[優(yōu)秀畢業(yè)論文]基于OTP537F2的紅外測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘 要紅外線測(cè)溫儀以其響應(yīng)速度快、準(zhǔn)確、便捷、使用壽命較長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，在冶金、電子、石化、食品等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，成為企業(yè)故障檢測(cè)，產(chǎn)品質(zhì)量控制和提高經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。本課題是受某公司委托進(jìn)行研究。一方面揭示規(guī)律，另外建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過(guò)課題研究鍛煉科學(xué)研究能力，同時(shí)培養(yǎng)光、機(jī)、電綜合能力。鋁的溫度測(cè)量，注重研究紅外測(cè)溫的原理，紅外傳感器的特性，在此基礎(chǔ)上，制作溫度測(cè)量?jī)x。溫度測(cè)量?jī)x分為信號(hào)采集，信號(hào)放大，信號(hào)處理，信號(hào)傳輸四個(gè)部分。選用OTP-537F2紅外探測(cè)器為系統(tǒng)的傳感器；以STC12C5A60S2為主控芯片； RS232協(xié)議傳輸、顯示測(cè)量結(jié)果；選用ICL7650和CD

2、4051進(jìn)行程控放大；選用OP07進(jìn)行信號(hào)的放大。 關(guān)鍵詞：紅外輻射；發(fā)射率；中低溫測(cè)量；信號(hào)放大 第1章 緒 論在大量的科研與工業(yè)中，離不開(kāi)測(cè)溫，非接觸式測(cè)溫有快速、準(zhǔn)確、便捷、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，正被越來(lái)越多的人們所認(rèn)識(shí)，在冶金、電子、石化、交通、能源、橡膠、食品等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，成為企業(yè)故障檢測(cè)，產(chǎn)品質(zhì)量控制和提高經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。非接觸式測(cè)溫主要是利用任何物體都會(huì)發(fā)出紅外輻射的原理來(lái)測(cè)量的，隨著現(xiàn)代紅外技術(shù)的不斷成熟和日益完善，利用紅外檢測(cè)的遠(yuǎn)距離、不接觸、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、快速等特點(diǎn)發(fā)展起來(lái)的紅外檢測(cè)技術(shù)由于在不停電、不取樣、不解體的情況下能快速實(shí)時(shí)地在線監(jiān)測(cè)和診斷大多數(shù)故障，所以倍受?chē)?guó)

3、內(nèi)外的重視，并得到快速發(fā)展。1.1 課題背景及研究的目的和意義溫度是確定物質(zhì)狀態(tài)的最重要參數(shù)之一,它的測(cè)量與控制在國(guó)防、軍事、科學(xué)實(shí)驗(yàn)及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有十分重要的作用。特別是高溫測(cè)量在航天、材料、能源、冶金等領(lǐng)域中占有極重要的地位。本課題是受某公司委托進(jìn)行研究。一方面揭示規(guī)律，另外建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過(guò)課題研究鍛煉科學(xué)研究能力，同時(shí)培養(yǎng)光、機(jī)、電綜合能力。1.2 紅外測(cè)溫及其相關(guān)理論的發(fā)展概況紅外線是電磁波長(zhǎng)位于0.76m1000m之間的電磁波，它存在于自然界的每一個(gè)角落。1.2.1紅外輻射基本知識(shí)一切物體在溫度高于絕對(duì)零度時(shí)都在不停地輻射紅外線。紅外線是從物質(zhì)內(nèi)部發(fā)射出來(lái)的，物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)是產(chǎn)生紅外

4、線的根源。眾所周知，物質(zhì)是由分子、原子組成的，它們按照一定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)著，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也在不斷地發(fā)生變化，因而不斷地向外輻射能量，這就是熱輻射現(xiàn)象。紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射，這種輻射的量主要由物體的溫度和材料本身的性質(zhì)決定。特別是，熱輻射的強(qiáng)度及光譜成分取決于輻射體的溫度，也就是說(shuō)，溫度對(duì)熱輻射現(xiàn)象起著決定性的作用。溫度是反映物體冷熱程度的物理量，在一切物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和生產(chǎn)過(guò)程中，幾乎可以說(shuō)熱和溫度的變化無(wú)處不在。據(jù)統(tǒng)計(jì)，工業(yè)生產(chǎn)中 50%以上的檢測(cè)量是溫度?？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō)，溫度的檢測(cè)是現(xiàn)代工業(yè)的命脈。測(cè)量溫度的方法可以分為接觸式和非接觸式測(cè)溫。1.2.2紅外測(cè)溫分類溫度的測(cè)量方法大致可分為兩

5、種:接觸法和非接觸法。在接觸測(cè)溫法中,熱電偶和熱電阻溫度計(jì)應(yīng)用最為廣泛,該方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備和操作簡(jiǎn)單,測(cè)得的是物體的真實(shí)溫度等,其缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)特性差,由于要接觸被測(cè)物體,故對(duì)被測(cè)物體的溫度分布有影響,且不能應(yīng)用于甚高溫測(cè)量。目前非接觸測(cè)溫法仍以輻射測(cè)溫法為主,在過(guò)去相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里,輻射測(cè)溫法的可靠性和抗干擾性都不太高,且測(cè)量范圍往往僅限于較高溫度。但近二十多年,由于電子技術(shù)的飛快發(fā)展,半導(dǎo)體材料的進(jìn)步及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,又由于輻射溫度計(jì)具有無(wú)測(cè)量上限,響應(yīng)速度快及不接觸被測(cè)對(duì)象,因而不影響被測(cè)溫場(chǎng)等特點(diǎn),輻射測(cè)溫技術(shù)得到長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展。儀器的制造水平、性能指標(biāo)已有了顯著提高,輻射真溫測(cè)量

6、研究、標(biāo)定技術(shù)研究及應(yīng)用技術(shù)研究方面亦取得了豐碩成果。輻射測(cè)溫儀從儀器的工作方式上分,可分為: (1) 亮度(單色) 溫度計(jì); (2) 比色(雙色) 溫度計(jì); (3) 寬帶(全波長(zhǎng)或紅外) 溫度計(jì); (4) 多波長(zhǎng)高溫計(jì)等。從儀器的使用方式上分,可分為:(1) 便攜式; (2) 掌上(手持) 式; (3) 固定安裝式等。從能量傳輸方式上分又可分為:光纖式、接觸式和一般光學(xué)式等。從目標(biāo)的多少又可分成:單目標(biāo)、線目標(biāo)和面目標(biāo)等。 本課題研究鋁表面溫度的測(cè)量。屬于亮度溫度計(jì)、固定安裝溫度計(jì)，另外本課題研究的鋁溫度測(cè)量一直是世界性難題，主要是因?yàn)槠浒l(fā)射率太低。1.3 紅外測(cè)溫儀的發(fā)展輻射測(cè)溫儀在早期是

7、以光學(xué)高溫計(jì)為代表的亮度法測(cè)溫儀表。光學(xué)高溫計(jì)的出現(xiàn)和不斷完善，使高溫溫標(biāo)的傳遞以及工業(yè)生產(chǎn)中接觸法測(cè)溫不能用的問(wèn)題，得到了一定程度的解決。 但是，由于光學(xué)高溫計(jì)是亮度平衡方法，靠人眼判斷，所以不能進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，這就使得光學(xué)高溫計(jì)不能夠?qū)崿F(xiàn)溫度的自動(dòng)化測(cè)量、記錄與控制，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用受到限制。后來(lái)，人們利用光電檢測(cè)元代替人眼，發(fā)展了光電高溫計(jì)、紅外測(cè)溫儀、全輻射測(cè)溫儀等輻射溫度計(jì)。這些輻射溫度計(jì)克服了光學(xué)高溫計(jì)的上述缺點(diǎn)，但都由于存在著發(fā)射率無(wú)法消除的問(wèn)題，測(cè)得的溫度不是真實(shí)溫度，而是物體的亮度或輻射溫度。 輻射測(cè)溫法測(cè)量真實(shí)溫度的最大障礙是受到被測(cè)對(duì)象發(fā)射率的影響。為減少這個(gè)影響，多年來(lái)研

