【文章內容簡介】 的或不可到達的目標溫度。因此，遠紅外測溫技術在工業(yè)領域中的適用范圍很廣并獲得飛速發(fā)展。物體在運動和生產過程中,熱和溫度的變化無處不在,生產中的溫度控制與監(jiān)測比比皆是。各種設備的缺陷和故障都直接或間接與溫度變化相關,而這種溫度的變化往往不能使用常規(guī)的接觸測溫方法監(jiān)測,只適合于非接觸的遠紅外測溫。主要應用于鐵路、石油化工、食品、電力等行業(yè)的溫度檢測、設備故障的診斷，特別適用于高溫和危險場合的顯微和遠距離測溫。表 遠紅外測溫和接觸測溫方式的性能比較遠紅外測溫接觸測溫特點,可測動物體和瞬態(tài)溫度,℃或更小,直徑可達數(shù)微米,測溫要求較簡單、線、面測溫,也可測相對溫度,測溫要求嚴格要求遠紅外測溫儀采用紅外技術，通過測量表征被測溫度的物理參數(shù)來求得被測溫度，它不存在熱接觸和熱平衡帶來的缺點和應有范圍的限制，可快速方便地測量物體的表面溫度。不需機械的接觸被測物體而快速測得溫度讀數(shù)。瞄準后只需按動觸發(fā)器，在LED顯示屏上讀出溫度數(shù)據(jù)。遠紅外測溫儀重量輕、使用安全方便，并能可靠測量熱的、危險的或難以接觸的物體，而不會污染或損壞被測物體。遠紅外測溫儀每秒可測出若干個讀數(shù),而接觸測溫儀做每次測量就需要若干分鐘。遠紅外測溫儀可快速提供溫度測量。紅外測溫技術作為無損檢測眾多方法中的一種，確有其獨特的檢測優(yōu)勢，可完成X射線、超聲波及激光全息檢測等技術無法勝任的檢測。比起接觸式的測溫方法，遠紅外線測溫有著響應時間快、非接觸性、操作安全、靈敏度高、檢測效率高及使用壽命長等優(yōu)點, 通過與接觸測溫的比較可將其優(yōu)點歸納如下：它的測量不干擾被測溫場,不影響溫場的分布,從而具有較高的測量準確度,通常精度都是1%以內。,可以測量相當高的溫度。探測器的響應時間短,反應速度快,易于快速與動態(tài)測量。不必接觸被測物體,操作方便?？梢源_定微小目標的溫度。與此同時，由于任何一種先進的技術方法都不可能完美無瑕的，遠紅外檢測也不例外。目前遠紅外測溫儀存在溫度值確定困難、物體內部狀況難以確定、價格昂貴等問題。上述輻射定律不僅指出了被測物體的紅外輻射與其表面溫度的關系，而且為檢測方向和紅外檢測儀器工作波長范圍的正確選擇提出了原則性的要求。任何紅外檢測，總是希望紅外儀器接收的被測目標紅外輻射信號越大越好。為此，除根據(jù)蘭貝特余弦定律選擇最佳檢測方向以外，還要求根據(jù)目標輻射的光譜分布選擇紅外儀器的響應波長范圍。對于檢測目標溫度在27～227℃（300～500K）之間的電氣設備而言，選擇響應波長為8um～14um的遠紅外儀器最合適；但以檢側500℃及以上目標為主時，則應選用3um～5um的紅外儀器為宜，這樣可以接收較多的目標輻射。遠紅外技術及其原理可理解為其精確的測溫。當使用遠紅外測溫儀測溫時，被測物體發(fā)射出的紅外能量通過遠紅外測溫儀的光學系統(tǒng)在探測器上轉換為電信號，該信號再通過微處理器轉換為相應的溫度值顯示出來。有幾個決定精確測溫的重要因素，最重要的因素是發(fā)射率、溫度范圍、光學分辨率、視場、到光斑的距離和光斑的位置。