变化的常数，即ε (λ)=ε，称此物体为灰体。它是随不同物质而值不同，即使是同一种物质因其结构不同值也不同，只有黑体ε=1，而一般灰体0<ε<1，由式(2)可得：
PTPbT;PTT4
所测物体的温度为：
PTT2.2红外测温仪结构
14 (4)
式(4)正是物体的热辐射测温的数学描述。
红外测温采用逐点分析的方式，即把物体一个局部区域的热辐射聚焦在单个探测器上，并通过已知物体的发射率，将辐射功率转化为温度。由于被检测的对象、测量范围和使用场
合不同，红外测温仪的外观设计和内部结构不尽相同，但基本结构大体相似，主要包括光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成，其基本结构如图3 所示。
基本原理为辐射体发出的红外辐射，进入光学系统，经调制器把红外辐射调制成交变辐射，由探测器转变成为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。
热辐射体光学系统调制盘热释电红外探测器电子放大器显示器 调制盘
图3红外测温仪结构图
如图3所示红外测温仪是根据物体的红外辐射特性,依靠其内部光学系统将物体的红外辐射能量汇聚到探测器(传感器) ,并转换成电信号,再通过放大电路、补偿电路及线性处理后,在显示终端显示被测物体的温度。系统由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成,其核心是红外探测器,将入射辐射能转换成可测量的电信号(见4图) 。
被测目标 光学系统 热释电红外探测器 信号处理电路 显示器 补偿电路 调制电机
图4 红外测温仪系统结构框图
3. 红外测温仪光学系统的设计
3.1红外测温仪光学系统
红外测温仪的光学系统由菲涅尔光学透镜和滤光片组成。将该光学透镜置于红外热释电 传感器上。这可以提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，菲涅尔透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路
相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10~20米范围内人的行动。 菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当被测物从透镜前经过时，发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。
滤光片
图5 红外测温仪的光学系统
3.2 热释电红外探测器
热释电红外探测器的结构如图6所示，通常由热释电晶体、氧化膜、滤光镜片、结型场效应管FET和电阻等部分组成。热释电晶体一般采用PZT（铅陶瓷）或其他压电晶体材料，将敏感材料PZT的上、下表面做成电极，并在其上表面上加一层黑色氧化膜，以提高转换效率。在管壳顶端装有滤光镜片，它可以阻止不需要的红外线或其他光线进入传感器。红外测温仪中的热释电传感器采用的滤光片可以通过的红外波长为8～14um，而人体辐射的红外线波长在10um左右，因此，该传感器能敏锐地探测到人体的温度。由于热释电探测器的输出阻抗极高，而输出电信号微弱，故在其内部装设场效应管(FET)及偏置电阻，以进行信号放大及阻抗匹配。
图6 热释电红外探测器的结构 图7 双探测元热释电红外探测器的结构图 热释电红外传感器内部的热释电晶体具有极化现象，并且随温度的变化而变化。当恒定的红外辐射照射在探测器上时，热释电晶体温度不变，晶体对外呈电中性，探测器没有电信号输出，因而恒定的红外辐射不能被检测到。当交变的红外线照射到晶体表面时，晶体温度迅速变化，这时才发生电荷的变化，从而形成一个明显的外电场，这种现象称为热释电效应。由于热释电晶体输出的是电荷信号，不能直接使用，需要用电阻将其转换为电压形式，该电阻阻抗高达10000兆欧，故引入N沟道结型场效应管接成共漏形式(即漏极跟随器)来完成阻抗变换。如图7. 传感器将两个特性相同的热释电晶体逆向串联，用来防止其他红外光引起传感器误动作。另外，当环境温度改变时，两个晶体的参数会同时发生变化，这样可以相互抵消，避免出现检测误差。该传感器使用时，D端（漏极）接电源正极，G端（栅极）接电源负
极，s端（源极）为信号输出。
热释电红外传感器内部由光学滤镜、场效应管、红外感应源(热释电晶体)、偏置电阻、EMI电容等元器件组成，其内部电路框图如图8所示。
图8 热释电红外传感器的内部电路框
4. 红外测温仪电路设计
4.1 测量电路
选用的是RE200B双元热释电传感器，这种传感器灵敏元面积 2.0×1.0mm2，基片厚
度 0.5mm，工作波长 7-14μm，平均透过率 ＞75%，输出信号 ＞2.5V(420°k黑体1Hz调制频率0.3-3.0Hz 带宽72.5db增益)，噪声 ＜200mV(mVp-p) (25℃)，平衡度 ＜20%，工作电
压 2.2-15V，工作电流 8.5-24μA(VD=10V,Rs=47kΩ,25℃)，源极电
压 0.4-1.1V(VD=10V,Rs=47kΩ,25℃)，工作温度 -20℃- +70℃，保存温度 -35℃- +80℃，视场 139°×126°。并且采用双灵敏元互补方法有效的抑制温度的起伏、振动温度变化产生的干