8、究過(guò)許多辦法。例如發(fā)射率修正法、逼近黑體法、測(cè)量反射率法、偏振光法、反射信息法等，這些方法在實(shí)際應(yīng)用中都存在著各局限性，均不能從根本上解決消除發(fā)射率的影響。 比色法在一定程度上解決了發(fā)射率的影響。只要兩個(gè)波長(zhǎng)選擇適當(dāng)，許多物體的比色溫度接近真實(shí)溫度。為了進(jìn)一步減少發(fā)射率影響，人們又發(fā)展了三波長(zhǎng)甚至更多波長(zhǎng)的測(cè)溫儀。當(dāng)物體的發(fā)射率與波長(zhǎng)成線性關(guān)系時(shí)，三波長(zhǎng)法克測(cè)得物體的真實(shí)溫度。 80 年代以來(lái)，各國(guó)科學(xué)家對(duì)多波長(zhǎng)溫度計(jì)進(jìn)行了大量的研究。分別針對(duì)不同的測(cè)量對(duì)象，研制開(kāi)發(fā)了三波長(zhǎng)、四波長(zhǎng)、六波長(zhǎng)輻射溫度計(jì)，多波長(zhǎng)測(cè)溫理論與技術(shù)取得了發(fā)展。這些發(fā)展在一定程度上解決了真溫測(cè)量以及熱物體測(cè)量的問(wèn)題，而且

9、較好地解決了動(dòng)態(tài)快速的測(cè)量問(wèn)題。 多波長(zhǎng)輻射溫度計(jì)的出現(xiàn)是輻射測(cè)溫技術(shù)的一個(gè)重要研究、發(fā)展方向，因而得到了國(guó)外同行的高度重視。90 年代初，與羅馬大學(xué)合作研制成功國(guó)際首創(chuàng)的棱鏡分光式 35 波長(zhǎng)高溫輻射溫度計(jì)，已經(jīng)成功地用于燒蝕材料及發(fā)射率的測(cè)量。 多波長(zhǎng)輻射測(cè)溫理論是基于測(cè)量多個(gè)波長(zhǎng)的輻射信號(hào)，輔以對(duì)象發(fā)射率的背景知識(shí)，計(jì)算出目標(biāo)的溫度值，針對(duì)特定的對(duì)象可以減少或消除發(fā)射率的影響，但從理論上也沒(méi)能根本上解決消除發(fā)射率的影響問(wèn)題。實(shí)際應(yīng)用中，在一些情況下仍會(huì)產(chǎn)生較大誤差。 目前，輻射溫度計(jì)的測(cè)溫范圍通常為-503000，這個(gè)范圍覆蓋了一般的工業(yè)需求。特殊場(chǎng)合的使用的溫度計(jì)，其溫度上限和下限都超

10、出了該范圍，例如等離子火焰的等效溫度為 20005000；火藥爆炸的溫度在 3500左右；原子彈爆炸的等效溫度在 50000左右；最低溫度可測(cè)到-170,甚至有的試驗(yàn)裝置可到10K 左右。 在靈敏度方面，有的基準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)光電高溫計(jì)在金點(diǎn)溫度達(dá)到 0.0001K，工業(yè)儀表可達(dá)到 0.1K。在反應(yīng)時(shí)間方面，最快的可達(dá)到微秒級(jí)。最小可測(cè)目標(biāo)直徑為0.5mm，顯微測(cè)溫儀則可達(dá) 0.01mm。 總之，目前輻射測(cè)溫儀表正在向高準(zhǔn)確度、高靈敏度、快速、超高溫、超低溫、圖像掃描、微小目標(biāo)測(cè)量、智能化等方面發(fā)展。隨著測(cè)溫理論的發(fā)展和技術(shù)水平的提高，新的測(cè)溫理論、方法和測(cè)溫儀表會(huì)不斷出現(xiàn)，輻射測(cè)溫技術(shù)將會(huì)不斷得到推

11、動(dòng)。1.4 本文的主要研究?jī)?nèi)容本文在大量的理論、實(shí)踐的基礎(chǔ)上研究低發(fā)射率、高反射率的鋁溫度測(cè)量研究，學(xué)習(xí)紅外測(cè)溫理論，掌握測(cè)溫儀設(shè)計(jì)的基本流程，學(xué)習(xí)軟硬件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，掌握工程調(diào)試經(jīng)驗(yàn)。1.5 測(cè)溫儀的技術(shù)指標(biāo)1) 測(cè)溫范圍：-40-500；2) 距離系數(shù)：50:1或100:1；3) 精度：1；4) 測(cè)溫波長(zhǎng)：814；5) 響應(yīng)時(shí)間：0.1s;6) -20-50環(huán)境溫度自動(dòng)補(bǔ)償。1.6 本章小結(jié)本章介紹了紅外測(cè)溫的基礎(chǔ)理論知識(shí)、課題研究的主要內(nèi)容、紅外測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展、紅外測(cè)溫儀的分類。第2章 非接觸測(cè)溫基本理論2.1引言溫度檢測(cè)是現(xiàn)代工業(yè)的命脈，測(cè)量溫度的方法可以分為接觸式和非接觸式測(cè)溫。傳統(tǒng)溫度

12、測(cè)量以接觸方式為主，主要以熱敏電阻、熱電偶、半導(dǎo)體傳感器測(cè)溫為主要手段。傳統(tǒng)的接觸式測(cè)溫由于其反應(yīng)速度慢、測(cè)溫時(shí)間長(zhǎng)、影響物體的溫度場(chǎng)等缺點(diǎn)使其應(yīng)用范圍受到限制。非接觸式克服了以上的缺點(diǎn)。2.2非接觸式測(cè)溫方法目前，非接觸式測(cè)溫方式主要以紅外測(cè)溫為主，紅外測(cè)溫主要有以下幾種方法:(1)全輻射測(cè)溫法它是根據(jù)測(cè)量波長(zhǎng)從零到無(wú)限大整個(gè)光譜范圍物體的總輻射功率用黑體定標(biāo)的儀器來(lái)確定物體的溫度。其總輻射功率的大小與被測(cè)對(duì)象溫度之間的關(guān)系是由斯蒂芬一波爾茲曼定律來(lái)描述的。此類測(cè)溫方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，容易實(shí)現(xiàn);缺點(diǎn)是測(cè)量精度受物體發(fā)射率和外界環(huán)境因素影響較大，需要進(jìn)行環(huán)境補(bǔ)償。(2)亮度測(cè)溫法它

13、是根據(jù)測(cè)量給定波長(zhǎng)凡附近一窄光譜范圍的輻射用黑體定標(biāo)的儀器來(lái)確定物體的溫度，適用于高溫場(chǎng)合物體溫度測(cè)量。此類測(cè)溫方法的優(yōu)點(diǎn)是不需環(huán)境溫度補(bǔ)償，發(fā)射率誤差較小，測(cè)量精度高;缺點(diǎn)是只能工作于短波區(qū)，只適于高溫測(cè)量。(3)雙波段測(cè)溫法它是根據(jù)測(cè)量?jī)蓚€(gè)給定波長(zhǎng)和的輻射功率之比，用黑體定標(biāo)儀器來(lái)確定物體的溫度，適合測(cè)量發(fā)射率變化或未知的物體，但只適合于測(cè)量輻射能量密度大的高溫物體。此類測(cè)溫方法的優(yōu)點(diǎn)是光學(xué)系統(tǒng)可局部遮擋，受煙霧灰塵影響小，測(cè)量誤差小;缺點(diǎn)是必須選擇適當(dāng)波段，使波段的發(fā)射率相差不大。(4)多波段測(cè)溫法依次取多個(gè)波段，通過(guò)計(jì)算這些波段的輻射功率之間的復(fù)雜關(guān)系來(lái)確定物體的溫度。此類測(cè)溫方法的優(yōu)

14、點(diǎn)是測(cè)量結(jié)果與發(fā)射率無(wú)關(guān)，精度高;缺點(diǎn)是測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要選擇適當(dāng)波段。(5)最大波長(zhǎng)測(cè)溫法由維恩位移定律，黑體輻射峰值波長(zhǎng)與絕對(duì)溫度之積為一常數(shù)，通過(guò)測(cè)量值波長(zhǎng)來(lái)計(jì)算溫度。此法常用測(cè)量極高溫(大于2000)此測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單僅用于測(cè)量極高溫。課題研究的是非接觸常溫測(cè)量，此測(cè)溫方法適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的常低溫非接觸動(dòng)態(tài)測(cè)溫場(chǎng)合，即當(dāng)溫度接近于常溫，且物體為動(dòng)態(tài)的場(chǎng)合。比較以上各種紅外測(cè)溫法的優(yōu)缺點(diǎn)，本課題選擇全輻射測(cè)溫法。為了獲得調(diào)制的紅外輻射，達(dá)到測(cè)溫的目的，在全輻射測(cè)溫方法的基礎(chǔ)上，課題采用了致冷參比溫度測(cè)量方法，設(shè)計(jì)了自主采樣式熱釋電探測(cè)器，并采用數(shù)學(xué)算法的軟件設(shè)計(jì)對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償。2.3紅外

