【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 度關(guān)系符合輻射定律。因此，通過(guò)對(duì)物體自身輻射的紅外能量的測(cè)量，便能準(zhǔn)確地測(cè)定它的表面溫度，這就是紅外輻射測(cè)溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。 除此之外還要用單片機(jī)處理采集的信息及處 理數(shù)據(jù)。初步?jīng)Q定使用 AT89C52單片機(jī)。 還要用到 protues 軟件來(lái)模擬電路。 2. 紅外測(cè)溫原理 紅外測(cè)溫的基礎(chǔ)理論 在自然界中，一切溫度高于絕對(duì)零度（ 176。C ）的物體，由于分子的熱運(yùn)動(dòng)，都在不停地向周?chē)臻g輻射包括紅外波段在內(nèi)的電磁波，其輻射能量密度與物體本身的溫度關(guān)系符合輻射定律。 物體的紅外輻射能量的大小及其按波長(zhǎng)的分布與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此，通過(guò)對(duì)物體自身輻射的紅外能量的測(cè)量，便能準(zhǔn)確地測(cè)定它的表面溫度，這就是紅外輻射測(cè)溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。 紅 外線是電磁波譜的一部分，這一波段位于可見(jiàn)光和微波之間。根據(jù)普朗克輻射定律，凡是絕對(duì)溫度大于零度的物體都會(huì)向外輻射電磁波，物體的輻射強(qiáng)度與溫度及表面輻射能力有關(guān)，輻射的電磁波譜分布與物體溫度密切相關(guān)。在電磁波譜中，我們把人眼可直接感知的 ~ ，而把波長(zhǎng)從 ~ 600181。m 的電 磁波稱(chēng)為紅外波段。 而紅外區(qū)通常又可分為近紅外區(qū)（ ~ ）、中紅外區(qū)（ ~ 10181。m）和遠(yuǎn) 紅外區(qū)（ 10181。m 以上）。 近年來(lái)，紅外輻射技術(shù)已成為一門(mén)發(fā)展迅速的新興學(xué)科。它已經(jīng)廣泛應(yīng) 用于生產(chǎn)、科研、軍事、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。 圖 電磁波波譜圖 J D 哈里認(rèn)為，人體輻射能量與皮膚表面溫度及輻射率有關(guān)。一般活體皮膚光譜陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 共 38 頁(yè) 范圍約為 3 ~ 50181。m，其中大部分能量集中在 8~14181。m 波段內(nèi)，峰值波長(zhǎng)約為 。雖然人體生物波普分布范圍比較寬，但在非能量集中區(qū)域的信號(hào)強(qiáng)度較低，尤其遠(yuǎn)端波段的數(shù)值極小。經(jīng)科學(xué)檢測(cè)，不管人體的膚色如何，干燥皮膚的紅外輻射率均為 ，近似為黑體。根據(jù) Planck 定律，其波長(zhǎng)主要分布在 ~ 25181。m 紅外波段范圍內(nèi)，根據(jù) Wien定律 λm T=2898（ K181。m），人體皮膚輻射的峰值波長(zhǎng)同樣約為 。 其中 黑體是一種理想化的輻射體，它吸收所有波長(zhǎng)的輻射能量，沒(méi)有能量的反射和透過(guò)，其表面的發(fā)射率為 1。但是，自然界中存在的實(shí)際物體，幾乎都不是黑體，為了弄清和獲得紅外輻射分布規(guī)律，在理論研究中必須選擇合適的模型，這就是普朗克提出的體腔輻射的量子化振子模型，從而導(dǎo)出了普朗克黑體輻射的定律，即以波長(zhǎng)表示的黑體光譜輻 射度，這是一切紅外輻射理論的出發(fā)點(diǎn)，故稱(chēng) “ 黑體輻射定律 ” 。 圖 黑體輻射曲線 （ 1）、輻射的光譜分布規(guī)律 — 普朗克輻射定律： 一個(gè)絕對(duì)溫度為 T（ K）的黑體，單位表面積在波長(zhǎng) λ 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(chēng)為光譜輻射度） Mλ， T與波長(zhǎng) λ、溫度 T 滿(mǎn)足下列關(guān)系： Mλ， T = C1（ eC2/λT – 1） 1 （ 21） 式中 C C2 分別為第一、第二輻射常數(shù)。 普朗克輻射定律是所有定量計(jì)算紅外輻射的基礎(chǔ)。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 共 38 頁(yè) （ 2）、斯忒藩（德） — 波爾茲曼（奧）（ Stefan— Boltzmann）定律： 物體的總輻射率，即單位面積發(fā)射總功率與黑體溫度的四次方及材料表面的發(fā)射率成正比。