1、非接触式红外测温仪 成绩评定： 传感器技术课程设计 题 目 非接触温度计 摘要 在自然界中，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。 光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内疗的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。除此之外，还应考虑目标和测温仪所在的
2、环境条件，如温度、气氛、污染和干扰等因素对性能指标的影响及修正方法。关键词： 红外辐射测温 红外传感器 一 、设计目的 1二、设计任务与要求 22.1设计任务 22.2设计要求 2三、设计步骤及原理分析 33.1设计方法 33.2设计步骤 43.3设计原理分析 5四、课程设计小结与体会 6五、参考文献 6 一、设计目的 在人们的日常生活中，测量温度普遍使用水银温度计，反应比较慢，通常需要十分钟才能准确测出体温。水银温度计使用时需要与体肤接触，因此在使用前需要严格消毒，不适合对多人进行连续温度采集。而且水银一旦泄露会产生水银泄露，污染环境，并且有毒。近年来，国内外在温度传感器研发领域取得了长足进
3、步，非接触式红外测温传感技术日趋成熟。二、设计任务与要求2.1设计任务 当物体温度处于绝对零度以上时，因为其内部带电粒子的运动，以不同波长的电磁波形式，向外辐射能量，波长涉及紫外、可见、红外光区。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，红外测温仪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。2.2设计要求 红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇集其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件以及位置决定。红外能量聚焦在光电探测仪上并转变为相应的
4、电信号。该信号经过放大器和信号处理电路按照仪器内部的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。除此之外，在使用红外测温仪测温时，还应考虑目标和测温仪所在的环境条件，如温度、气氛、污染和干扰等因素对性能指标的影响及修正方法。 三、设计步骤及原理分析3.1设计方法 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的测温原理是黑体辐射定律，众所周知，自然界中一切高于绝对零度的物体都在不停向外辐射能量，物体的向外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温
5、度有着十分密切的联系，物体的温度越高，所发出的红外辐射能力越强。黑体的光谱辐射出射度由普朗克公式确定，即： 下图1-1是不同温度下的黑体光谱辐射度图：从上图中曲线可以看出黑体辐射具有几个特征: 在任何温度下，黑体的光谱辐射度都随着波长连续变化，每条曲线只有一个极大值； 随着温度的升高，与光谱辐射度极大值对应的波长减小。这表明随着温度的升高，黑体辐射中的短波长辐射所占比例增加； 随着温度的升高，黑体辐射曲线全面提高，即在任一指定波长处，与较高温度相应的光谱辐射度也较大，反之亦然。 依据测温原理的不同，红外测温仪的设计有五种方法:a.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
6、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- 玻尔兹曼定律来描述。 b.亮度测温法: 它是根据测量给定波长K0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, 适用于高温测量。c.双波段测温法: 它是根据测量两个给定波长K1和K2 的辐射功率之比, 用黑体定标的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。这3种方法均由普朗克定律来描述。d.多波段测温法: 依次取多个波段, 通过计算这些波段辐射功率之间的复杂关系来确定物体的温度。e.最大波长测温法: 由维恩位移定律,黑体辐射峰值波长K
7、max与绝对温度T 之积为一常数, 通过测量峰值波长Kmax来计算温度T。此法常用测量极高温(大于2000 C)。由此可见, 非接触红外测温有以下的缺点：测得的温度值是测量对象的表面温度, 且必须用发射率进行修正, 增加了测量的复杂性; 周围介质的影响引起测量误差。亮度测温法无需环境温度补偿，发射率误差较小，测温精度高，但工作于短波区，只适于高温测量。比色测温法的光学系统可局部遮挡，受烟雾灰尘影响小，测温误差小，但必须选择适当波段，使波段的发射率相差不大。本文选用全辐射测温法来计算被测量物体的温度，全辐射测温法是根据所有波长范围内的总辐射而定温，得到的是物体的辐射温度。选用这种方法是因为中低温
