【摘 要】近年來，紅外輻射溫度檢測技術(shù)由于其具有安全、精確、便捷等優(yōu)點(diǎn)，在溫度檢測方面?zhèn)涫芮嗖A。本文針對當(dāng)前市場上主要使用的紅外測溫儀和紅外熱像儀存在的弊端，考慮到紅外測溫儀的測量精度與成本，研制出一種新的紅外測溫儀。該測溫儀能夠?qū)δ繕?biāo)物整體進(jìn)行實(shí)時測溫，且無需進(jìn)行“輻射率修正”，可以得到多點(diǎn)溫度的測量值，具有較高的測量精確度。

【關(guān)鍵詞】紅外測溫；陣列式；輻射率修正

1.紅外測溫儀器

在紅外輻射溫度測量技術(shù)中，目前主要使用的有紅外測溫儀和紅外熱像儀。紅外測溫儀的測溫是將物體發(fā)射的紅外輻射能經(jīng)單元探測器轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后轉(zhuǎn)換成溫度值。紅外熱像儀則是將被測目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形投射到陣列式紅外探測器（紅外CCD）上，再經(jīng)轉(zhuǎn)換而獲得紅外熱像圖及其溫度分布值[1]。

紅外熱像儀對溫度變化具有較高的靈敏度，可以精確的反映物體表面各部分的溫度差別。但是由于它是利用環(huán)境溫度進(jìn)行定標(biāo)，且須作被測物體的輻射率修正，在被測物輻射率未知的情況下，不能夠準(zhǔn)確的反映出各點(diǎn)溫度的絕對值。特別是在被測溫度較高時，測量誤差將變得比較大。紅外測溫儀的測量精確度遠(yuǎn)高于熱像儀，但是一次測量只能得到被測物某一面元的平均溫度值，而得不到面元內(nèi)各點(diǎn)的溫度分布。雖然利用掃描的辦法可以在一定程度上取得被測物體的二維溫度分布，但在溫度隨時間變化較快的情況下，不能準(zhǔn)確反映同一時刻的溫度分布情況，而且這種儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，不易推廣[2]。

2.陣列式測溫儀

2.1基本原理

陣列式紅外測溫儀的基本原理是依照紅外熱像儀探測器的結(jié)構(gòu)，將紅外測溫儀的探測器陣列化。陣列式探測器接收從光學(xué)系統(tǒng)聚焦而來的紅外輻射，并且把紅外輻射轉(zhuǎn)換為模擬信號。由于從探測器轉(zhuǎn)化出的電信號非常微弱，所以需要經(jīng)過放大濾波電路傳送給A/D轉(zhuǎn)換器，再將經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號直接送給AVR單片機(jī)。經(jīng)過單片機(jī)處理后，由串口通信把數(shù)據(jù)傳送給ARM。在Linux的操作系統(tǒng)上編寫符合測溫儀功能的人性化操作界面，把以電壓形式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成溫度從而顯示出來。該儀器的測量精確度遠(yuǎn)高于紅外熱像儀，而成本卻遠(yuǎn)低于紅外熱像儀。

以下為該儀器主要性能指標(biāo)。

（1）測溫范圍：800℃～2800℃。

（2）紅外波段：1μm～3μm。

（3）響應(yīng)時間：1ms。

（4）探測率：2×1010cm·Hz1/2/W。

2.2探測器設(shè)計(jì)

紅外探測器是紅外測溫儀的關(guān)鍵元件，其作用是接收由光學(xué)系統(tǒng)會聚的紅外輻射，并將其轉(zhuǎn)換為一種可以測量的物理量[3]。因此，探測器的選擇將會直接影響紅外測溫儀的整體性能。