因此在設計遠紅外測溫儀時要盡可能的解決影響測溫精度的內、外界因素，從而提高測溫儀的信價比，現(xiàn)將主要因素解釋如下:發(fā)射率，所有物體會反射、透過和發(fā)射能量，只有發(fā)射的能量能指示物體的溫度。當紅外測溫儀測量表面溫度時，儀器能接收到所有這三種能量。因此，所有遠紅外測溫儀必須調節(jié)為只讀出發(fā)射的能量。測量誤差通常由其它光源反射的紅外能量引起的。有些遠紅外測溫儀可改變發(fā)射率，物體發(fā)射率的大小與其材料的性質、溫度和表面狀態(tài)直接相關，多種材料的發(fā)射率值可從出版的發(fā)射率表中找到。溫度范圍：本設計的溫度范圍要求達到27～227攝氏度(分段)，溫度范圍應與具體應用的溫度范圍相匹配這是由測溫儀所工作的不同環(huán)境、要求所決定的。 光學分辨率(D:S)：即測溫儀探頭到目標直徑之比。比值越大，分辨率越好，且被測光斑尺寸也就越小。如果測溫儀遠離目標，而目標又小，選擇高分辨率的。目標尺寸：測溫時，被測目標應大于測溫儀的視場，否則測量有誤差。建議被測目標尺寸超過測溫儀視場的50%為好。視場，確保目標大于紅外測溫儀測量時的光斑尺寸，目標越小，就應離它越近。當精度特別重要時，要確保目標至少2倍于光斑尺寸。當用紅外輻射檢測表面溫度與背景溫度很接近的目標時，分辨目標與背景十分困難。但是，只要選擇合適的儀器響應波長范圍，仍可得到目標與背景之間有盡可能高的輻射對比度，從而提高對故障的檢出率。為此，把目標與背景的輻射對比度定義為：= 式（）式中，溫度為的目標光譜輻射度； 溫度為的背景光譜輻射度；由于電氣設備上同種材料構成的不同部位表面(目標與背景)除有微小溫差外,其余特征基本相同。因此，取得目標(故障部位)與背景(良好部位)之間最大對比度的方法是式() 分子差值取最大值。這樣的問題實際上歸結為適當選擇紅外檢測儀器的響應波長，以便使光譜輻射度隨溫度的變化率達到最大值。為此，可將普朗克輻射公式對溫度求偏導。即光譜輻射度對溫度的變化率為：== 式（）由于式（）中的最后近似式，是在通常環(huán)境溫度附近有1，則= 式（）為了求得式（）中的最大值，我們設x= 則：= 式（）將式（）對x求導數(shù)，并令其結果為0，可得x=6再將x=6代回，得=2411（） 式（）即:與光譜輻射度隨溫度變化率達到最大值相應的波長應滿足式（）。對于檢測溫度在27～227℃的電氣設備而言，選擇中心響應波長=8的紅外敏感元件，即使目標與背景溫差較小，也可獲得盡可能高的輻射對比度，使得故障較易識別。當物體溫度高于絕對零度時都可以產生紅外輻射能量，且強度與其溫度成比例。物體溫度越高，所發(fā)出的紅外輻射能量越強。通過測量表征被測物體的物理參數(shù)來求得被測溫度,它不存在熱功當量接觸和熱功當量平衡帶來的缺點和應用范圍的限制。當一個物體本身具有不同于周圍環(huán)境的溫度時，不論物體的溫度高于環(huán)境溫度，還是低于環(huán)境溫度；也不論物體的高溫來自外部熱量的注入，還是由于在其內部產生的熱量造成，都會在該物體內部產生熱量的流動。