其數(shù)學(xué)表示如下： W =σεT4 （ 22） 其中： σ= 108w/m2 K4，為 Stefan— Boltzmann 常數(shù)， ε 為材料表面發(fā)射率。1879 年斯忒藩從實(shí)驗(yàn)上總結(jié)得到該公式， 1884 年波爾茲曼從理論上證明了它。 Stefan—Boltzmann 定律表明，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，同時(shí)黑體單位表面積發(fā)射的總輻射功率與開(kāi)氏溫度的四次方成正比。而且，只要當(dāng)溫度有較小變化時(shí)，都會(huì)使物體發(fā)射的輻射功率發(fā)生很大的變化。因此只要能探測(cè)到黑體的單位表面積發(fā) 射的總輻射功率，就可以確定黑體的溫度了。 Stefan— Boltzmann 定律是所有紅外測(cè)溫的基礎(chǔ)。 （ 3）、輻射的空間分布規(guī)律 — 朗伯余弦定律： 所謂的朗伯余弦定律，就是黑體在任意方向上的輻射強(qiáng)度與觀測(cè)方向相對(duì)于輻射表面法線夾角的余弦成正比： Iθ = Iocosθ （ 23） 此定律表明，黑體在輻射表面法線方向的輻射最強(qiáng)。因此，實(shí)際做紅外檢測(cè)時(shí)，應(yīng)盡可能選擇在被測(cè)表面法線方向最大值的 cosθ 倍。 （ 4）、基爾霍夫（ Kirchhoff）輻射定律與 發(fā)射率 ： 實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)際物體的輻射度除了依賴(lài)于溫度和波長(zhǎng)外，還與夠成該物體的材料性質(zhì)及表面狀態(tài)等因素有關(guān)。這里，我們引入一個(gè)隨材料性質(zhì)及表面狀態(tài)變化的輻射系數(shù)，即可把黑體的基本定律應(yīng)用于實(shí)際物體的紅外溫度測(cè)量。而這個(gè)輻射系數(shù)就是常說(shuō)的發(fā)射率，或稱(chēng)之為比輻射率，其定義為實(shí)際物體與同溫度黑體輻射性能之比。 該系數(shù)表示實(shí)際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，其值 在大于 0 和小于 1 的數(shù)值 區(qū)間中 。根據(jù)輻射定律，只要知道了材料的發(fā)射率，就知道了任何物體的紅外輻射特性。影響發(fā)射率的主要因 素有 ：材料種類(lèi)、表面粗糙度、理化結(jié)構(gòu)和材料厚度 等。 因此利用在相同溫度下實(shí)際物體與黑體的輻射出度之比來(lái)表示該物體的一種特性，可以稱(chēng)之為實(shí)際物體的發(fā)射率，也叫做全發(fā)射率，用 ε表示。 數(shù)學(xué)表示為： ε = M / Mo （ 24） 式中： M 為實(shí)際物體的輻射出度， Mo 為相同條件下黑體的輻射出度。 基爾霍夫定律揭示了熱平衡下物體的輻射與吸收的關(guān)系，指出了一個(gè)好的吸收體也是一個(gè)好的輻射體?？梢杂靡韵鹿奖磉_(dá)： ε = α （ 25） 由此可 以看出，任何處于 熱平衡下物體的吸收率等于發(fā)射率，即物體的輻射本領(lǐng)越大其吸收本領(lǐng)也越大。 而為了減少測(cè)量物體溫度的誤差，我們要去除環(huán)境溫度因素的影響，所以修正的紅陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 共 38 頁(yè) 外輻射定律如下： E = σε（ TO4 TA4） （ 26） 式中： E 為輻射出射度數(shù)， 單位 W/m3； σ 為斯蒂芬 — 波爾茲曼常數(shù)， 108W/(m2 K4)； ε為物體的輻射率； TO為物體的溫度，單位 K； TA 為物體周?chē)沫h(huán)境溫度，單位 K；只要測(cè)量出所發(fā)射的 E 的值，就可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的溫度。 利 用這個(gè)原理制成的溫度測(cè)量?jī)x器叫紅外測(cè)溫儀。這種測(cè)量不需要與被測(cè)對(duì)象接觸，因此屬于非接觸式測(cè)溫。在不同的溫度范圍，對(duì)象發(fā)出的電磁波能量的波長(zhǎng)分布不同，在常溫（ 0~100176。C ）范圍，能量主要集中在中紅外和遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)。用于不同溫度范圍和用于不同測(cè)量對(duì)象的儀器，其具體的設(shè)計(jì)也不同。