摘要：基于普朗克定律設(shè)計紅外測溫儀，采用無線通信模塊PTR8000實現(xiàn)上位機與紅外測溫儀之間的數(shù)據(jù)傳輸，開發(fā)了上位機管理軟件，實現(xiàn)了溫度的實時顯示。經(jīng)實驗驗證，該測溫儀具有一定的測量精度，滿足一般工業(yè)要求。
0 引言
溫度作為一種重要的熱工參數(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)中的很多場合要求實現(xiàn)實時自動監(jiān)測和控制溫度。傳統(tǒng)的接觸式測溫方式因反應(yīng)速度慢、測溫時間長、干擾物體的溫度場等缺點而使其應(yīng)用范圍受到很大限制。隨著紅外技術(shù)的發(fā)展，非接觸紅外測溫作為一門新技術(shù)迅速崛起，在工業(yè)生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測、設(shè)備在線故障診斷、安全保護以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮著重要作用。
基于紅外測溫技術(shù)設(shè)計的測溫儀具有非接觸測量、測量范圍廣、測溫速度快、準確度高、靈敏度高、使用方便、壽命長等特點。目前，國內(nèi)外非接觸紅外測溫技術(shù)的發(fā)展極為迅速，德國IMPAC公司生產(chǎn)的數(shù)字式紅外測溫儀IS5系列很受用戶歡迎，美國雷泰公司的紅外測溫儀在市場上也占有很大份額。國內(nèi)生產(chǎn)紅外測溫儀的廠家和研究所有：上海自動化儀表三廠、云南儀表廠、中國科學(xué)院自動化所、杭州無線電廠等，產(chǎn)品也都具有良好的性能。
1 紅外測溫原理
在自然界中，一切溫度高于絕對零度的物體都不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長的分布都與物體表面溫度有十分密切的關(guān)系。因此，可以通過測量物體自身的紅外輻射能來準確測定其表面溫度。這就是紅外測溫的理論基礎(chǔ)。
普朗克定律描述了絕對黑體的輻射能力與波長和溫度之間的關(guān)系。其數(shù)學(xué)表達式為：
從式(1)可以看出只要我們測出了黑體的輻射出射度M(λ，T)，對其在全波長范圍內(nèi)進行數(shù)學(xué)積分就可以得出黑體的溫度。這就是設(shè)計紅外測溫儀的理論依據(jù)。
普朗克定律是以“黑體”作為研究對象分析得出的。但是，自然界中存在的實際物體都不是黑體，所有實際物體的輻射能量除依賴于輻射波長及物體的溫度外，還與構(gòu)成物體的材料性質(zhì)、生產(chǎn)工藝以及物體表面狀態(tài)、周圍環(huán)境等因素有關(guān)。因此，為了使普朗克定律適用于所有實際物體，必須對其進行修正。引入比例系數(shù)(即發(fā)射率，表征實際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，它與材料性質(zhì)及表面狀態(tài)有關(guān)，其值為0(極光滑的鏡面)～1.0(黑色)。
2 紅外測溫儀
紅外測溫采用逐點分析的方式，即把物體一個局部區(qū)域的熱輻射聚焦在單個探測器上，并通過己知物體的發(fā)射率，將輻射功率轉(zhuǎn)化為溫度。由于被檢測的對象、測量范圍和使用場合不同，紅外測溫儀的外觀設(shè)計和內(nèi)部結(jié)構(gòu)不盡相同，但基本結(jié)構(gòu)大體相似，主要包括光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場內(nèi)的目標紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學(xué)零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號。由于該電信號十分微弱，因此要經(jīng)過放大處理后再送入信號處理電路，同時為了消除環(huán)境溫度的影響，增加了補償電路，然后經(jīng)儀器內(nèi)部的算法和目標發(fā)射率校正后換算為被測對象的溫度值，最終通過傳輸線路顯示到輸出終端。
2.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計
光學(xué)系統(tǒng)是紅外測溫儀的重要組成部分，其作用十分類似于用于接收目標回波的雷達天線，就是匯聚輻射能量。常用的紅外光學(xué)系統(tǒng)有三種結(jié)構(gòu)形式，即透射式光學(xué)系統(tǒng)、反射式光學(xué)系統(tǒng)、組合式光學(xué)系統(tǒng)(由透射式和反射式系統(tǒng)組合而成)。
對大多數(shù)光學(xué)系統(tǒng)而言，由于加工、檢測等原因球面反射鏡和透鏡的使用最為廣泛。綜合考慮各種因素本課題采用透射式紅外光學(xué)系統(tǒng)(見圖2)。同時為了消除雜散光的影響，在焦距前方安裝孔徑光闌，并且要保證紅外探測器位于透鏡焦點處。
2.2 紅外探測器
