【正文】 1和λ2越接近，和相差就越小，測量誤差也就越小。即 （112）式中αi(T)是與溫度有關(guān)的多項式的系數(shù)。就是根據(jù)上述理論研制的。因而用公式(13)、式(18)和式(110)定標(biāo)的全輻射測溫儀、單色測溫儀以及比色測溫儀，其指示溫度都不是被測物體的真實溫度[22]。表11材料發(fā)射率對三種紅外測溫儀的示值影響 (℃)Table 11 The effect of some material on three kind of infrared reading材料單色測溫儀比色測溫儀全輻射測溫儀1全波段SiC9513820414916石墨145188142726911WC381 381651010147269021從表11看出，物體發(fā)射率對紅外測溫儀的測量精度有很大的影響[24]。菲涅爾定律揭示出材料的熱輻射是偏振的，并取決于發(fā)射角和折射率，據(jù)此，法國MCC公司研制出通過測量3次偏振光亮度，求出材料的發(fā)射率和真實溫度的T400型測溫儀，從而在原理上解決了發(fā)射率的影響。非干燥大氣中吸收紅外線最強(qiáng)烈的是水蒸氣和二氧化碳。由于大氣的吸收和散射，使紅外輻射發(fā)生衰減，嚴(yán)重時，可以使紅外儀器無法工作。因而紅外測溫儀的測量誤差就越大。我國在這方面的起步較晚。耳道式體溫測量儀在測量的時候需將探頭插進(jìn)人的耳道內(nèi)[32]，而“非接觸、口腔式紅外線電子體溫儀”在測溫時需對準(zhǔn)人的口腔，且其遠(yuǎn)距離測溫易受外界環(huán)境溫度的影響，導(dǎo)致測量精度的下降。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。非接觸、高精度醫(yī)用紅外測溫儀的研究，對于在公共場合、大流量人群的快速檢測具有重要的意義。為了提高紅外測溫儀的精度，課題中對外界環(huán)境溫度采取了軟件補(bǔ)償?shù)姆椒?。第二、理論上，測溫儀的測量距離為0∞。第三、在含透鏡的光學(xué)系統(tǒng)中，由于透鏡材料對不同波長的光有不同的折射率，使成像平面的位置不同。透射式光學(xué)系統(tǒng)有如下兩種結(jié)構(gòu)：(1)單透鏡如圖21所示。由于紅外波段的范圍較寬，能滿足各種物理上、化學(xué)上、機(jī)械上性能要求的紅外透光材料不多。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于加工。(3)格利高利系統(tǒng) 該系統(tǒng)的主鏡是拋物面，次鏡是橢球面。－透射組合式光學(xué)系統(tǒng)無論透鏡式光學(xué)系統(tǒng)還是反射式光學(xué)系統(tǒng)都存在多種像差，如球差、慧差、像散、畸變、像面彎曲和色差等。但這種系統(tǒng)往往體積大，加工困難，成本也較高。它所采用的透鏡是負(fù)透鏡，用以校正球差，但色差較大，故常將此透鏡做成膠合消色差透鏡。因工作波段取決于被測目標(biāo)的發(fā)射特性和輻射傳遞通路中介質(zhì)的特性，這兩者是無法改變的。因而確定測溫儀的工作波段在8~14μm之間。在圖27中，設(shè)從空氣中（近似真空）距透鏡為u的點O發(fā)出的一條光線射向透鏡，由于透鏡的折射作用，經(jīng)A、B兩點后，成像在I點上。yy2分別為A點、B點至光軸的距離。由此可得 (22)令 焦則式中f焦為透鏡的焦距。即使是雙凸的對稱透鏡，也不能太厚。另外，像散和畸變也都和球差有關(guān)。因此，只能在光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)排列上采取措施，將探測器放在測量波段的像平面上，不放在可見光的像平面上?？讖焦怅@安裝在焦距前方10 mm處，以消除雜散光的影響。紅外探測器是紅外測溫儀的重要組成部分，它的主要功能是測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。這些現(xiàn)象統(tǒng)稱為光子效應(yīng)。即 (26)式中，是光電流，I是入射光強(qiáng)，S是該陰極對入射光線的靈敏度。該式表明，入射光子必須具有足夠的能量，也就是說至少要等于逸出功，才能發(fā)生光發(fā)射，就此推出外光電效應(yīng)發(fā)生的條件為 （29）截止波長 （210）入射光波長大于截止波長時，無論光強(qiáng)有多大，照射時間有多長，都不會有光電子發(fā)射。一種叫做S1的銀氧銫(AgOCs)光電陰極，另一種叫做S20的多堿(NaKCsSb)光電陰極。近年來，在窄禁帶半導(dǎo)體上生長一層GaAs再鍍一層銫的復(fù)合陰極，可以探測較長波長的紅外輻射。此時半導(dǎo)體的電導(dǎo)率很低，稱為半導(dǎo)體的暗電導(dǎo)，用σ0表示，且 （211）式中，e為電子電荷，ne和μe分別是無光照時導(dǎo)帶電子密度和遷移率；p和μp分別是無光照時價帶空穴密度和遷移率。