根據(jù)式（ 26）的原理，儀器所測(cè)得的紅外輻射為： E = Aσε1ε2（ TO 4 –TA 4） （ 27） 式中： A 為光學(xué)常數(shù)，與儀器的具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有關(guān)； ε1為被測(cè)對(duì)象的輻射率； ε2為紅外溫度計(jì)的 輻射率； TO為被測(cè)對(duì)象的溫度（ K）； TA 為紅外溫度計(jì)的溫度（ K）；它由一個(gè)內(nèi)置的溫度檢測(cè)元件測(cè)出。所有的物體，包括人體各部位的表面，其 ε值都是某個(gè)大于 0 并小于 的數(shù)值。 其中 紅外測(cè)溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場(chǎng)的大小由測(cè)溫儀的光學(xué)零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測(cè)器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器和信號(hào)處理電路，并按照儀器 相關(guān) 的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值。當(dāng)用紅外輻射測(cè)溫儀測(cè)量目標(biāo)的溫度時(shí) 首先要測(cè)量出目標(biāo)在其波段范圍內(nèi)的紅外輻射量，然后由測(cè)溫儀計(jì)算出被測(cè)目標(biāo)的溫度。單色測(cè)溫儀與波段內(nèi)的輻射量成比例；雙色測(cè)溫儀與兩個(gè)波段的輻射量之比成比例 。 人體紅外測(cè)溫儀的性能指標(biāo)及作用 總 體上 來(lái)說(shuō)，測(cè)溫范圍、顯示 分辨率 、精度、工作環(huán)境溫度范圍、重復(fù)性、相對(duì)濕度、響應(yīng)時(shí)間、電源、響應(yīng)光譜、尺寸、最大值顯示、重量、發(fā)射率等都是紅外線測(cè)溫儀的性能指標(biāo)。 確定測(cè)溫范圍：測(cè)溫范圍是測(cè)溫儀最重要的一個(gè)性能指標(biāo)。每種型號(hào)的測(cè)溫儀都有自己特定的測(cè)溫范圍 。 確定目標(biāo)尺寸 ： 紅外測(cè)溫儀根據(jù)原理可分為單色測(cè)溫儀和雙 色測(cè)溫儀（輻射比色測(cè)溫儀）。對(duì)于單色測(cè)溫儀，在進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，被測(cè)目標(biāo)面積應(yīng)充滿(mǎn)測(cè)溫儀視場(chǎng)。否則背景會(huì)干擾測(cè)溫讀數(shù)，造成誤差。對(duì)于雙色測(cè)溫儀，其溫度是由兩個(gè)獨(dú)立的波長(zhǎng)帶內(nèi)輻射能量的比值來(lái)確定的。 確定距離系數(shù)（光學(xué)分辨率）：距離系數(shù)由 D： S 之比確定，即測(cè)溫儀探頭到目標(biāo)之間的距離 D 與被測(cè)目標(biāo)直徑之比。如果測(cè)溫儀由于環(huán)境條件限制必須安裝在遠(yuǎn)離目標(biāo)之處，而又要測(cè)量小的目標(biāo)，就應(yīng)選擇高光學(xué)分辨率的測(cè)溫儀。光學(xué)分辨率越高，測(cè)陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè) 共 38 頁(yè) 溫儀的成本也越高。 確定波長(zhǎng)范圍 ：目標(biāo)材料的發(fā)射率和表面特性決定測(cè)溫儀的光譜相應(yīng)波長(zhǎng)對(duì) 于高反射率合金材料，有低的或變化的發(fā)射率。 確定響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間表示紅外測(cè)溫儀對(duì)被測(cè)溫度變化的反應(yīng)速度，定義為到達(dá)最后讀數(shù)的 95%能量所需要時(shí)間，它與光電探測(cè)器、信號(hào)處理電路及顯示系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)有 關(guān)。 信號(hào)處理功能：鑒于離散過(guò)程（如零件生產(chǎn)）和連續(xù)過(guò)程不同，所以要求紅外測(cè)溫儀具有多信號(hào)處理功能（如峰值保持、谷值保持、平均值） 。 環(huán)境條件考慮：測(cè)溫儀所處的環(huán)境條件對(duì)測(cè)量結(jié)果有很大影響，應(yīng)予考慮并適當(dāng)解決，否則會(huì)影響測(cè)溫精度甚至引起損壞。 紅外輻射測(cè)溫儀的標(biāo)定：紅外測(cè)溫儀必須經(jīng)過(guò)標(biāo)定才能使它 正確地顯示出被測(cè)目標(biāo)的溫度。 