光電探測器根據(jù)其產(chǎn)生原理的差異分為光導(dǎo)型和光伏型兩種。由于兩者工作原理不同，導(dǎo)致光伏探測器的響應(yīng)時間要比光電導(dǎo)探測器的響應(yīng)時間短得多。因此，本設(shè)計(jì)首選光伏型探測器作為陣列式紅外測溫儀紅外探測器。其次，由于硅材料價格便宜，光學(xué)帶隙為1.1eV，對近紅外輻射區(qū)（0.75μm<λ<1.1μm）較敏感，且單晶硅的輻射穩(wěn)定性較高，故選用單晶硅作為紅外探測器的材料，同時可降低成本[4]。

2.3信號處理過程

在實(shí)際測量中，紅外輻射經(jīng)過探測器轉(zhuǎn)換輸出的信號微弱，需經(jīng)過數(shù)字處理系統(tǒng)的放大和處理才可進(jìn)行顯示[8]。信號處理系統(tǒng)具有微弱電信號的放大、A/D轉(zhuǎn)換、信號處理、數(shù)據(jù)的顯示等四大功能。第一級放大采用對弱信號的放大效果較好、具有穩(wěn)定增益的儀表放大器（INA128），該放大器具有的高抑制共模干擾特性，可以消除由于供電、信號長距離傳輸?shù)纫蛩卦斐傻墓材Ｔ肼暤挠绊懀坏诙壏糯蟛捎镁哂休^高增益和放大線性度的運(yùn)算放大器（MAX9943-MAX9944），該放大器負(fù)反饋的放大電路形式保證了增益的穩(wěn)定性和一致性。

陣列式紅外測溫儀整機(jī)可以采用AD7656進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換、AD7656的并行和串行接口、以及極高的采用率（最高為250kSPS），保證對信號輸出的實(shí)時性。經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送入89C52/8051F340，然后通過通信協(xié)議與ARM建立數(shù)據(jù)傳輸，在ARM開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)溫度分布圖的顯示[9]。

2.4溫度顯示

由于采用micro2440ARM開發(fā)板，可以在Linux環(huán)境下實(shí)現(xiàn)HMI。此HMI具有二維或三維圖表的顯示功能，可以將某一時刻的各局部溫度以曲線（二維）或曲面（三維）的方式顯示。由此可以查詢單個或多個測溫點(diǎn)的歷史溫度記錄，以平面或三維的方式顯示。界面中還可以實(shí)時地在圖表中顯示一些統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如最高、最低溫度、平均溫度等信息。此HMI在豐富的顯示功能之外，還具備簡便、人性化的操作。例如可以實(shí)現(xiàn)一鍵測量和顯示，方便的查詢歷史信息，可以對操作人員的權(quán)限進(jìn)行分級管理等。

HMI界面主要有測試主界面、數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)設(shè)置、色溫顯示、文件輸出。測試主界面完成對測試溫度的顯示。同時，需要顯示設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)控制按鈕、運(yùn)行時間、當(dāng)前時間和程序運(yùn)行狀態(tài)[11]。而且測試主界面可以提供導(dǎo)航菜單實(shí)現(xiàn)界面切換。

3.優(yōu)點(diǎn)與發(fā)展前景

陣列式紅外測溫儀集成了傳統(tǒng)紅外測溫儀和紅外熱像儀的優(yōu)點(diǎn)，不但實(shí)現(xiàn)了對物體表面溫度分布的高精度測量，而且降低了制造成本。該測溫儀可以對目標(biāo)物整體進(jìn)行實(shí)時測溫，同時得到多點(diǎn)溫度的測量值，并且無需進(jìn)行“輻射率修正”[12]。該測溫儀能夠獲得被測物體表面各點(diǎn)絕對溫度分布圖，具有高的測量精確度。

隨著時代的不斷進(jìn)步，促進(jìn)著紅外技術(shù)的飛速發(fā)展，紅外測溫設(shè)備的成本將不斷降低，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。例如，在環(huán)境科學(xué)方面，利用紅外探測技術(shù)不僅能夠檢測海水和大氣的污染情況，而且還能夠調(diào)查地礦、地?zé)?、水資源等[13]。紅外技術(shù)將在更多的范圍占據(jù)著越來越重要的作用。

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