紅外線原理圖

引言

紅外測溫技術(shù)與傳統(tǒng)測溫技術(shù)相比有巨大的優(yōu)越性,因此在很多工業(yè)生產(chǎn)過程如電力系統(tǒng)、冶金系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。紅外測溫產(chǎn)品有著廣闊的應(yīng)用前景。

目前紅外測溫產(chǎn)品主要有兩類：點(diǎn)式紅外測溫儀和面式紅外測溫儀。面式紅外測溫儀即紅外熱像儀。現(xiàn)在點(diǎn)式紅外測溫儀就其測溫性能及其輔助功能上來說不如紅外熱像儀,主要缺點(diǎn)如下：

(1)遠(yuǎn)距離、小目標(biāo)難以對準(zhǔn),人為因素影響較大,從而影響測溫精度;

(2)測溫結(jié)果不利于保存分析,限于局部沒有全局效果,從而有時(shí)不利于發(fā)現(xiàn)問題;

(3)不利于遠(yuǎn)程遙控,自動化、智能化程度較低。

由于紅外熱像儀價(jià)格昂貴,國產(chǎn)產(chǎn)品價(jià)格在20～30萬左右,進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格更是在70～80萬左右, 這大大限制了它的推廣應(yīng)用,而點(diǎn)式紅外測溫儀價(jià)格只有一兩萬元左右。就測溫精度來說,點(diǎn)式紅外測溫儀和紅外熱像儀相比精度相當(dāng),并且很多應(yīng)用場合精度要求也不是很高?？刹豢梢圆扇∫欢ù胧浹a(bǔ)其缺點(diǎn),而又不太大的增加其成本呢？文中就力圖解決這一問題！

1        紅外測溫基本原理

物體紅外輻射能量的大小及波長的分布與其表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此,通過對物體自身紅外輻射的測量,便能準(zhǔn)確地確定它的表面溫度,紅外測溫儀就是利用這一原理來檢測溫度的。

在實(shí)際測量中,由于所測量的波長范圍不同,有不同的測溫方法和測溫儀器,下面以常用的全輻射測溫法為例介紹其原理：

設(shè)物體的真實(shí)溫度為T,發(fā)射率為ε,則測量該物體的總輻射率時(shí),儀器輸出電信號為：

Vi＝CεσT4                 

(1)  C屬于儀器的系統(tǒng),包括探測器的響應(yīng)率、電子線路的增益;σ為波光茲曼常數(shù)。

推導(dǎo)出：

用此法測得的溫度T即為物體的輻射溫度,它是根據(jù)測量波長從零到無限大整個(gè)光譜范圍的物體的總輻射功率所測得的溫度。

2        系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為實(shí)現(xiàn)紅外測溫儀的自動化和智能化,采用如圖1所示的結(jié)構(gòu)。
 

(1)采用步進(jìn)電機(jī)控制的機(jī)械云臺結(jié)構(gòu),適應(yīng)了工業(yè)系統(tǒng)遠(yuǎn)程遙控、無人值守的發(fā)展要求。這一裝置可通過上位機(jī)遠(yuǎn)程遙控,自動將測溫系統(tǒng)對準(zhǔn)被測目標(biāo),實(shí)現(xiàn)全方位360°自由轉(zhuǎn)動及上下俯仰角度的調(diào)整,并可將特定測溫點(diǎn)的位置存儲在單片機(jī)里,從而實(shí)現(xiàn)對該測溫點(diǎn)的記憶功能,以便下一次對該點(diǎn)能自動測溫;

(2)加上CCD結(jié)構(gòu)可以將被測點(diǎn)及周圍圖像用監(jiān)視器顯示出來,通過調(diào)整其焦距把遠(yuǎn)距離的小目標(biāo) 點(diǎn)拉近,用可視的方法提高光學(xué)系統(tǒng)與測溫點(diǎn)的對準(zhǔn)度,從而提高測溫精度,同時(shí)便于提高系統(tǒng)的智能化及功能的拓展;

(3)信號處理結(jié)果可以通過網(wǎng)絡(luò)傳輸,進(jìn)行遠(yuǎn)程測溫或集中處理,利用實(shí)時(shí)監(jiān)控及中央控制。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1    光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光學(xué)系統(tǒng)起到收集紅外輻射并將其聚焦到紅外探頭上的作用,由于紅外信號相對來說比較微弱,光學(xué)系統(tǒng)所收集到的紅外信號的大小直接影響著測溫結(jié)果,因此要實(shí)現(xiàn)測溫儀**測溫必須設(shè)計(jì)一個(gè)光路簡單、紅外輻射損失小的光學(xué)系統(tǒng)。

3.2    信號檢測電路

由于探測器輸出的電壓信號非常低(μV級),而信號噪聲則相對較大,所以設(shè)計(jì)與探測器噪聲相匹配的低噪聲放大器及如何在低信噪比的情況下檢測出微弱信號也是實(shí)現(xiàn)測溫功能的前提。

3.3    溫度補(bǔ)償技術(shù)

由于紅外的輻射能受很多因素的影響,如被測物體的黑度系數(shù)、雜散光和背景光、輻射路徑及大氣的衰減等,都會影響測溫精度,所以如何進(jìn)行溫度補(bǔ)償,提高測溫精度也是實(shí)現(xiàn)紅外測溫所必須解決的問題。

3.4    圖像配準(zhǔn)技術(shù)

由于測溫儀有時(shí)與熱物體距離較遠(yuǎn),步進(jìn)電機(jī)也存在丟步現(xiàn)象,因此完全依靠記錄的目標(biāo)點(diǎn)的位置很難實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)與目標(biāo)點(diǎn)的對準(zhǔn),如何充分利用視頻信號,提高光學(xué)系統(tǒng)與所測目標(biāo)點(diǎn)的對準(zhǔn)度,也是要考慮的 問題。  

4 系統(tǒng)邏輯原理圖

整個(gè)系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制,采用了Atmel公司的8515芯片,處理速度較快,功能也比較齊全。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片采用愛立信的PBM3960和PBL3771芯片。

系統(tǒng)電路如圖2所示。

5 結(jié)論

系統(tǒng)很大程度上彌補(bǔ)了普通點(diǎn)式紅外測溫儀的不足,極大提高了系統(tǒng)的自動化、智能化,節(jié)約了人力資源,同時(shí)成本大大降低,有利于紅外測溫技術(shù)的推廣應(yīng)用。此外在有些場合中,還可將視頻圖像記錄下來,進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控,充分發(fā)揮CCD的效用。