15、測(cè)溫原理2.3.1紅外輻射與紅外熱效應(yīng)任何物質(zhì)(體)，其內(nèi)部的帶電粒子都是處于不斷的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的。當(dāng)物體具有一定的溫度，即物體溫度高于熱力學(xué)溫度0時(shí)(攝氏溫度-273時(shí))，它就會(huì)不斷地向周?chē)M(jìn)行電磁輻射。物體的自發(fā)輻射能與溫度有關(guān)，在常溫下主要是紅外輻射。紅外輻射俗稱紅外線或紅外光，它是人眼看不見(jiàn)的光線，具有強(qiáng)烈的熱作用，故又稱熱輻射。物體的熱輻射特性主要由物體的溫度決定，故又稱為溫度輻射。物體的溫度輻射特性是光學(xué)溫度傳感和光電傳感的基礎(chǔ)。物體在常溫下，發(fā)射紅外線;當(dāng)溫度升高至500左右，便開(kāi)始發(fā)射部分暗紅的可見(jiàn)光;當(dāng)溫度繼續(xù)升高，物體會(huì)向外輻射可見(jiàn)光，且隨著溫度的升高其波長(zhǎng)會(huì)變短。紅外線是位于

16、可見(jiàn)光中紅色光外的一種光線，是一種人眼看不見(jiàn)的光線。但這種光和其他任何光一樣，也是一種客觀存在的物質(zhì)。紅外線與可見(jiàn)光、紫外線、X射線、射線和微波等無(wú)線電磁波一起構(gòu)成了一個(gè)無(wú)限連續(xù)的電磁波譜。在光譜中的位置如圖2.1所示圖2.1 電磁波譜在電磁波譜中，經(jīng)常將波長(zhǎng)范圍為0.75100m的區(qū)域稱為紅外光譜區(qū)。紅外線與可見(jiàn)光、無(wú)線電波一樣，在真空中傳播速度也是以光的速度 (2.997925、1010cm/s)傳播。在紅外技術(shù)中，為便于對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外光進(jìn)行研究，一般將紅外輻射分為四個(gè)區(qū)域:近紅外(=0.753m)，中紅外(=36m)，中遠(yuǎn)紅外(=620m)，遠(yuǎn)紅外(=201000m)。所謂遠(yuǎn)或近，是指

17、紅外輻射在電磁波譜中距離可見(jiàn)光的遠(yuǎn)、近，靠近可見(jiàn)光的為近紅外區(qū)。紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射。熱輻射的程度主要由物體的溫度所決定。溫度越高，輻射出的紅外線越多，紅外輻射的能量越強(qiáng)?？茖W(xué)研究表明，太陽(yáng)光譜各種單色光的熱效應(yīng)從紫色光到紅色光的熱效應(yīng)是逐漸增大的且最大的熱效應(yīng)出現(xiàn)在紅外輻射的頻譜范圍內(nèi)，因而，有人又將紅外輻射稱為熱輻射或者是熱射線。試驗(yàn)表明，波長(zhǎng)在(0.11000) m范圍內(nèi)的電磁波被物體吸收時(shí)，可以顯著地將電磁能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。紅外輻射與其它輻射一樣，能在其射程范圍內(nèi)被物體吸收并轉(zhuǎn)換為熱能。即使在高度真空里，通過(guò)熱輻射也能進(jìn)行能量的傳遞。紅外輻射和可見(jiàn)光、無(wú)線電磁波一樣，是以波的形式在空

18、間(同一介質(zhì))進(jìn)行直線傳播的，并遵循逆二次方定律，也能反射、折射、散射、干涉和偏振。它在真空中傳播的速度等于光在真空中的傳播速度。即 ,及 （2.1）紅外輻射的波長(zhǎng)（cm）;紅外輻射在真空中1cm的長(zhǎng)度內(nèi)所包含的波長(zhǎng)個(gè)數(shù);紅外輻射的頻率（）；光在真空中的傳播速度，;熱輻射的另一個(gè)特點(diǎn)是輻射光譜呈連續(xù)性，在電磁波譜中由于不同波譜的波長(zhǎng)相差很大。紅外輻射和電磁波傳播一樣也存在被傳輸介質(zhì)吸收和散射等現(xiàn)象，使輻射能在傳輸過(guò)程中會(huì)逐漸衰減。2.3.2黑體熱輻射及基本定律絕對(duì)黑體是在任何情況下對(duì)一切波長(zhǎng)的入射輻射吸收率都等于1的物體。由于實(shí)際物體的紅外輻射情況較為復(fù)雜，所以在研究其輻射規(guī)律時(shí)，以黑體這種簡(jiǎn)

19、單的模型入手。顯然，因?yàn)樽匀唤缰袑?shí)際存在的任何物體對(duì)不同波長(zhǎng)的入射輻射都有一定的反射，即吸收率不等于1。所以，黑體只是理論研究者抽象出來(lái)的一種理想化物體模型。在自然界中完全的黑體是不存在的，為了表示某一物體與黑體輻射的偏離，用發(fā)射率表征。它表示實(shí)際物體輻射功率與黑體輻射功率之比，=l，即為理想黑體;當(dāng)=0，即為完全透明體。發(fā)射率是與物體的材料、表面幾何形狀以及溫度和表面加工程度有關(guān)的一個(gè)參數(shù)。黑體熱輻射的三個(gè)基本規(guī)律是紅外線研究及應(yīng)用的基礎(chǔ)，它揭示了黑體發(fā)射的紅外熱輻射隨溫度及波長(zhǎng)變化的定量關(guān)系。同樣，也是研究紅外測(cè)溫技術(shù)的基本出發(fā)點(diǎn)。三大定律是:(l)輻射的光譜分布規(guī)律普朗克輻射定律;(2)

20、輻射光譜的移動(dòng)規(guī)律維恩位移定律;(3)輻射功率隨溫度的變化規(guī)律斯蒂芬一玻爾茲曼定律普朗克輻射定律:一個(gè)絕對(duì)溫度為的黑體的單位表面積，在波長(zhǎng)附近單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)向整個(gè)半球空間發(fā)射的輻射功率(簡(jiǎn)稱光譜輻射度)，與波長(zhǎng)、溫度滿足以下關(guān)系： （2.2）真空中的光速 普朗克常數(shù) 波爾茨曼常數(shù)第一輻射常數(shù)， 第二輻射常數(shù)，普朗克輻射定律給出了黑體在時(shí)的輻射光譜分布特征，以不同的溫度有公式（2.2）可計(jì)算出黑體在不同溫度下發(fā)射輻射的光譜分布曲線如圖2.2.圖2.2 不同溫度下的黑體光譜輻射度從圖2.2中可看出隨著溫度升高，黑體輻射曲線全面提高，即在任一指定波長(zhǎng)幾處，與較高溫度相應(yīng)的光譜輻射度也較大。由于每種波

21、長(zhǎng)的輻射都隨溫度升高而增加，所以黑體單位表面積發(fā)射所有波長(zhǎng)的全部輻射功率曲線下包圍的面積，也隨著溫度升高而迅速增加。維恩位移定律:揭示了黑體光譜輻射度極大值相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng) (峰值輻射波長(zhǎng))隨溫度的變化關(guān)系。即 （2.3）該關(guān)系式表明黑體輻射光譜分布的峰值波長(zhǎng)禮隨其絕對(duì)溫度T成反比移動(dòng)。由公式(2.3)可計(jì)算出在一般室溫27(300K)下的黑體，其輻射峰值為9.7。斯蒂芬玻爾茲曼定律:描述的是黑體單位表面積向整個(gè)半球空間發(fā)射的所有波長(zhǎng)的總輻射功率隨其溫度的變化規(guī)律，即 （2.4）斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，關(guān)系式(2.4)表明凡是溫度高于開(kāi)氏零度的物體，都會(huì)自發(fā)地向外發(fā)射紅外熱輻射，且黑體單位表面積發(fā)射