扰，提高了传感器的工作稳定性，并且它的各项指数都比较好。适用于对人体温度和一些生产线上温度不是很高的地方使用。
热释电传感器与温度仪的连接框图：
D被测物RE200BSE放大器A1滤光片滤波器A2滤光片积分器A3A/D转换器LCD显示器
图9 传感器单元与热辐射温度仪框图
如图9所示：将传感器的D、S、E分别与测量电路中标的D、S、E连接起来即可。
图11 传感器的典型连接电路
红外测温系统的测量部分电路如图12所示： 123红外测温系统电路R21KC1100uFC310uFR7300ΩD1ZENER3D R3R68324220K图12 测量部分电路 220KC48D、S、E端分别对应了热释电探测器的D3、S、G，其中D为场效应管漏极接+12V的R1A10.22uFJ1R4R51110KD电源，S为经过热释电探测器转换后的电信号输出，E为场效应管的负极接地。由S端输入2C22100K100KS347uF的信号经过A1放大电路，A2滤波电路，A3积分电路，通过输出端口输入后续的积分显示E4PM611电路。 R9A4.2 积分显示电路 10KC50.12uFC将模拟信号转变成数字信号中，选用了ICL7106积分式A/D转换器。积分式转换器精度 成本低；精度与积分电阻，积分电容的精度有关，故可以降低对元件质量的要求；抗干扰能力强；并且它的外围电路简单。 而显示部分由多位液晶显示驱动器ICL7106和标准段式液晶显示屏EDS801及其他一些 元器件组成。经过测量电路处理过的信号，经过输入端口进入A/D转换电路，ICL7106进行A/D转换，再与标准段的EDS801显示屏显示出被测物的温度。 具体的积分显示电路如图13。 R1312345671011121314151617181920V+D1C1B1A1F1G1E1D2C2B2A2F2E2D3B3F3E3AB4POLICL7106OSC1OSC2OSC3IES1UMF+UMF-CMF+CMF-COMIN+IN-COSBUFINIV-G2C3A3G3BP4039383736353433323130292827262524232221100KC7100pFR14+12C80.1uFR121K24KC90.1uFIN+IN+C1010uFBR15C110.02uF1MC120.47uFR17KC130.22uF 图13 LCD显示电路 ALCD显示电路 4.3电源电路 T+12S+12VD5IN4001C947uF/16VE12V1220V～TRANS14BUC1010uF22A/50VC10470uF/25VC110.1uFBRIDGE13电源电路图14电源电路 该系统电源电路如图14所示。该系统采用12V 直流电源供电。将220V交流电通过变压器T 降压，全桥U 整流，C10 滤波，为系统提供12V直流电压。 4.4整体电路 ATitle红外测温系统电路原理图SizeBDate:File:NumberRevision23-Aug-2012Sheet of E:\\牛佳佳作业\\各种作业\\光电探测\\PREVIO~1.DDBDrawn By:3456测量部分电路电源电路LCD显示电路 图15整体电路 在实验中通过调节A1输出端的10KΩ变阻器，使A3输出信号的大小发生改变，当A3的输出小于2.0V时，可以适应ICL7106的量程为2.0V的工作特性，因此A3的两个电位器用来调节A3输出的大小，确保在高温时不超过2.0V。
5.红外测温仪的应用
红外测温仪具有非接触和快速测温的优点, 在工业、农业、医疗和科学研究方面都有着广泛的用途。按其使用的途径可分为两大类首先是测量被测目标的表面温度其次是利用测量物体的热分布状况判断物体与热分布有关的其他性质的间接测量。举例如下：
1> 钢铁工业中使用的红外测温仪占总量的一半以上。炼钢、轧钢、浇铸、淬火时测量 控制温度对提高产品的质量起着重要的作用。对炉壁和机械设备热故障的监测为延 长使用寿命和安全保障提供依据。
2>在机械加工中, 测量控制热处理部件的温度对产品质量起着关键的作用。
3>在化学工业中, 化工设备都在高温高压下工作, 监测设备的热分布状况, 判断设备 工作情况, 检测热篙道接口热损耗、热泄漏故障是十分有用的。
4>在动力、电力业方面, 在运行及带电条件下检测动力设备、配电设备、电缆、电器接 头等温度的异常, 为设备的安全运行提供一定的保障。
5>在建筑业中, 通过对建筑物墙壁、楼面、房顶热分布的检测确定它的绝热、裂漏隐患 及缺陷的位置。确定工厂、建筑物热耗的管理。
6>在农业方面, 土壤、植物表面温度的测量, 粮食、种子烘干过程中温度的测量, 农副 产品如烟叶、茶叶加工过程中温度的监测, 中草药烘干、制药温度的监测。
7>在农业方面, 土壤、植物表面温度的测量, 粮食、种子烘干过程中温度的测量, 农副 产品如烟叶、茶叶加工过程中温度的监测, 中草药烘干、制药温度的监测。
8>在科学研究方面, 由于红外测温仪的突出优点, 使得在特殊试验条件要求一能提供 测温手段, 应用范围较广。
总之，其应用范围很广，由此可见红外测温仪的用途很大，对工业，农业的发展有着重要的作用。
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