8、物体的波长较大，辐射信号很弱，而且结构简单，成本较低，但它的测温精度稍差，受物体辐射率影响大。3.2设计步骤红外测温技术在生产过程中，在产品质量控制和监测，设备在线故障诊断和安全保护以及节约能源等方面发挥了着重要作用。可以对正在运行的设备进行非接触检测，拍摄其温度场的分布、测量任何部位的温度值，据此对各种外部及内部故障进行诊断，具有实时、遥测、直观和定量测温等优点，用来检测发电厂、变电所和输电线路的运转设备和带电设备非常方便、有效。用红外测温仪，你可连续诊断电子连接问题和查找连接处的热点，以检测设备的功能状态，还可检验电池组件和功率配电盘接线端子，开关齿轮或保险丝连接，防止能源消耗。此红外测温
9、仪的特点：有温度分辨率高、响应速度快、不扰动被测目标温度分布场、测量精度高、稳定性好等优点。该设计方案主要包括：软件设计部分与软件设计部分。 a红外测温仪的硬件系统方案设计本红外测温仪采用模块化的设计思想，它的硬件结构由STC89C51单片机模块，红外测温模块， RS232转换电路模块，电源模块，键盘模块和LED显示模块组成。STC89C51单片机是本系统的控制中心，它负责控制启动温度测量、接收测量数据、计算温度值、并根据取得的键值控制显示过程；红外测温模块负责温度数据的采集、测量，并将采集到的数据通过数据端口传送给STC89C51单片机； RS232转换电路模块可以使单片机方便地同PC机进行
10、串口通信，并可以同时接收或传送外部送来的资料；通过键盘模块可以方便地进行测温及各种操作；LED显示模块把测量的温度值直观地显示给观测者；电源模块负责本红外测温仪电源的供应。此红外测温仪系统的硬件结构框图如图a所示： 图a 红外测温仪系统的硬件方案设计框图b红外测温仪的应用软件系统的方案设计此红外测温仪的软件设计同样采用模块化的设计思想，它把整个系统分成若干模块分别予以解决，它包括主程序模块，红外测温模块，键盘扫描模块和显示模块。主程序模块主要完成系统初始化，温度的检测，串行口通信，键盘和显示等功能。其中系统初始化包括: 时间中断的初始化、外部中断源的初始化、串口通信中断的初始化、LED显示的初
11、始化。 红外测温模块包括：获取温度数据，计算温度值。键盘扫描模块 ：获取按键信息，处理按键请求等。显示模块：获取并处理相应的温度数据， 在此红外测温仪的软件系统设计中，时钟的设置是相当重要的，通过时钟的设置才能获得良好的时钟频率，这个时钟频率是整个软件系统是否能正常有序地运行的关键。具体的软件方案设计如下图b： 图b 红外测温仪系统的软件方案设计框图3.3设计原理分析红外测温仪的测温原理是黑体辐射定律，众所周知，自然界中一切高于绝对零度的物体都在不停向外辐射能量，物体的向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联系，物体的温度越高，所发出的红外辐射能力越强。黑体的光谱辐射出
12、射度由普朗克公式确定，即： 下图是不同温度下的黑体光谱辐射度图： 不同温度下的黑体光谱辐射度从上图中曲线可以看出黑体辐射具有几个特征:1在任何温度下，黑体的光谱辐射度都随着波长连续变化，每条曲线只有一个极大值；2随着温度的升高，与光谱辐射度极大值对应的波长减小。这表明随着温度的升高，黑体辐射中的短波长辐射所占比例增加；3随着温度的升高，黑体辐射曲线全面提高，即在任一指定波长处，与较高温度相应的光谱辐射度也较大，反之亦然。 四、课程设计小结与体会 本设计的任务是实现非接触式体温测量和记录，并通过液晶屏幕显示。系统可以应用于人们日常生活生产中，快速准确的测量出体温，尤其适合在大型集会时对多人进行体
13、温检测。本文介绍的体温检测系统硬件及软件的设计，其创新点在于针对温度测量特点，采用红外温度传感器，无需与体肤接触，而且反应速度快，弥补了一些传统体温计的不足 在这次设计中，经过自身的努力，不但加深了对传感器的进一步的认识和理解，并将所学的知识充分应用于实践中。通过这次传感器技术课程设计，使我认识到理论联系实际的重要性，在实践中扩展了知识面，不但掌握了本专业的相关知识，而且对其他专业的知识也有所了解，从各方面提高了自身的综合素质。经过这次一个较完整的产品设计和制作过程，对于将来学习和工作也是有所裨益的。 五、参考文献1李道华,李玲,朱艳编著.传感器电路分析与设计M.武汉:武汉大学出版社,20032沙占友编著.智能化集成温度传感器原理与应用M.北京:机械工业出版社,20023方佩敏编著.新编传感器原理应用电路详解M.北京:电子工业出版社,19934张毅刚编著单面机原理及应用M.北京：高等教育出版社，2010