22、的總輻射功率與其開(kāi)氏溫度的四次方成正比。因而，當(dāng)溫度有小變化時(shí)，就會(huì)引起物體發(fā)射的輻射功率有很大的變化，因此紅外檢測(cè)是非常靈敏的。2.4被測(cè)物體發(fā)射率2.4.1 各種發(fā)射率的引入由于發(fā)射率可能隨測(cè)量方向而變化，所以必須定義幾種不同的發(fā)射率。（1）半球發(fā)射率半球發(fā)射率是輻射體單位面積向半球空間的輻射通量(即輻射出射度)與同溫度下黑體的輻射出射度之比。它表征了輻射體在半球空間內(nèi)的發(fā)射接近黑體發(fā)射的程度。其中又可分為全量和光譜量?jī)煞N。a. 半球全發(fā)射率或半球積分發(fā)射率定義為式中實(shí)際物體的全輻射出射度;黑體在與物體相同溫度下的全輻射出射度;半球全發(fā)射率。半球全發(fā)射率氣表征物體向半空間內(nèi)在0到的整個(gè)波長(zhǎng)

23、范圍內(nèi)的發(fā)射能力。b.半球光譜發(fā)射率定義為式中實(shí)際物體的光譜輻射出射度;黑體在與物體相同溫度下的光譜輻射出射度;半球光譜發(fā)射率。是波長(zhǎng)的函數(shù)，它表征物體在某一溫度下，波長(zhǎng)兄處向半球空間的發(fā)射接近黑體發(fā)射的程度。(2)方向發(fā)射率方向發(fā)射率，也叫定向發(fā)射率或角比輻射率，它是在與輻射表面法線方向成角的小立體角內(nèi)測(cè)量的發(fā)射率。角為零時(shí)的發(fā)射率，稱為法向發(fā)射率。由于大多數(shù)紅外系統(tǒng)都是探測(cè)輻射源在規(guī)定方向上的一個(gè)小立體角內(nèi)的輻射通量，因而方向發(fā)射率和法向發(fā)射率是很重要的。方向發(fā)射率也有全量和光譜量之分。a.方向全發(fā)射率定義式為式中實(shí)際物體在溫度時(shí)的輻射亮度;黑體在與物體同溫度下的輻射亮度;方向全發(fā)射率。因

24、為一般與方向有關(guān)，所以以夕，初也與方向有關(guān)。它表征物體在與法線成口角方向上的輻射與黑體輻射接近的程度。b.方向光譜發(fā)射率定義式為因?yàn)槲矬w的光譜輻射亮度既與方向有關(guān)，又與波長(zhǎng)有關(guān)，所以，也是和波長(zhǎng)的函數(shù)。它表征物體在特定波長(zhǎng)處向給定方向上的輻射與黑體輻射的接近程度。從上述各種發(fā)射率的定義可以看出，對(duì)于黑體，各種發(fā)射率的數(shù)值均等于1;對(duì)于所有實(shí)際物體，各種發(fā)射率的數(shù)值均小于1。一般可把發(fā)射率分為全發(fā)射率和光譜發(fā)射率，通常所說(shuō)的發(fā)射率是指全發(fā)射率，光譜發(fā)射率用表示。根據(jù)光譜發(fā)射率的變化規(guī)律，可將熱輻射體分為如下三類:（1）黑體或普朗克輻射體:黑體或普朗克輻射體的發(fā)射率、光譜發(fā)射率均等于1。（2）灰體

25、:灰體的發(fā)射率、光譜發(fā)射率均為小于1的常數(shù)。（3）選擇性輻射體:選擇性輻射體的光譜發(fā)射率隨波長(zhǎng)的變化而變化。2.4.2紅外輻射對(duì)實(shí)體的作用物體對(duì)于給定的入射輻射必然存在著吸收、反射和透射，而且吸收率、反射率和透射率之和必然等于1：而且，其反射和透射部分不變。因此，在熱平衡條件下，被物體吸收的輻射能量必然轉(zhuǎn)化為該物體向外發(fā)射的輻射能量。由此可斷定，在熱平衡條件下，物體的吸收率必然等于該物體在同溫度下的發(fā)射率:其實(shí)由基爾霍夫定律，我們也可以推斷出以上公式。則對(duì)于一個(gè)不透明的物體。不同物質(zhì)的，各不相同。根據(jù)上式，我們不難定性地理解影響發(fā)射率大小的下列因素:（1）不同材料性質(zhì)的影響不同性質(zhì)的材料因其對(duì)

26、輻射的吸收或反射性能各異，因此它們的發(fā)射性能也應(yīng)不同。當(dāng)溫度低于300K時(shí)，金屬氧化物的發(fā)射率一般大于0.8。（2）表面狀態(tài)的影響任何實(shí)際物體表面都不是絕對(duì)光滑的，總會(huì)表現(xiàn)為不同的表面粗糙度。因此，這種不同的表面形態(tài)將對(duì)反射率造成影響，從而影響發(fā)射率的數(shù)值，這種影響的大小同時(shí)取決于材料的種類。例如，對(duì)于非金屬電介質(zhì)材料，發(fā)射率受表面粗糙度影響較小或無(wú)關(guān)。但是，對(duì)于金屬材料而言，表面粗糙度將對(duì)發(fā)射率產(chǎn)生較大影響。如熟鐵，當(dāng)表面狀況為毛面，溫度為300時(shí)，發(fā)射率為0.94;當(dāng)表面狀況為拋光，溫度為310時(shí)，發(fā)射率僅為0.28。另外，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)，除了表面粗糙度以外，一些人為因素，如施加潤(rùn)滑油及其它沉積

27、物(如涂料等)，都會(huì)明顯地影響物體的發(fā)射率。因此，我們?cè)跈z測(cè)時(shí)，應(yīng)該首先明確被測(cè)物體的發(fā)射率。在一般情況下，我們不了解發(fā)射率，那么只有用相間比較法來(lái)判別故障。而對(duì)于電力設(shè)備，其發(fā)射率一般在0.85到0.95之間。(3)溫度影響溫度對(duì)不同性質(zhì)物體的影響是不同的，很難做出定量的分析，只有在檢測(cè)過(guò)程中注意。2.5影響紅外輻射的主要因素影響物體紅外輻射的主要因素有大氣的衰減及物體不同的輻射率。一般來(lái)說(shuō)，大氣對(duì)可見(jiàn)光是透射性能良好的媒質(zhì)，但對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外輻射卻產(chǎn)生不同程度的衰減。造成輻射衰減的主要原因是大氣中、和等氣體的選擇性吸收，以及大氣中懸浮的各種微粒的散射所致。在接近地面的空氣中，對(duì)紅外線的衰減

28、起主要作用的是水蒸氣和，大氣對(duì)紅外線的吸收情況見(jiàn)圖2.3。圖2.3大氣對(duì)紅外線的吸收由圖2.3可以看出，在(015)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，大致有三個(gè)紅外波段在大氣中透射較好，通常稱這些波段為大氣窗口，它們分別為03、35、814。由普朗克輻射定律可知，隨著溫度的升高，與光譜輻射度 極大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)減小。表面溫度隨著升高，黑體輻射中的短波長(zhǎng)輻射所占比例增加。另外，在研究物體紅外輻射時(shí)，一定要注意不同的物體有不同的光譜發(fā)射率，它是衡量一個(gè)物體輻射性能好壞的一個(gè)重要物理參數(shù)。對(duì)于自然界中的任何一個(gè)物體，只要知道它在一定溫度下的比輻射率，那么這一物體在該溫度下的輻射特性就可引用有關(guān)黑體輻射定律進(jìn)行研究或計(jì)算，并

29、用該物體的發(fā)射率進(jìn)行修正。這樣，對(duì)非黑體的輻射研究就較為簡(jiǎn)單了。一般物體的發(fā)射率是一個(gè)通過(guò)相關(guān)的文獻(xiàn)獲得的參考值，使用時(shí)應(yīng)該注意修正。2.6 本章小結(jié)本章介紹了非接觸測(cè)溫的基本原理，紅外線的基本常識(shí)，影響紅外測(cè)溫的精度因素，這些原理對(duì)儀器制作的原理分析起著重要的作用。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1引言系統(tǒng)由五部分組成：光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測(cè)（傳感器）、程控放大、基于單片機(jī)的信號(hào)處理、系統(tǒng)交互界面。被測(cè)目標(biāo)輻射出紅外波有效波段8-14m，光學(xué)系統(tǒng)濾除可見(jiàn)光，聚焦有效波段的紅外光，焦點(diǎn)設(shè)計(jì)在探測(cè)器的接收面上，探測(cè)器能輸出被測(cè)物體的溫度信息和探測(cè)器本身所處環(huán)境的溫度，信息經(jīng)過(guò)放大，A/D采集，單片機(jī)的處理運(yùn)

30、算，輸出被側(cè)目標(biāo)的溫度。圖 3.1 鋁溫度測(cè)溫儀原理框圖 3.2 核心板設(shè)計(jì)單片機(jī)核心板是本設(shè)計(jì)的控制核心。本課題以STC12C5A60S2為主控芯片，STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S),針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。1.增強(qiáng)型8051 CPU，1T，單時(shí)鐘/機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)80512.工作電壓：STC12C5A60S2系列工作電壓：5.