熱流在物體內部擴散和傳遞的路徑中，將會由于材料或設備的熱物理性質不同，或受阻堆積、或通暢無阻傳遞，最終會在物體表面形成相應的“熱區(qū)”和“冷區(qū)”，從而在物體表面形成不同的溫度分布，而不同的溫度分布狀態(tài)與設備運行狀態(tài)緊密相關，遠紅外測溫技術正是通過對這種紅外輻射能量的測量，測出設備表面的溫度及溫度場的分布，而材料、設備及工程結構等的運行熱狀態(tài)是反映其運行狀態(tài)的一個重要方面，熱狀態(tài)的變化和異常往往是確定被測對象實際工作狀態(tài)及判斷其可靠性的重要依據(jù)，這就是遠紅外測溫技術的基本原理。遠紅外測溫系統(tǒng)由以下幾部分組成：遠紅外透鏡及濾光系統(tǒng)、測試裝置、A/D轉換器、微處理機（單片機）和終端顯示組成。結合紅外測溫的工作原理及實際操作的需要，進行了相關參數(shù)的計算和論證，在確定方案可行的情況下。遠紅外測溫儀系統(tǒng)是集信號采集、數(shù)據(jù)處理、誤差分析、輸出顯示及危險報警為一體的多功能、智能化的測溫系統(tǒng)。而信號采集系統(tǒng)中最重要的是用濾光片收集遠紅外區(qū)域內（8～14um）的光譜，使紅外測溫的波長范圍相對縮小，精度有所提高。因此，遠紅外測溫儀在工業(yè)系統(tǒng)溫度的測量上有更好的應用。隨著現(xiàn)代技術的發(fā)展，紅外測溫儀的設計也越來越先進、品種越來越繁多、功能越來越齊全、價格不斷的趨于穩(wěn)定。具體操作：將遠紅外測溫儀對準被測的物體，按觸發(fā)器啟動單片機，并在儀器的LED上讀出溫度數(shù)據(jù)，保證測溫距離和光斑尺寸之比。使用遠紅外測溫儀時還必須注意：只測量表面溫度，紅外測溫儀不能測量內部溫度。不能透過玻璃進行測溫，玻璃有很特殊的反射和透過特性，不允許精確紅外溫度讀數(shù)。但可通過紅外窗口測溫。紅外測溫儀最好不用于光亮的或拋光的金屬表面的測溫（不銹鋼、鋁等）。定位熱點，要發(fā)現(xiàn)熱點，儀器瞄準目標，然后在目標上作上下掃描運動,直至確定熱點。環(huán)境溫度，如果將紅外測溫儀突然暴露在環(huán)境溫差為20度或更高的情況下，允許儀器在20分鐘內調節(jié)到新的環(huán)境溫度。 遠紅外測溫系統(tǒng)的組成圖遠紅外測溫儀由五部分組成，正常工作時光學系統(tǒng)中的透鏡匯集其視場內的發(fā)熱體所輻射出的紅外輻射能量，并匯集遠紅外波段內的光譜。視場的大小由測溫系統(tǒng)的光學零件及其位置所確定，使后接濾光鏡能接收到更多的能量，從而達到接收信號最大的目的；經匯集以后的遠紅外線通過濾光片的濾波處理，將符合光電檢測器范圍內的理想波長即遠紅外光譜（8～14um）送到光電探測器上并經過A/D轉換器轉變成相應電信號，經放大器處理后，進入低通濾波器中，將高于截止頻率的信號濾除掉，再將此電信號與溫度補償信號一起送入加法器中，將兩者的輸出信號經過相加電路的相加運算后，得到最后的輸出電信號，送到微處理器對數(shù)據(jù)進行分析處理，并轉變?yōu)楸粶y目標的線性溫度信號值；激光器和測距儀是對光電檢測的調節(jié)和輔助作用。紅外激光器是用于測量過程中對被測對象瞄準作用，為了獲得精確的溫度讀數(shù)，測溫儀與電力設備之間的距離必須在合適的范圍之內，共軛光學測距儀是測定儀器到目標的距離，在調測量距離時，應確保目標直徑等于或大于受測的光點尺寸，所謂光點尺寸就是指測量儀測量點的面積。目標越大光點尺寸就應越大，反之，則越小。