【正文】 將簡化為 （17）若用黑體標(biāo)定，由亮溫的定義，這時，溫度為的黑體輻射能量應(yīng)等于溫度為T的目標(biāo)輻射能量。顯然，目標(biāo)的發(fā)射率越接近于1，則測溫儀的指示溫度就越接近目標(biāo)的真實(shí)溫度；反之，發(fā)射率越小，誤差就越大。由上式可以知道，物體表面的輻射功率不僅取決于物體的溫度T，還依賴于物體表面的發(fā)射率。輻射溫度就是指當(dāng)實(shí)際物體總的輻射功率(包括所有的波長)與絕對黑體總的輻射功率相等時，則黑體的溫度叫做實(shí)際物體的輻射溫度。到二十世紀(jì)初，輻射法測溫的理論準(zhǔn)備已基本完善。具有響應(yīng)速度快、測量范圍寬、靈敏度高[7]、對被測溫度場無干擾、熱隋性誤差小等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的接觸式測溫方式由于其反應(yīng)速度慢、測溫時間長、干擾物體的溫度場等缺點(diǎn)而使其應(yīng)用范圍受到限制。溫度是反映物體冷熱程度的物理量，在一切物體的運(yùn)動過程和生產(chǎn)過程中，幾乎可以說熱和溫度的變化無處不在。紅外線是從物質(zhì)內(nèi)部發(fā)射出來的，物質(zhì)的運(yùn)動是產(chǎn)生紅外線的根源。66作者簡介60參考文獻(xiàn)50 傳統(tǒng)溫度補(bǔ)償方式及其不足49第5章 環(huán)境溫度補(bǔ)償及系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)47 可編程IO擴(kuò)展口的設(shè)計(jì)42 DS18B20功能簡介41 環(huán)境溫度的檢測38 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇37第4章 數(shù)據(jù)的采集和顯示29 信號的放大和濾波28 斬波器的驅(qū)動27第3章 電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)13 透鏡成像的誤差及對策8 課題的意義7 課題的意義和內(nèi)容6 醫(yī)用紅外測溫儀的現(xiàn)狀4 發(fā)射率和環(huán)境因素對紅外測溫儀的影響2 單色測溫儀 2 全輻射測溫儀IAbstractTemperature pensation。系統(tǒng)經(jīng)過定標(biāo)和測試表明：本系統(tǒng)在測量的精度和穩(wěn)定性上有所提高。在紅外測溫系統(tǒng)中，紅外信號經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)的匯聚、斬波器的調(diào)制和熱釋電探測器的接收后轉(zhuǎn)變成頻率為20 Hz的脈沖信號。因此，減小外界環(huán)境因素對紅外測溫儀的影響具有十分重要的意義。℃。醫(yī)用紅外測溫儀及溫度補(bǔ)償技術(shù)的研究摘 要紅外測溫是目前最主要的非接觸式測溫方式之一。但目前使用的紅外測溫儀即使其精確度指標(biāo)為1%，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到測量體溫的精度要求。本設(shè)計(jì)針對目前醫(yī)用紅外測溫儀的現(xiàn)狀，在查閱了大量國內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，提出了一種新的環(huán)境溫度的補(bǔ)償方法。此信號經(jīng)過放大、濾波、整形和A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再送到單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、補(bǔ)償和顯示。關(guān)鍵詞 紅外測溫儀；熱釋電探測器；發(fā)射率；溫度補(bǔ)償；單片機(jī)；定標(biāo)AbstractAs a main way of noncontact measurement,infrared measurement has many advantages,such as rapid reaction,wide measurement range and high sensitivity ,noncontact thermometry can be used in variety of infrared thermometer is used in medicine,The range of infrared thermometer is regulated between ℃to ℃and its precision must be ℃when it is used in most of infrared thermometer couldn’t achieve this ,in this temperature range,the precision of infrared thermometer can be greatly affected by ambient error will increased greatly too.After looked up lots of data and realized the defect of