31、5V- 3.3V（5V單片機(jī)）STC12LE5A60S2系列工作電壓：3.6V- 2.2V（3V單片機(jī)）3.工作頻率范圍：0 35MHz，相當(dāng)于普通8051的 0420MHz4.用戶應(yīng)用程序空間8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K字節(jié).5.片上集成1280字節(jié)RAM6.通用I/O口（36/40/44個(gè)），復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口） 可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉，推挽/強(qiáng)上拉，僅為輸入/高阻，開(kāi)漏 每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到20mA，但整個(gè)芯片最大不要超過(guò)55mA7. ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP

32、（在應(yīng)用可編程），無(wú)需專用編程器，無(wú)需專用仿真器 可通過(guò)串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片8.有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM無(wú)內(nèi)部EEPROM)9. 看門(mén)狗10.內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路（外部晶體12M以下時(shí)，復(fù)位腳可直接1K電阻到地）11.外部掉電檢測(cè)電路:在P4.6口有一個(gè)低壓門(mén)檻比較器 5V單片機(jī)為1.32V，誤差為+/-5%,3.3V單片機(jī)為1.30V，誤差為+/-3%12.時(shí)鐘源：外部高精度晶體/時(shí)鐘，內(nèi)部R/C振蕩器(溫漂為+/-5%到+/-10%以內(nèi)) 1用戶在下載用戶程序時(shí)，可選擇是使用內(nèi)部R/C振蕩器還是外部晶體/

33、時(shí)鐘 常溫下內(nèi)部R/C振蕩器頻率為：5.0V單片機(jī)為：11MHz15.5MHz 3.3V單片機(jī)為： 8MHz12MHz 精度要求不高時(shí)，可選擇使用內(nèi)部時(shí)鐘，但因?yàn)橛兄圃煺`差和溫漂，以實(shí)際測(cè)試為準(zhǔn)。13.共4個(gè)16位定時(shí)器 兩個(gè)與傳統(tǒng)8051兼容的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,16位定時(shí)器T0和T1，沒(méi)有定時(shí)器2，但有獨(dú)立波特率發(fā)生器 做串行通訊的波特率發(fā)生器 再加上2路PCA模塊可再實(shí)現(xiàn)2個(gè)16位定時(shí)器。14. 2個(gè)時(shí)鐘輸出口，可由T0的溢出在P3.4/T0輸出時(shí)鐘，可由T1的溢出在P3.5/T1輸出時(shí)鐘。15.外部中斷I/O口7路,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,并新增支持上升沿中斷的PCA模塊， Po

34、wer Down模式可由外部中斷喚醒， INT0/P3.2, INT1/P3.3, T0/P3.4, T1/P3.5, RxD/P3.0, CCP0/P1.3(也可通過(guò)寄存器設(shè)置到P4.2 ), CCP1/P1.4 (也可通過(guò)寄存器設(shè)置到P4.3)16. PWM(2路)/PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列,2路） -也可用來(lái)當(dāng)2路D/A使用 -也可用來(lái)再實(shí)現(xiàn)2個(gè)定時(shí)器 -也可用來(lái)再實(shí)現(xiàn)2個(gè)外部中斷(上升沿中斷/下降沿中斷均可分別或同時(shí)支持)17.A/D轉(zhuǎn)換, 10位精度ADC，共8路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250K/S(每秒鐘25萬(wàn)次)18.通用全雙工異步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可

35、再用定時(shí)器或PCA軟件實(shí)現(xiàn)多串口19. STC12C5A60S2系列有雙串口，后綴有S2標(biāo)志的才有雙串口，RxD2/P1.2(可通過(guò)寄存器設(shè)置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通過(guò)寄存器設(shè)置到P4.3)圖 3.2 STC12C5A60S2芯片圖核心板由單片機(jī)最小系統(tǒng)、下載程序電路、與其他部分的接口三個(gè)部分組成如圖2所示。其最小系統(tǒng)包括晶振電路和復(fù)位電路。STC12C5A60S2是通過(guò)串口進(jìn)行程序下載的。而且還可以串口和上位機(jī)進(jìn)行通信，所以本設(shè)計(jì)中使用了TTL轉(zhuǎn)RS232電平轉(zhuǎn)化芯片MAX232。MAX232芯片是美信公司專門(mén)為電腦的RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片,使用+5v單電

36、源供電。圖3.3 MAX232芯片圖MAX芯片有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）符合所有的RS-232技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。（2）只需單一+5V電源供電。（3）片載電荷泵具有升壓、電壓極性反轉(zhuǎn)能力，能夠產(chǎn)生+10V和-10V電壓。（4）功耗低，典型供電電流5mA。（5）內(nèi)部集成2個(gè)RS-232C驅(qū)動(dòng)器。（6）內(nèi)部集成2個(gè)RS-232C接收器。（7）高集成度，片外最低只需4個(gè)電容。3.3 紅外探測(cè)器的選擇紅外探測(cè)器實(shí)質(zhì)上就是對(duì)目標(biāo)發(fā)射的紅外輻射進(jìn)行探測(cè)及顯示處理的過(guò)程。在該過(guò)程中，物體發(fā)射的紅外輻射，經(jīng)大氣傳輸和衰減后，由探測(cè)儀器光學(xué)系統(tǒng)接收并聚焦到紅外探測(cè)器上，在此，把目標(biāo)的紅外輻射信號(hào)功率轉(zhuǎn)換成便于直接處理的電信號(hào)

37、，進(jìn)一步經(jīng)放大處理后，以數(shù)字或二維熱圖像的形式顯示出來(lái)。由此可見(jiàn)，在物體的紅外探測(cè)過(guò)程中，最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是光學(xué)系統(tǒng)對(duì)紅外輻射接收，并聚焦到紅外探測(cè)器上，再把物體的紅外輻射功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，而這種轉(zhuǎn)換功能是由紅外探測(cè)器完成的。 紅外探測(cè)器是紅外測(cè)溫儀中微弱信號(hào)采集的重要組成部分，它的主要功能是測(cè)定紅外輻射的大小并將其轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰浚ǘ鄶?shù)情況是轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽┮员銘?yīng)用。一個(gè)完整的紅外探測(cè)器包括紅外敏感元件、紅外輻射入射窗口、外殼、電極引出線以及按需要而加的光闌、冷屏、光錐、浸沒(méi)透鏡和濾光片等，在低溫工作的探測(cè)器還包括社瓦瓶，有的還包括前置放大器。3.3.1 熱釋電探測(cè)器分類按探測(cè)器的物理機(jī)理，

38、紅外探測(cè)器可分為兩類：一類是入射輻射熱效應(yīng)引起某一電氣特性變化，它的效應(yīng)正比于所吸收的能量，這類探測(cè)器稱為熱釋電探測(cè)器：另一類為光電探測(cè)器，即入射光子流和探測(cè)材料的電子直接相互作用引起某一電氣特性變化，它的響應(yīng)正比于吸收的光子數(shù)。本課題采用的光電探測(cè)器。 （1） 光電型探測(cè)器：光電型探測(cè)器是利用探測(cè)器材料的“光電效應(yīng)”制成的檢測(cè)元件，所謂“光電效應(yīng)”是指探測(cè)材料在受到光輻射照射后，材料中的電子吸收輻射能改變了運(yùn)動(dòng)狀態(tài)使材料的電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化取決于材料內(nèi)部電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，隨著電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，材料的電學(xué)性質(zhì)也相應(yīng)的改變。因此，光電型探測(cè)器的物理過(guò)程就是光輻射的照射直接引起電學(xué)性質(zhì)的改變。由于電