影響溫度測(cè)量的主要因素及修正方法 影響紅外人體測(cè)溫儀的因素有：測(cè)溫目標(biāo)大小與測(cè)溫距離的關(guān)系 、 測(cè)量溫度時(shí)的環(huán)境因素 、 強(qiáng)光背景里目標(biāo)的測(cè)量 和 溫度輸出功能 。 測(cè)溫目標(biāo)大小與測(cè)溫距離的關(guān)系：在不同距離處，可測(cè)的目標(biāo)的有效直徑 D 是不同的，因而在測(cè)量小目標(biāo)時(shí)要注意目標(biāo)距離。 人體 紅外測(cè)溫儀距離系數(shù) K的定義為：被測(cè)目標(biāo)的距離 L與被測(cè)目標(biāo)的直徑 D之比，即 K=L/D。 選擇被測(cè)物質(zhì)發(fā)射率： 人體 紅外測(cè)溫儀一般都是按黑體（發(fā)射率 ? =）分度的，而實(shí)際上，物質(zhì)的發(fā)射率都小于 。因此，在需要測(cè)量目標(biāo)的真實(shí)溫度時(shí)， 必 須設(shè)置發(fā)射率值。物質(zhì)發(fā)射率可從《輻射測(cè)溫中有關(guān)物體發(fā)射率的數(shù)據(jù)》中查得。 測(cè)量溫度時(shí)的環(huán)境因素：測(cè)溫儀所處的環(huán)境條件對(duì)測(cè)量結(jié)果有很大的影響，應(yīng)予考慮并適當(dāng)解決，否則會(huì)影響測(cè)溫精度。本設(shè)計(jì)中正是利用了 PM611 熱釋電紅外線傳感器可以補(bǔ)償溫度起伏的作用，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)溫。 強(qiáng)光背景里目標(biāo)的測(cè)量：若被測(cè)目標(biāo)有較亮背景光（特別是受太陽(yáng)光或強(qiáng)燈直射），則測(cè)量的準(zhǔn)確性將受到影響，因此可用物 體 遮擋直射目標(biāo)的強(qiáng)光以消除背景光干擾。 溫度輸出功能： 首先 模擬信號(hào)輸出 ： 0～ 5V， 1～ 5V， 0～ 10V， 0/4～ 20 毫安，可以加入閉環(huán)控制中。 其次 高報(bào)警、低報(bào)警 :在 生產(chǎn)過(guò)程中要求控制溫度在某個(gè)范圍里 ，可設(shè)置高 ， 低報(bào)警值。高報(bào)警：在高報(bào)警設(shè)置打開(kāi)的情況下，當(dāng)溫度高于高報(bào)警值，相應(yīng)的 LED 燈閃爍，蜂鳴器響，并有 AH常開(kāi)繼電器接通。 由于在溫度測(cè)量時(shí) 是 在不確定的環(huán)境中進(jìn)行的，所以外界環(huán)境會(huì)對(duì)測(cè)溫造成一定的影響，對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差，所以要對(duì)環(huán)境溫度有一個(gè)修正。 由 節(jié)輻射公式可得出熱釋電傳感器的響應(yīng)公式為： 440()aV S T T?? () 式中： S 為與熱釋電響應(yīng)特性及物體表面發(fā)射率有關(guān)的常數(shù)， 0T 為物體表面溫度，aT 為環(huán)境溫度。根據(jù)表達(dá)式 （ ） 可以得到不同的標(biāo)定公式： （ 1） 簡(jiǎn)單關(guān)系式，即 1 / 440 a a aVT T T K VS? ? ? ? （ ） 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) 共 38 頁(yè) 式中：314a aK ST?，應(yīng)用此公式所作的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 1，表中數(shù)據(jù)表明， aK 不僅與 aT 有關(guān)，還與 0T 有關(guān)。 （ 2） 多項(xiàng)式 ， 即 1/440 aVTTS?? （ ） 令 201 aaS a a T aT? ? ? ? （ ） S 取三項(xiàng)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，要使測(cè)溫儀滿(mǎn)足一定的精度， 測(cè)溫時(shí)的 環(huán)境溫度 和 物體表面溫度要在一定的范圍內(nèi)，如環(huán)境溫度 aT =30℃ ，物體表面溫度 在 180℃ 以上時(shí)，讀數(shù)誤差較大。 由下 表 21 可知：首先應(yīng)該對(duì)物體表面溫度分段定標(biāo)，因?yàn)闇y(cè)量范圍較大，所以不同段的標(biāo)定系數(shù)相差很大。實(shí)際應(yīng)用中每隔 5~10℃ 就必須標(biāo)定一個(gè) 系數(shù)，當(dāng)采樣電壓峰值落在此區(qū)間時(shí)就選擇該系數(shù)。然后再根