infrared thermometer in medicinal scopes,a new pensatory way on environmental temperature is presented in this new way bases on the principle of pyroelectric detector and defines the quantity of pensation according to the temperature difference between target and its ambient temperature is measured by a digital chip and processed with new way can overe the defect of thermal resistance.After focused by lens,chopped by chopper and received by detector, infrared signal is transformed to electric signal whose frequency is 20 Hz in this infrared electric signal is processed,pensated and displayed in microcontroller system after it is amplified,filtered and adjusted by circuit. During design of this infrared system,microcontrol is debugged with Wave6000 simulation system and software is piled in assembly language because of timing relation between every test of this infrared thermometer indicates that precision and stability has improved it couldn’t reach our country’s standards on medicinal Keywords Infrared thermometer。Microcontroller。1 引言1 紅外測溫儀的分類9 紅外測溫儀光學(xué)系統(tǒng)特點(diǎn)9 常用紅外光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)9 紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)12 透鏡成像公式15 紅外探測器的種類28 斬波器的設(shè)計(jì)33 信號的放大和整形35 本章小結(jié)43 與單片機(jī)的接口電路 數(shù)碼顯示電路48 本章小結(jié)57 系統(tǒng)誤差分析58 減小誤差的措施眾所周知，物質(zhì)是由分子、原子組成的，它們按照一定的規(guī)律運(yùn)動著，其運(yùn)動狀態(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。據(jù)統(tǒng)計(jì)，工業(yè)生產(chǎn)中50%以上的檢測量是溫度。非接觸式測溫是通過測量被測溫度的物理參數(shù)來求得被測溫度的，它不存在熱接觸和熱平衡帶來的缺點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在石油化工、電子電器、航空航天[5]、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生等各行各業(yè)當(dāng)中。并可用于顯微測量和遠(yuǎn)距離測量當(dāng)中。又經(jīng)過了幾十年的努力，應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的紅外測溫儀，已有了三種類型的傳統(tǒng)形式。目前尚無對全光譜波段輻射均勻相應(yīng)的探測器，也沒有能透過全光譜波段的窗口或透鏡的紅外光學(xué)材料，因此，全輻射測溫只是一個理想化的概念。由于不同物體的發(fā)射率差異很大，所以不能只通過測量輻射功率來單一地決定物體的溫度。單色測溫儀是通過測量目標(biāo)發(fā)射的某一波長范圍內(nèi)的輻射功率來確定目標(biāo)亮溫的儀器[12]。即 (18)于是得 （19）由式(19)可知，測試波長選的越短，由發(fā)射率引起的誤差就越小，所以單色測溫儀一般工作在短波區(qū)。因此，測量低溫目標(biāo)宜選用長波波長，而測量高溫目標(biāo)宜選用短波波長。只要發(fā)射率在這兩個波段內(nèi)的變化是緩慢的，這兩個波段上的輻射能量的比值就主要決定于被測物體的表面溫度。利用黑體標(biāo)定目標(biāo)溫度，則由式(17)得出兩個波長輻射功率的比值為(110)經(jīng)整理得 (111)由此可見，為了提高比色測溫的精度，關(guān)鍵是選擇合適的波長，使兩個波長處的發(fā)射率相近[17]。早在1966年，前蘇聯(lián)科學(xué)院冶金所的專家就提出：物體的光譜發(fā)射率可近似的認(rèn)為是對于波長的多項(xiàng)式。