39、子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變過(guò)程相當(dāng)快，因而光電型探測(cè)器的響應(yīng)速度也非常快，它們的響應(yīng)時(shí)間一般小于毫秒級(jí)，最短可達(dá)微秒級(jí)。此外，為了使材料內(nèi)部的電子改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，入射輻射的光子能量 hv 必須足夠大，即光子的頻率必須大于某一定值。從波長(zhǎng)的角度而言，就是能夠引起光電效應(yīng)的熱輻射有一個(gè)最大的波長(zhǎng)值存在。可見(jiàn)，光電型探測(cè)器具有選擇性的光譜響應(yīng)特性，屬于選擇性探測(cè)器。然而，本科采用的就是比色測(cè)溫的原理，就是需要兩個(gè)特定的波段，所以，光電型探測(cè)器恰好滿足本課題的要求。（2） 熱釋電探測(cè)器：它利用某些物質(zhì)對(duì)溫度的敏感特性來(lái)探測(cè)紅外輻射能量。利用熱探測(cè)器探測(cè)紅外輻射的基本原理包含兩個(gè)主要過(guò)程：首先熱釋電探測(cè)器吸收紅外輻

40、射能量以后隨溫度隨之升高，并且伴隨著入射輻照功率的變化，元件的溫度也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。然后，探測(cè)器利用元件的某種溫度特性把溫度變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)（例如熱電堆和熱釋電探測(cè)器），或者利用元件的某種溫度敏感特性來(lái)調(diào)制電路中電流強(qiáng)度的大小，從而得到相應(yīng)的電信號(hào)（例如測(cè)輻射熱計(jì)）。熱釋電探測(cè)器的熱效應(yīng)與入射輻射的波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，所以熱電型探測(cè)器的光譜響應(yīng)率基本不隨入射輻射的波長(zhǎng)而變化，屬于無(wú)選擇性的探測(cè)器。3.1.2 紅外探測(cè)器的主要參數(shù)（1） 響應(yīng)率：響應(yīng)率表示紅外輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的能力，它等于輸出電壓 Vs 和輸入紅外輻射能量 E 之比，常以符號(hào) R 表示，有定義可得：（2） 光譜響應(yīng)曲線：探測(cè)器

41、的響應(yīng)率與入射熱輻射的波長(zhǎng)有關(guān)，將光譜響應(yīng)率隨波長(zhǎng)的變化情況繪制成曲線，此曲線稱為探測(cè)器的光譜響應(yīng)曲線。 （3） 噪聲等效功率：當(dāng)入射熱輻射在探測(cè)器中產(chǎn)生的信號(hào)電壓 Vs 等于探測(cè)器本身的噪聲電壓 Vn 時(shí)，這入射輻射的功率 E 就叫做噪聲等效功率，用符號(hào) NEP表示，單位是 W，可以寫(xiě)成下式：（4） 探測(cè)率：由于大多數(shù)探測(cè)器的與探測(cè)器的靈敏面積 A 的平方根和帶寬的平方根成比例關(guān)系，采用很難對(duì)不同靈敏面積的探測(cè)器進(jìn)行比較，因此，通過(guò)對(duì)面積進(jìn)行歸一化處理，引進(jìn)另一個(gè)質(zhì)量指標(biāo)：探測(cè)率。它用符號(hào) 表示，定義式如下：從式中可以看出，實(shí)質(zhì)上就是探測(cè)器的靈敏面積為單位面積、測(cè)量線路帶寬為 1Hz 時(shí)，單

42、位功率的熱輻射所能獲得的信號(hào)與噪聲之比，即信噪比。 （5） 響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間用來(lái)描述探測(cè)器對(duì)入射熱輻射能響應(yīng)的快慢。它通常用符號(hào) 表示，單位是秒（或微妙）， 有兩種不同的定義方法：一種是當(dāng)功率為 E 的熱輻射突然入射到探測(cè)器靈面積時(shí)，需經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能達(dá)到恒定值如圖 3-5a 所示，從光照開(kāi)始，探測(cè)器輸出電壓上升到恒定的 0.63 時(shí)所需的時(shí)間被定義為響應(yīng)時(shí)間。另一種方法指在較低的頻率范圍內(nèi)，探測(cè)器具有平均的光譜響應(yīng)曲線，即響應(yīng)率與頻率無(wú)關(guān)，但是隨頻率升高，響應(yīng)率下降（如圖3-5b），響應(yīng)率下降到平坦部分?jǐn)?shù)值的 0.707 倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率為 ，響應(yīng)時(shí)間定義為：根據(jù)光譜響應(yīng)率與波長(zhǎng)的關(guān)系，可

43、把探測(cè)器分為兩類：一類是無(wú)選擇性的探測(cè)器，它在一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有平坦的光譜響應(yīng)曲線（如圖 3-4a 所示），即與波長(zhǎng) 無(wú)關(guān)，它不存在峰值波長(zhǎng)和截止波長(zhǎng)。另一類是選擇性探測(cè)器，它具有選擇性的光譜響應(yīng)特性（如圖 3-4b）。存在響應(yīng)峰值，與響應(yīng)峰值相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)叫峰值波長(zhǎng) ，與 對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為截止波長(zhǎng) 。圖 3.4 光譜響應(yīng)曲線很顯然，NEP 越小，探測(cè)器所能探測(cè)的最低入射輻射功率就越小，因而 NEP 是用以表征探測(cè)器探測(cè)微弱熱輻射能力的一個(gè)質(zhì)量指標(biāo)。 由此可見(jiàn)，好的探測(cè)器具有短的響應(yīng)時(shí)間，因而能夠探測(cè)快速變化的紅外熱輻射。圖 3.5 響應(yīng)時(shí)間曲線3.3.3 硅光電二極管的選用信號(hào)調(diào)理部分最核心的

44、部分是紅外探測(cè)器，探測(cè)器選用OTP-537F2，測(cè)量波長(zhǎng)5-14微米，溫度與輸出電壓線性度較好，而且芯片內(nèi)部集成了測(cè)環(huán)境溫度的部分，可以方便地進(jìn)行溫度的補(bǔ)償。3.4信號(hào)調(diào)理設(shè)計(jì) 由于紅外傳感器輸出信號(hào)在低于25為負(fù)信號(hào)，單片機(jī)不能識(shí)別，因此對(duì)這個(gè)范圍的信號(hào)采取反向放大，使信號(hào)變?yōu)檎盘?hào)，這樣單片機(jī)就能識(shí)別。在100以下信號(hào)都比較微小小到微伏級(jí)，對(duì)此信號(hào)采用低噪聲，高增益的運(yùn)算放大器進(jìn)行放大。ICL7650和CD4051（選擇不同阻值的反饋電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)）構(gòu)成同向程控放大。OP07高精度、低噪聲放大器構(gòu)成反向放大電路。3.4.1 CD4051介紹CD4051 相當(dāng)于一個(gè)單刀八擲開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)接通哪一通道

45、，由輸入的 3 位地址碼ABC 來(lái)決定。此外，CD4051 還設(shè)有另外一個(gè)電源端 VEE，以作為電平位移時(shí)使用，從而使得通常在單組電源供電條件下工作的 CMOS 電路所提供的數(shù)字信號(hào)能直接控制這種多路開(kāi)關(guān)，并使這種多路開(kāi)關(guān)可傳輸峰峰值達(dá) 15V 的交流信號(hào)。例如，若模擬開(kāi)關(guān)的供電電源 VDD=5V，VSS=0V，當(dāng) VEE=5V 時(shí)，只要對(duì)此模擬開(kāi)關(guān)施加 05V 的數(shù)字控制信號(hào)，就可控制幅度范圍為5V5V 的模擬信號(hào)。本系統(tǒng)的中的 CD4051 的用法是：VDD=+12V，VSS=VEE=0V，INH=0,這樣可控制輸入信號(hào)電壓范圍為 0+12V。在使用 CD4051 是必須注意的幾點(diǎn)如下33