紅外探測器是將入射的紅外輻射信號轉(zhuǎn)變成電信號輸出的器件，它是紅外測溫儀的核心組成部分。紅外探測器大致可以分為熱探測器和光子探測器兩大類。熱探測器吸收紅外輻射后，探測材料由于溫度升高產(chǎn)生溫差電動勢、電阻率變化；自發(fā)極化強度變化；或者氣體體積與壓強變化等，測量這些物理性能的變化就可以測定被吸收的紅外輻射能量或功率。光子探測器吸收光子后，本身發(fā)生電子狀態(tài)的改變，進而引起內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)等光子效應(yīng)，通過測定光子效應(yīng)的大小可以確定被吸收的光子數(shù)。
本系統(tǒng)的光電傳感器采用美國雷泰公司生產(chǎn)的Raytek CM型紅外測溫頭。雷泰新一代CM高性能迷你型紅外測溫頭溫度范圍廣、精度高、體積小、多種輸出模式、性價比高，是系統(tǒng)集成、設(shè)備配套的最佳選擇。CM型紅外測溫頭專為工業(yè)設(shè)備用戶的多種應(yīng)用需求選擇。測溫范圍-20～500℃，滿足一般工業(yè)用測溫儀的溫度要求。光譜響應(yīng)范圍8～14μm，應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的被測物的輻射波長主要在2.5～15μm之間，峰值波長在9.5μm處，其中8～14μm波段輻射能占總輻射能的半數(shù)以上。光學(xué)分辨率為13:1，響應(yīng)時間150ms滿足本課題的技術(shù)要求。
3 具有無線通信功能的紅外測溫系統(tǒng)
典型的紅外測溫系統(tǒng)由被測對象、紅外測溫主機、發(fā)射傳輸裝置及接收裝置組成。本文采用測量主機與無線通信從機的雙機模式實現(xiàn)。圖3為測量主機原理框圖，測量主機完成紅外溫度數(shù)據(jù)的采集處理，由紅外探測系統(tǒng)和單片機MSP430F149組成。采用多路AD芯片(MSP430內(nèi)部AD)實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，并且留有其它模擬量的測量通道，可擴展諸如濕度等其他模擬量的監(jiān)控。為了補償環(huán)境溫度可連接環(huán)境溫度傳感器DS18B20。采用無線收發(fā)模塊PTR8000實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，PTR80005特有內(nèi)置環(huán)形天線，可直接與單片機連接，無須外接其他器件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。
無線通信從機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收。為了完成PTR8000與PC機的數(shù)據(jù)交換，在無線通信從機中使用RS232接口。在監(jiān)控PC機上，采用C++開發(fā)上位機的人機接口界面。系統(tǒng)電路(見圖4)分為測溫及發(fā)射板(測量主機)、接收板(無線通信從機)。
該系統(tǒng)中主機的任務(wù)是完成數(shù)據(jù)采集與處理，包括進行A/D轉(zhuǎn)換、環(huán)境溫度補償，對即將傳送來的數(shù)字信號進行組織處理。發(fā)射端的PTR 8000將單片機的信息調(diào)制成射頻信號發(fā)出，接收端的PTR8000模塊將接收到的信息解調(diào)成為TTL電平，由單片機處理后經(jīng)由RS232接口送到PC，供計算機后期處理。
系統(tǒng)的整體框圖如圖5所示。由于被測物體的發(fā)射率難以準確確定，在系統(tǒng)設(shè)計中，為了盡可能地提升系統(tǒng)精度，獲得較為滿意的增益，把放大器最后一級的放大倍數(shù)設(shè)計成可調(diào)的。
我們研制了以CM測溫頭為探測元件的紅外測溫系統(tǒng)，如圖6所示。測溫儀的工作流程：經(jīng)聚焦后的紅外輻射能入射到探測器上，為保證測量精度，輸出信號首先經(jīng)過前置放大、后級放大，然后經(jīng)過濾波、積分電路恢復(fù)為探頭所接收的紅外輻射功率信號，最后經(jīng)峰值保持電路檢測出紅外輻射的最大功率，此數(shù)據(jù)加上溫度傳感器的補償值進行AD轉(zhuǎn)化，在CPU中依據(jù)一定的算法計算并顯示出被測物的絕對溫度。在需要時，可以將溫度數(shù)據(jù)通過無線的方式發(fā)送出去。
4 系統(tǒng)試驗與結(jié)論
考慮到系統(tǒng)的測溫范圍在500℃以下及其它因素，實驗采用干體爐作為熱源，該熱源最高可達850℃左右，環(huán)境溫度選為18℃，即291.15K。假定發(fā)射率為0.97。表1為系統(tǒng)測溫數(shù)據(jù)。圖8為實驗數(shù)據(jù)圖表，數(shù)據(jù)源來自表1。
實驗表明，本測溫儀能夠?qū)崿F(xiàn)溫度測量，并在計算機上實時顯示測量結(jié)果，還可進行無線數(shù)據(jù)傳輸。測量范圍為0～500℃，測量精度為±3℃或1%，測量重復(fù)性為0.3%。完全滿足一般工業(yè)檢測標準要求。
由于實驗環(huán)境和條件的限制，還有一些方面有待完善；
(1)物體發(fā)射率是一個不定因素，直接影響到系統(tǒng)的測量精度。改善軟件智能度，使發(fā)射率可以調(diào)節(jié)；
(2)抑制環(huán)境干擾、提高抗干擾能力是以后努力的方向。