目前出現(xiàn)的三波段、四波段、甚至八波段的多波段紅外測溫儀[18,19]。由于實(shí)際物體的發(fā)射能力都比同等溫度下黑體的輻射能力低，所以輻射發(fā)射率是個小于1的數(shù)值[21]。見表11。這種復(fù)雜的參數(shù)要準(zhǔn)確的測量是非常困難的[25]。而大氣中的多原子氣體分子，例如H2O、COOCHN2O、CO等，對紅外輻射具有強(qiáng)烈的吸收作用。這些氣體分子除吸收紅外線外，還將散射紅外線。從表12中可以看出，當(dāng)目標(biāo)溫度越低，環(huán)境溫度越高時，能量誤差就越大。由于熱釋電探測器具有響應(yīng)速度快、光譜響應(yīng)寬、工作頻率寬、靈敏度與波長無關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，1989年以來，熱釋電耳道式測溫儀已成功的用于體溫測量，1991年以后該產(chǎn)品已遍及歐美市場[31]。即使是上述兩種體溫測量儀，由于其自身的特點(diǎn)，也不適合對大流量人群的快速檢測?！妗７堑湟咔檫^后，人們越來越注重公共衛(wèi)生安全。研究的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)一種能滿足醫(yī)用要求的紅外測溫儀。與其它光學(xué)儀器相比，紅外測溫儀的光學(xué)系統(tǒng)具有下面幾個特點(diǎn)：第一、測溫儀光學(xué)系統(tǒng)的作用是會聚能量，它的后續(xù)部件是光電轉(zhuǎn)換器，所以它所成的像必須是實(shí)像。通常，測溫儀的最近測量距離為20 cm，最遠(yuǎn)測量距離為20 m左右，所以不能將目標(biāo)光源看成平行光。透射式紅外光學(xué)系統(tǒng)也稱折射式紅外光學(xué)系統(tǒng)，它一般由一個透鏡或組合透鏡構(gòu)成。這種系統(tǒng)能很好的消除像差，可獲得較好像質(zhì)，但總透過率低。典型的反射系統(tǒng)有：(1) 牛頓系統(tǒng) 牛頓系統(tǒng)的主鏡是拋物鏡，次鏡是平面，如圖23所示。這種系統(tǒng)較牛頓系統(tǒng)擋光少，像質(zhì)好，結(jié)構(gòu)尺寸小，但曲面加工較困難。但其中心擋光，有較大的軸外像差，難于滿足大視場和大孔徑成像的要求。反射－透射式光學(xué)系統(tǒng)可以結(jié)合反射式和透射式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，采用球面鏡取代非球面鏡，同時用補(bǔ)償透鏡來校正球面反射鏡的像差，從而可獲得較好的像質(zhì)。(2)曼金折射－反射鏡這種系統(tǒng)由一個球面反射鏡和一個與它相貼的彎月形折射透鏡組成，如圖26所示。對測量特定目標(biāo)的紅外測溫儀的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，首先考慮的是工作波段。同時大氣對8~14μm之間的紅外線透過率較高，吸收相對較少。透鏡的成像公式雖然簡單，但與透鏡的結(jié)構(gòu)和材料有關(guān)，具有一定程度的不嚴(yán)格性。角度θθββ2分別為此條光線進(jìn)入透鏡和從透鏡射出時的入射角和折射角。同時假定透鏡非常薄，則A點(diǎn)B點(diǎn)至光軸的距離可認(rèn)為是相等的，且等于它們所對應(yīng)的弧長，另外，由于透鏡的厚度非常薄，故它們的厚度不影響u和v的值。當(dāng)透鏡的厚度不能認(rèn)為非常薄時，就不能保證透鏡成像公式的精確性。除非透鏡設(shè)計(jì)成非球面或組合透鏡，否則球差總是存在的。色差現(xiàn)象是客觀存在的。 mm的紅外探測器放在透鏡的焦點(diǎn)處。再加上紅外濾光片和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的調(diào)制盤，整個光學(xué)系統(tǒng)和光電轉(zhuǎn)換部分的結(jié)構(gòu)如圖28所示。光子探測器吸收光子后產(chǎn)生電子狀態(tài)的改變，從而引起幾種電學(xué)現(xiàn)象。根據(jù)光電效應(yīng)第一定律—斯托列托夫定律可知：當(dāng)照射到光電子發(fā)射器件上的入射光頻率或頻譜成分不變時，飽和光電流（即單位時間沒發(fā)射的光電子數(shù)目）與入射光強(qiáng)度成正比。同時由光電發(fā)射第二定律—愛因斯坦定律可以知道，如果發(fā)射體內(nèi)電子吸收的光子能量大于發(fā)射體表面逸出功，則電子將以一定速度從發(fā)射體表面發(fā)射，光電子離開發(fā)射體表面時的初動能隨入射光的頻率線性增長，與入射光的強(qiáng)度無關(guān) （28）式中，E=mν2/2是光電子的初動能，m為電子質(zhì)量，ν為電子離開發(fā)射體表面時的速度，hν為入射光子能量，為金屬逸出功(從材料表面逸出時所需的最低能量)又稱功函數(shù)。用于微光及遠(yuǎn)紅外的光電管目前只有兩種。光電陰極的量子效率(每一入射光子所發(fā)射的電子數(shù))不高，一般在105~101之間。對于本征半導(dǎo)體，在無光照時，由于熱激發(fā)只有少數(shù)電子從價帶躍遷至導(dǎo)帶。則光生電子在外電場作用下的漂移電流J(x)為 （214）式中n(x)為