46、： 1、 使用單電源時(shí)，CD4051 的 VEE 可以和 GND 相連。 2、 強(qiáng)烈建議 A，B，C 三路片選端要加上拉電阻。 3、 CD4051 的公共輸出端不要加濾波電容（并聯(lián)到地），否則不同通道轉(zhuǎn)換后的電壓經(jīng)電容沖放電后會(huì)引起極大的誤差4、 禁止輸出端（INH）為高電平時(shí)，所有輸出切斷，所以在應(yīng)用時(shí)此端接地。表 3.1作音頻信號(hào)切換時(shí)，最好在輸入輸出端串入隔直電容。 CD4051 導(dǎo)通電阻小，CD4051 在常溫下的導(dǎo)通電阻為幾百歐姆.供電電壓范圍較寬，速度相對(duì)較快，控制簡(jiǎn)單，適合作為量程轉(zhuǎn)換模塊中選擇放大反饋回路的開(kāi)關(guān)。但是，多路模擬開(kāi)關(guān)也有其不利的地方。其導(dǎo)通電阻不恒定，隨電源電壓的

47、增大而減??；控制信號(hào)電平也隨電源電壓增大而增大，在使用時(shí)需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況綜合考慮，添加必要的外圍電路，保證其工作正常。在電源電壓的選擇上要結(jié)合實(shí)際需要，適當(dāng)增大。3.4.2 ICL7650 介紹ICL7650 是Intersil 公司利用動(dòng)態(tài)校零技術(shù)和CMOS 工藝制作的斬波穩(wěn)零式高精度運(yùn)放,它具有輸入偏置電流小、失調(diào)小、增益高、共模抑制能力強(qiáng)、響應(yīng)快、漂移低、性能穩(wěn)定及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。圖 3.6 ICL7650的管腳圖3.4.3 OP07 介紹OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對(duì)于OP07A最大為25V），所以O(shè)P07在很

48、多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低（OP07A為2nA）和開(kāi)環(huán)增益高（對(duì)于OP07A為300V/mV）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開(kāi)環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。圖 3.7 OP07管腳圖3.5電源模塊的管理 本系統(tǒng)中所用到的電壓種類一共有三種：+12V、-12V、+5V。 電源設(shè)計(jì)方案的選擇： （1） 低電壓線形穩(wěn)壓芯片（LDO）：線形穩(wěn)壓芯片是一種最簡(jiǎn)單的電源轉(zhuǎn)換芯片，基本上不用外圍元件。但是傳統(tǒng)的線形穩(wěn)壓器，如 78xx 系列都要求入電壓要比輸出電壓高 2V-3V 以上，否則不能正常工作。 （2） 自己設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源：

49、開(kāi)關(guān)電源也是實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換的一種方法，效率很高，但設(shè)計(jì)要比使用線形穩(wěn)壓器復(fù)雜得多。但對(duì)于大電流高功率的設(shè)計(jì)，建議采用開(kāi)關(guān)電源。但是功耗太大，必須加很大的散熱片，很不合適。 （3） 直接采用電源模塊：考慮到開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，一些公司推出了基于開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的低電壓輸出電源模塊，可靠性和效率都很高，電磁輻射小，而且許多模塊可以實(shí)現(xiàn)電源的隔離。用戶只需要加很少的外圍的元件即可使用，而且紅外探測(cè)器中集成的光敏電阻與電阻分壓，通過(guò)讀取分壓值即可知道紅外傳感器此時(shí)的溫度環(huán)境。電源模塊的價(jià)格也不是很貴。 為了合理的選擇本課題需要的電源，特對(duì)三種電源方案作了比較，比較結(jié)果如表所示。表 3.2考慮到現(xiàn)場(chǎng)所能提供

50、的工作條件和自身設(shè)計(jì)的需要，在本課題中采用 AC/DC轉(zhuǎn)換模塊直接給系統(tǒng)供電，這樣給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試帶來(lái)極大的便利。 本課題所采用的電源模塊特性如下： 1、 低輸出紋波； 2、 寬輸入電壓范圍； 3、 高效率、高精度； 4、 運(yùn)行溫度范圍：-1070；5070按曲線降載； 5、 保存溫度：-40+105; 6、 輸出電壓精度：V1：3%，V2: 5%； 7、 輸入電壓 1 源效應(yīng)：0.5%； 8、 輸入電壓頻率：4760Hz； 9、 輸出電壓 1 負(fù)載效應(yīng)：0.5%； 10、 輸出電壓紋波：1%； 11、 溫漂系數(shù)：0.003%/。 12、 保護(hù)特征：短路保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)。3.6 輸出轉(zhuǎn)換

51、設(shè)計(jì)本課題所采用的 D/A 轉(zhuǎn)換器是 ADI 公司生產(chǎn)的，它具有高精度、低功耗全數(shù)字電流環(huán)輸出的特點(diǎn)。AD420 的輸出信號(hào)可以是電流信號(hào)，也可以是電壓信號(hào)。其中電流信號(hào)的輸出范圍為 4mA20mA，0mA20mA 或 0mA24mA，具體可通過(guò)引腳 RANGE SELECT1，RANGE SELECT2 進(jìn)行配置，如表 3-2 所示。當(dāng)需要輸出電壓信號(hào)時(shí)，它也能從一個(gè)隔離引腳提供電壓輸出，這時(shí)需外接一個(gè)緩沖器，可輸出 0V5V，0V10V，5V 或10V 電壓。 表 3.3AD420 具有靈活的串行數(shù)字接口（最大速率可達(dá) 3.3Mb/s），使用方便、性價(jià)比高、抑制干擾能力強(qiáng)，非常適合用于高精

52、度遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。AD420 與單片機(jī)的接口方式有兩種：3 線制和異步制。單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò) AD420 可實(shí)現(xiàn)連續(xù)的模擬量輸出。其主要特點(diǎn)如下： 寬泛的電源電壓范圍為 12V32V，輸出電壓范圍為 0V2.5V； 帶有 3 線模式的 SPI 或 Microwire 接口，可采集連續(xù)的模擬輸入信號(hào)，采用異步模式時(shí)僅需少量的信號(hào)線； 數(shù)據(jù)輸出引腳可將多個(gè) AD420 器件連接成菊鏈型； 上電初始化時(shí)，其輸出最小值為 0mA，4mA 或 0V； 具有異步清零引腳，可將輸出復(fù)位至最小值（0mA、4mA 或 0V）； BOOST 引腳可連接一個(gè)外部晶體管來(lái)吸收回路電流，降低功耗； 只需外接少量的外部器件，就

53、能達(dá)到較高的精度。3.7 本章小結(jié)本章詳細(xì)介紹了測(cè)溫儀的硬件設(shè)計(jì)，對(duì)應(yīng)用的芯片有一個(gè)比較詳細(xì)的介紹。 第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中主機(jī)的工作主要包括： （1） 控制 A/D 模塊的 A/D 轉(zhuǎn)換； （2） 控制串并轉(zhuǎn)換和其數(shù)據(jù)傳輸； （3） 數(shù)據(jù)處理、發(fā)射率的計(jì)算和物體真溫的計(jì)算； （4） 串口輸出和被測(cè)目標(biāo)溫度的顯示； （5） 控制 D/A 模塊的 D/A 轉(zhuǎn)換。 本系統(tǒng)主機(jī)的軟件設(shè)計(jì)采用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)，使用的 MICROCHIP 公司的MPLAB 集成調(diào)試環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的。軟件設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化，模塊化方法，這樣可以提高系統(tǒng)的可靠性，還可以大大降低系統(tǒng)的硬件開(kāi)發(fā)。主機(jī)程序流程圖如圖3-13

54、所示。 上位機(jī)采用的是 VB 語(yǔ)言編寫(xiě)的，VB 作為微軟公司推出的 Windows 環(huán)境下的一種開(kāi)發(fā)工具，支持面向?qū)ο蟮某绦虻脑O(shè)計(jì)，具有簡(jiǎn)單、易學(xué)、高效的特點(diǎn)，它不但提供了良好的界面設(shè)計(jì)能力，而且在微機(jī)串口通信方面也有很強(qiáng)的功能。串行通信由于高效可靠、價(jià)格便宜，遵循的是統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，提供的是事件驅(qū)動(dòng)通訊方式和查詢通訊方式，便于設(shè)置和使用，因而得到廣泛的應(yīng)用。1主程序設(shè)計(jì)2信號(hào)采集子程序設(shè)計(jì)在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，非接觸紅外溫度采集還需通過(guò)軟件結(jié)合實(shí)現(xiàn)。采集子程序是一個(gè)中斷服務(wù)程序，正弦波電流產(chǎn)生電路開(kāi)始工作后向單片機(jī)發(fā)出中斷信號(hào)，單片機(jī)接收到中斷信號(hào)之后進(jìn)入采集中斷服務(wù)程序。如圖5.2所示為紅外信號(hào)采