則探測器收集極上的光電流平均值為 （215）將式(214)代入，則光電流平均值為 （216）n(x)與光生載流子的產(chǎn)生復(fù)合率有關(guān)，若非平衡載流子平均壽命為 ，則復(fù)合率為，產(chǎn)生率為，在穩(wěn)態(tài)條件下產(chǎn)生率與復(fù)合率相等，由此得 （217）于是光電導(dǎo)探測器輸出的平均光電流為 （218）同時求得，當(dāng)入射光功率全部被吸收時，探測器體內(nèi)的平均光生載流子濃度為 (219)此時的光電流為 (220)根據(jù)量子效率的定義 (221)可求得 (222)式中為外電場下載流子在電極間的渡越時間，為光電導(dǎo)探測器的內(nèi)部增益，表示一個光生載流子對探測器外回路電流的有效貢獻(xiàn)，它是光電導(dǎo)探測器的一個特有參數(shù)。光電導(dǎo)探測器可分為單晶型和多晶薄膜型兩類。摻雜型紅外探測器，主要是鍺、硅、和鍺硅合金摻入不同雜質(zhì)而制成的多種摻雜探測器。光伏效應(yīng)指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。光生電勢差導(dǎo)致的光生電流Ip方向與結(jié)電流方向相反，而與pn結(jié)反向飽和電流I0同向，且Ip≥I0。光伏效應(yīng)下pn結(jié)總電流 (223)式中E為光照度；V為結(jié)電壓；T為絕對溫度；A為光照面積。 (4)光磁電探測器如下圖211所示。目前制成的光磁電探測器有InSb、InAs和HgTe等。入射光子能量大于本征半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg(或雜質(zhì)半導(dǎo)體的雜質(zhì)電離能ED或EA)就能激發(fā)出光生載流子。（1）熱敏電阻 熱敏電阻的阻值隨自身溫度的變化而變化。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的電阻值與絕對溫度的關(guān)系為 (227)式中為熱敏電阻溫度為時的電阻；為熱敏電阻溫度為時的電阻；β為與熱敏電阻材料性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)。為了在確保視場的情況下提高探測器靈敏度，熱敏電阻探測器常制備成浸沒型。也稱塞貝克(Seeback)效應(yīng)。熱電偶的輸出電流I可表示為 (229)在上的輸出電壓為 (230)輻射熱電偶一段吸收輻射后所產(chǎn)生的溫升仍由熱傳導(dǎo)方程給出，但應(yīng)考慮珀爾貼(Peltier)效應(yīng)從熱端散發(fā)出去的熱量及熱端傳導(dǎo)和輻射出去的熱量。將式(231)代入式(230)中，則輸出電壓幅值為 (232)電壓響應(yīng)率為 (233)對于恒定輻射，=0，則恒定輻射響應(yīng)率為 (234)熱電偶被廣泛用于測量1 300℃以下的溫度。在相同的輻照下，熱電堆可提供比熱電偶大得多的溫差電動勢。利用上述原理制成的紅外探測器叫氣體(動)探測器。但實際上對某些波長的紅外輻射的響應(yīng)偏低，等能量光譜響應(yīng)曲線并不是一條直線。三、熱探測器的響應(yīng)率比光子探測器的響應(yīng)率低1~2個數(shù)量級，響應(yīng)時間要比光子探測器長的多。圖214為熱釋電紅外探測器的結(jié)構(gòu)圖、電路圖[47]。熱釋電探測器是利用熱釋電晶體的自發(fā)極化效應(yīng)制成的。因此不能在靜態(tài)條件下測量自發(fā)極化。當(dāng)紅外輻射照射時，熱釋電晶體的溫度升高，自發(fā)極化強(qiáng)度降低，因而電極表面上感應(yīng)電荷減少，這相當(dāng)于“釋放”了一部分電荷，因而稱之為熱釋電現(xiàn)象。如果用頻率為的紅外信號照射熱釋電晶體，則晶體的溫度，自發(fā)極化強(qiáng)度及其引起的面束縛電荷均以頻率作周期變化。課題中選擇使用了上海尼賽拉公司生產(chǎn)的PM611型熱釋電紅外探測器。同時也介紹了紅外探測器的種類、原理和探測器的選擇。對紅外信號的調(diào)制可以通過兩個途徑來實現(xiàn)：一種是在光學(xué)系統(tǒng)的焦平面附近加斬波器，使紅外輻射斷斷續(xù)續(xù)地落在探測器上，這樣探測器就產(chǎn)生隨時間變化的交流信號；另一種是讓光學(xué)系統(tǒng)掃描，這樣就可以得到交流信號。當(dāng)熱釋電紅外探測器的窗口被扇形金屬片遮擋時，探測器沒有輸出信號；當(dāng)探測器不被扇形金屬片遮擋時，探測器上就有輸出信號。步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動的電磁執(zhí)行元件。