尹大禹 李 冶

(沈陽師范大學(xué) 科信軟件學(xué)院，吉林 公主嶺110034)

0 引言

本設(shè)計(jì)利用TPS434紅外測溫模組，采用超低功耗的MSP430單片機(jī)[4]，實(shí)現(xiàn)了非接觸式紅外測溫儀。它體積小巧，能夠很方便地測量近距離物體的表面溫度，完全可以滿足常溫領(lǐng)域的測量。

1 測量原理

紅外測溫儀的測溫原理是黑體輻射定律[5]。眾所周知，自然界中一切高于絕對零度的物體都在不停向外輻射能量，物體的向外輻射能量的大小及其按波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的聯(lián)系，物體的溫度越高，所發(fā)出的紅外輻射能力越強(qiáng)。黑體的光譜輻射出射度由普朗克公式確定，即：

圖1是不同溫度下的黑體光譜輻射度圖：

圖1 不同溫度下的黑體光譜輻射度

從上圖中曲線可以看出黑體輻射具有幾個特征：

1）在任何溫度下，黑體的光譜輻射度都隨著波長連續(xù)變化，每條曲線只有一個極大值；

2）隨著溫度的升高，與光譜輻射度極大值對應(yīng)的波長減小，這表明隨著溫度的升高，黑體輻射中的短波長輻射所占比例增加；

3）隨著溫度的升高，黑體輻射曲線全面提高，即在任一指定波長處，與較高溫度相應(yīng)的光譜輻射度也較大，反之亦然。

由普朗克公式可推導(dǎo)出輻射體溫度與檢測電壓之間的關(guān)系

V=RaεσT4=KT4

式中：K=Raεσ，由實(shí)驗(yàn)確定，定標(biāo)時ε取1

T——被測物體的絕對溫度，R——探測器的靈敏度

a——與大氣衰減距離有關(guān)的常數(shù),ε——輻射率,σ——斯蒂芬—玻耳茲曼常數(shù)

因此，可以通過檢測電壓而確定被測物體的溫度，上式表明探測器輸出信號與目標(biāo)溫度呈非線性關(guān)系，V與T的四次方成正比，所以要進(jìn)行線性化處理。線性化處理后得到物體的表觀溫度，需進(jìn)行輻射率修正為真實(shí)溫度,其校正式為。式中：Tr——輻射溫度(表觀溫度),ε(T)——輻射率，取0.1-0.9。

由于調(diào)制片輻射信號的影響，輻射率修正后的真實(shí)溫度為高于環(huán)境的溫度，還必須作環(huán)境溫度補(bǔ)償，即實(shí)測溫度加上環(huán)境溫度才能最終得到被測物體的實(shí)際溫度。

2 測溫系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

紅外測溫儀的系統(tǒng)，主要由光學(xué)系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換、信號處理、顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)完成視場大小的確定，熱電堆紅外傳感器用將聚焦在探測器上的紅外能量轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過放大、濾波后進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，并送至單片機(jī)進(jìn)行信號處理，最后在LED顯示單元中顯示出被測目標(biāo)的溫度值。

3 系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)及工作原理

3.1 紅外采集電路

紅外測溫儀器使用的是TPS434熱電堆紅外傳感器。熱電堆紅外傳感器的原理是將多個熱電偶[6]串聯(lián)起來，使其具有較高靈敏度。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，因此要實(shí)現(xiàn)測溫儀精確測溫必須設(shè)計(jì)一個光路簡單、紅外輻射損失小的光學(xué)系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)中可以在被測物體和紅外傳感器之間加一個透鏡，以便聚焦紅外線。

3.2 信號放大電路

AD623是一個集成單電源儀表放大器，AD623能在單電源（+3-+12V）下提供滿電源幅度的輸出，并且允許使用單個增益電阻設(shè)置增益大小，具有很強(qiáng)的靈活性。在無外接增益電阻的條件下，增益倍數(shù)為1；外接增益電阻后，可編程設(shè)置增益，其增益最高可達(dá)1000倍。其增益公式G=100kΩ Rg,式中，G為放大器的增益倍數(shù)；Rg為放大器的增益電阻阻值。放大電路如圖2所示。在此放大電路中，采用二階濾波器，截止頻率為20Hz。放大器的增益倍數(shù)G由增益電阻Vr3動態(tài)調(diào)節(jié)，范圍為92-1000倍。紅外傳感器輸出為幾百微伏到幾十毫伏的微弱電壓，在放大的電壓參考端接入1.5V的參考電壓，并經(jīng)放大電路后，輸出電壓范圍為1-3V。

圖2 信號放大電路圖

3.3 AD轉(zhuǎn)換電路

經(jīng)放大電路放大后的模擬電信號需要轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后才能送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集選用TLC549集成芯片進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換如圖3所示。

圖3 TLC內(nèi)部框圖

3.4 溫度補(bǔ)償電路

由于紅外溫度傳感器的輸出受環(huán)境溫度影響，所以為了得到高精度的測量，需要進(jìn)行環(huán)境溫度補(bǔ)償。在本系統(tǒng)中，環(huán)境溫度由集成溫度芯片AD590測得。AD590是Analog Devices公司利用PN結(jié)構(gòu)正向電流與溫度的關(guān)系制成的電流輸出型溫度傳感器[7]。通過調(diào)節(jié)電位器Ra，是Ra與R1的電阻值相加為5K。溫度每變化1度，輸出電壓變化5mV。輸出的電壓經(jīng)過單片機(jī)的P6.0進(jìn)入后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后計(jì)算得出環(huán)境溫度值。測得環(huán)境溫度后，通過軟件溫度補(bǔ)償方式提高系統(tǒng)的測量精度。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在對該系統(tǒng)的精度做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程中，以黑體為目標(biāo)物體，分別用接觸式溫度傳感器和非接觸式溫度測量物體的溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，單次測量的最大誤差在2%以內(nèi)。

表1 非接觸式紅外測溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)以非接觸式紅外測量為研究內(nèi)容，詳細(xì)闡明了系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)的全過程，該設(shè)計(jì)以MSP430單片機(jī)為核心，具有超低功耗的性能，采用儀表放大器AD623作為前級放大，提高了放大的精確度；并通過溫度補(bǔ)償方式對測得溫度做精準(zhǔn)校正，大大提高了非接觸式紅外測量儀的測量精度。本系統(tǒng)具有電路工作穩(wěn)定、測量快速準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，有很好的應(yīng)用前景。

［1］宋文,楊帆.傳感器與檢測技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2004.

［2］孫華東,李艾華.非接觸式紅外測溫技術(shù)在點(diǎn)檢系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].新技術(shù)新工藝,2007(11):60-61.

［3］馮美英,付偉.一種高精度壓力檢測系統(tǒng)溫度補(bǔ)償技術(shù)研究[J].煤炭技術(shù),2011,30(2).

［4］楊平,王威.MSP430系列超低功耗單片機(jī)及應(yīng)用[J].國外電子測量技術(shù),2008,27(12).

［5］陳曉明.黑體輻射定律及實(shí)驗(yàn)教學(xué)相關(guān)問題探討[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2009,28(5).