55、集的程序設(shè)計(jì)。3溫度補(bǔ)償?shù)能浖?shí)現(xiàn)原理1000.646140.026041501.340430.031372002.247210.029282503.368110.032633004.609380.03543506.042860.031334007.545350.01618第6章 數(shù)據(jù)處理和誤差分析對(duì)測(cè)量?jī)x表來(lái)說(shuō)，來(lái)自各方面的干擾是影響測(cè)量精度的主要因數(shù)。全面、正確地分析誤差，以及合理、科學(xué)地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可以大大地提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。6.1誤差來(lái)源分析 本紅外線輻射測(cè)溫儀屬于中低溫測(cè)量，從宏觀分析，其誤差主要來(lái)源于以下四個(gè)方面：一方面是來(lái)自被測(cè)物體本身的輻射特性；第二方面來(lái)自紅外探測(cè)器探測(cè)性

56、能；其次是來(lái)自測(cè)量環(huán)境的影響；最后一個(gè)方面來(lái)自系統(tǒng)的硬件和數(shù)據(jù)處理。其中來(lái)自被測(cè)物體本身和測(cè)量環(huán)境的誤差是由物體本身的特性決定的，因此可用誤差修正的方法來(lái)盡量減少它們對(duì)測(cè)量精的影響。對(duì)于探測(cè)器的誤差來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)選擇最佳的紅外探測(cè)器方法使誤差降低到最低程度。而硬件和軟件設(shè)計(jì)帶來(lái)的誤差從某種角度而言，是最容易產(chǎn)生的，也是最易減少的。當(dāng)然硬件和軟件設(shè)計(jì)引起的誤差被克服程度和設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)有很大的關(guān)系。第三章介紹的軟硬件的設(shè)計(jì)方案，已經(jīng)充分考慮到了測(cè)量精度的問(wèn)題。6.2 不確定性誤差 （1） 被測(cè)物體的發(fā)射率誤差：被測(cè)物體向空間輻射的輻射強(qiáng)度主要受自身溫度和發(fā)射率大小的影響。在本紅外線輻射測(cè)溫儀數(shù)

57、據(jù)處理時(shí)是通過(guò)假設(shè)被測(cè)物體在兩波長(zhǎng)下的發(fā)射率相等來(lái)確定被測(cè)物體溫度的，即假設(shè)被測(cè)物體為灰體，然而實(shí)際上被測(cè)物體不是灰體，也不存在理想的灰體，這樣就給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)一定得誤差，我們可以通過(guò)選取非常接近的兩波長(zhǎng)作為比色測(cè)溫的兩波長(zhǎng)，從而可以盡量減少發(fā)射率對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。 （2） 環(huán)境引起的誤差：環(huán)境因素包括環(huán)境溫度、濕度、雜光影響等，對(duì)于本紅外線輻射溫度儀來(lái)說(shuō)，濕度和溫度對(duì)系統(tǒng)的影響很小，因?yàn)樘綔y(cè)器受到很好的保護(hù)措施，且被測(cè)物體溫度較高，而對(duì)探測(cè)器輸出影響最大的是雜光的影響。另外測(cè)量環(huán)境的變化還會(huì)影響前置放大電路零點(diǎn)的變化，因此在數(shù)據(jù)處理時(shí)用到了零點(diǎn)的扣除，這樣就可以減少環(huán)境引起的誤差對(duì)被測(cè)物體測(cè)

58、量結(jié)果的影響。 （3） 外部噪聲源對(duì)系統(tǒng)的干擾：由于干擾信號(hào)可通過(guò)各種線纜侵入主機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部而影響到測(cè)量精度，因而測(cè)控裝置的配線技術(shù)是首先要考慮的，對(duì)于靜電感應(yīng)引起的噪聲，可在信號(hào)線或箱體上包一層金屬導(dǎo)體屏蔽層，并將屏蔽層端點(diǎn)接地。對(duì)于電磁感應(yīng)引起的噪聲，配線時(shí)應(yīng)盡量使信號(hào)線遠(yuǎn)離強(qiáng)電線，以減少互感。（4） 數(shù)字電路對(duì)模擬電路的影響：在測(cè)量系統(tǒng)中，測(cè)量電路往往是模擬電路和數(shù)字電路的混合體，數(shù)字電路工作電流的變化也會(huì)影響模擬電路而產(chǎn)生噪聲，為了消除噪聲，在同一系統(tǒng)內(nèi)部應(yīng)當(dāng)把這兩類信號(hào)線分開(kāi)走線，最后通過(guò)一點(diǎn)將它們連接起來(lái)。對(duì) A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意地線的正確連接，如果A/D 轉(zhuǎn)

59、換和采樣保持是采用獨(dú)立的芯片，則它們必須采用獨(dú)立的數(shù)字地和模擬地。 以上四方面對(duì)測(cè)量?jī)x產(chǎn)生的誤差量化后小于 0.2%。6.3 設(shè)計(jì)誤差 設(shè)計(jì)誤差包括硬件設(shè)計(jì)誤差和軟件設(shè)計(jì)誤差，對(duì)于硬件誤差而言，主機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，有探測(cè)器、前置轉(zhuǎn)換和放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換和基于 PIC16F877A 單片機(jī)的軟件和硬件。因此設(shè)計(jì)誤差要分多方面考慮。 （1） 紅外探測(cè)器的誤差：在本系統(tǒng)中是采用硅光電二極管作為系統(tǒng)的紅外探測(cè)器，硅光電二極管輸出光電流信號(hào)在安培之間。其量化誤差小于0.2%。 （2） 運(yùn)算放大器的誤差：系統(tǒng)采用 AD820 作為前級(jí)信號(hào)轉(zhuǎn)換的運(yùn)算放大器，采用 OP07 作為信號(hào)轉(zhuǎn)換后的運(yùn)算放大器。運(yùn)算放大

60、器的運(yùn)放誤差可分為兩類：靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差。靜態(tài)誤差包括：輸入失調(diào)電壓、輸入偏置電流、輸入失調(diào)電流、共模抑制比有限引起的誤差等。動(dòng)態(tài)誤差指由于運(yùn)算放大器本身的帶寬不可能無(wú)限大，以及外接無(wú)源網(wǎng)絡(luò)的寄生電容、接線電容或者是電容器的介質(zhì)吸收效應(yīng)造成動(dòng)態(tài)運(yùn)算誤差。運(yùn)放 AD820 和 OP07 的靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差都很小，通過(guò)理論計(jì)算其量化誤差小于 0.2%。（3） A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換模塊誤差：本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是獨(dú)立 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換模塊，其中 A/D 轉(zhuǎn)換模塊理論上是 16 位，實(shí)際上位數(shù)只能達(dá)到 15 位，因?yàn)槠渲械淖罡呶槐硎緮?shù)據(jù)的符號(hào)位，D/A 也是 16 位的，它們的參考電壓均采

61、用其內(nèi)部的參考電壓。而模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換本身的精度與它們的位數(shù)及參考電壓的設(shè)置有關(guān)，通常位數(shù)越大精度就越高，其次合理的設(shè)置參考電壓、的值，也可以使位數(shù)較小的數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換獲得較高的分辨率。另外在模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路中，供電電源電壓的不穩(wěn)定性也要影響轉(zhuǎn)換精度。一般要求紋波電壓小于 1%，可采用膽電容或電解電容濾波。最后，當(dāng)數(shù)字信號(hào)前沿很陡，頻率較高，在正確的地線接線的情況下，數(shù)字信號(hào)可通過(guò)印制板線間的分布電容和漏電耦合到模擬信號(hào)輸入端引起干擾，因此印制板布線時(shí)應(yīng)使數(shù)字信號(hào)和模擬喜好遠(yuǎn)離或者將模擬信號(hào)輸入端用地線包圍起來(lái)，以降低分布電容耦合和隔離漏電通路。A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換模塊的量化誤差之和小于 0.1%。（4） 數(shù)據(jù)處理帶來(lái)的誤差：在 A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)處理方式對(duì)測(cè)量精度也有影響。測(cè)量系統(tǒng)通常要進(jìn)行數(shù)字濾波，然后取出中值，在代入所建立的數(shù)學(xué)模型中進(jìn)行處理得到所要求的物理量。對(duì)輻射測(cè)溫來(lái)說(shuō)，對(duì) A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)如何處理要根據(jù)具體情況而定。在本紅外線輻射測(cè)溫儀的 A/D 轉(zhuǎn)后，首先對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行種