因而廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中。SAA1042是適宜于兩相步進(jìn)電動機(jī)雙極性驅(qū)動的單片集成電路。7腳輸入時鐘脈沖，上跳沿起作用。驅(qū)動輸出端1和114分別接步進(jìn)電動機(jī)的兩相繞組LL2和LL4。當(dāng)此Set信號為高電平時，四個輸出端被關(guān)閉呈高阻態(tài)，而Set的信號回到低電平，直到一個時鐘脈沖上跳沿到來，LLLL4被置為1010狀態(tài)。當(dāng)工作于振蕩狀態(tài)時，其輸出信號的頻率和占空比由兩只外接電阻RR2和一只外接電容C2來決定。電容的充電時間和放電時間及輸出信號的周期與電源電壓無關(guān)。綜上所述，實際的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路如圖35所示。若要將信號進(jìn)行數(shù)字化的處理，則須把信號放大到數(shù)伏量級才能被一般的模數(shù)轉(zhuǎn)換器所接受。 555定時器產(chǎn)生頻率為100Hz的時鐘信號，而時鐘信號的每一個上跳沿都會驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)。13V電源電壓范圍177。為濾波器的增益。同時，為了通過20 Hz的低頻信號，在電路中分別采用了47μF和20μF的鉭電解電容。 熱釋電探測器輸出的電信號是正負(fù)交變的近似方波的脈沖信號。具體電路如圖310所示。要選擇合適的A/D轉(zhuǎn)換器，最重要的是明確使用的目的，確定合適的轉(zhuǎn)換速率和轉(zhuǎn)換精度。在本課題中，系統(tǒng)的工作頻率為20 Hz，而每個周期需要采樣20次，因此每秒需要采樣400次。 ADS7824功能簡介ADS7824是美國BB公司推出的一種低功耗4通道12位并行/串行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。 ADS7824的基本特點和主要參數(shù) 內(nèi)部帶有采樣保持器(SHA)，采用12位逐次逼近(SAR)模/數(shù)轉(zhuǎn)換方式。 LSB，無漏碼的差分非線性(DNL)最大為12位。內(nèi)帶+ V基準(zhǔn)電壓，也可選用外部+ V基準(zhǔn)電壓。正常工作情況下的功耗為50 mW；關(guān)閉模式下的功耗僅為50μW。這樣可在電容陣列上有效的獲得與輸入電壓成正比的電荷量。AIN0～AIN3(2，3，4，5)：模擬信號輸入通道0～3，其差分輸入電壓范圍為177。REF(7)：參考電壓輸入/輸出端。DGND(14)：數(shù)字地。A1，A2(18，19)：輸入信號通道選擇端。R/C（非）(22)：讀取/轉(zhuǎn)換控制端。CONTC(25)：連續(xù)轉(zhuǎn)換模式控制端，CONTC為5 V時，ADS7824工作在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，此時芯片可對4個輸入通道信號進(jìn)行連續(xù)采集和轉(zhuǎn)換。ADS7824內(nèi)含三態(tài)輸出緩沖電路和串行/并行輸出方式，且與CPU的接口非常靈活。單片機(jī)通常通過兩次讀取操作將數(shù)據(jù)讀入，當(dāng)R/C（非）=1，CS（非）=0，BYTE=0時，讀取高8位；當(dāng)R/C（非）=1，CS（非）=0，BYTE=1時，讀取低4位。ADS7824的A1端和A2端始終為零，因而選擇ADS7824的通道0為模擬信號的輸入端。DS18B20由三部分組成：64位光刻ROM；溫度傳感器；永久型溫度報警觸發(fā)器TH和TL。它具有節(jié)省I/O口線資源、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、便于總線擴(kuò)展和維護(hù)等諸多優(yōu)點。設(shè)備(主機(jī)或從機(jī))通過一個漏極開路或三態(tài)端口，連接至該數(shù)據(jù)線，這樣允許設(shè)備在不發(fā)送數(shù)據(jù)時釋放數(shù)據(jù)總線，以便總線被其它設(shè)備所使用。不管什么原因，如果傳輸過程需要暫時掛起，且要求傳輸過程還能夠繼續(xù)的話，則總線必須處于空閑狀態(tài)。 1wire單總線命令序列典型的單總線命令序列如下：第一步：初始化；第二步：ROM命令(跟隨需要交換的數(shù)據(jù))；第三步：功能命令(跟隨需要交換的命令)。應(yīng)答脈沖使主機(jī)知道總線上有從機(jī)設(shè)備且準(zhǔn)備就緒。從機(jī)設(shè)備可能支持5種ROM命令(實際情況與具體型號有關(guān))，每種命令長度