整個系統(tǒng)還配備了顯示器和RS232（一種接口標準）數(shù)字輸出接口，最終將此溫度值送終端顯示進行顯示輸出或者將異常的溫度數(shù)據(jù)送報警顯示電路啟動報警裝置，提醒工人注意被測物體的溫度出現(xiàn)異常，從而實現(xiàn)保護被測設備和工業(yè)生產控制的自動化和智能化。22本科畢業(yè)設計（論文） 遠紅外測溫儀的硬件電路設計3 遠紅外測溫儀的硬件電路設計 遠紅外探測器的一般組成遠紅外探測器一般由光學系統(tǒng)、敏感元件、前置放大器和信號調制器組成。光學系統(tǒng)是遠紅外探測器的重要組成部分。根據(jù)光學系統(tǒng)的結構分為反射式光學系統(tǒng)的遠紅外探測器和透射式光學系統(tǒng)的遠紅外探測器兩種。對于反射式光學系統(tǒng)的紅外探測器的結構，它由凹面玻璃反射鏡組成，其表面鍍金、鋁和鎳鉻等紅外波段反射率很高的材料構成反射式光學系統(tǒng)。為了減小像差或使用上的方便，常另加一片次鏡，使目標輻射經兩次反射聚集到敏感元件上，敏感元件與透鏡組合在一起，前置放大器接收熱電轉換后的電信號，并對其進行放大。本設計中主要使用透射式光學系統(tǒng)的遠紅外探測器。透射式光學系統(tǒng)的部件用紅外光學材料做成，不同的紅外光波長應選用不同的紅外光學材料：在測量700℃以上的高溫時，～3um范圍內的近紅外光，用一般光學玻璃和石英等材料作透鏡材料；當測量100～700℃范圍內的溫度時，一般用3～5um的中紅外光，多用氟化鎂、氧化鎂等熱敏材料；當測量100℃以下的溫度用波長為5～14um的中遠紅外光，多采用鍺、硅、硫化鋅等熱敏材料。三個范圍內的波長遠紅外光其測量的溫度相對較低，同時對儀器的損壞了相對較小，而遠紅外測溫儀最適合的工作波長是8～14um，因此，在選用波段時應充分考慮遠紅外測溫儀的工作波長而選擇第三段。獲取透射紅外光的光學材料一般比較困難，反射式光學系統(tǒng)可避免這一困難，所以，反射式光學系統(tǒng)用得較多。 透射式遠紅外探測器示意圖遠紅外測溫儀系統(tǒng)是一個有機的整體，并能對各種信息進行快捷的處理和顯示，因此,在進行信號接收時首先利用遮光板對被測物體所發(fā)出的紅外輻射能量進行有選擇的吸收，主要吸收其中的遠紅外光譜。而遮光孔的大小由單片機輸出控制信號控制電機的轉動與否來帶動遮光板旋轉。經選擇吸收的遠紅外輻射光信號通過敏感元件的轉換成與之相應的電信號并送到放大器進行放大處理，再經濾波器的濾波處理成所需要的電信號送到加法器運算，最后送到顯示輸出端顯示，但是在進行加法運算時要利用溫度補償部分對所輸出的數(shù)據(jù)進行補償，以實現(xiàn)被測物體溫度值與顯示輸出的線性關系，從而實現(xiàn)測溫儀的智能化控制。 紅外測溫部份處理裝置的原理框圖遠紅外測溫儀的探頭部分的方框圖是一個包括光、機、電一體化的紅外測溫系統(tǒng)，利用熱輻射體在遠紅外波段的輻射能量來測量溫度，由測溫傳感器、放大單元、濾波單元及加法單元、溫度補償單元組成。測溫傳感器為一暗盒，盒內固定熱釋電探測器件，前方有遮光板，電動機帶動遮光板旋轉，將被測的紅外輻射調制成交變的紅外輻射線，紅外測溫裝置通過光電敏感元件將遠紅外輻射能變換為電信號輸出，溫度補償二極管也固定在盒內；放大單元是選用集成運放作為模擬放大器,且運放工作于線性放大區(qū)，電路的輸出與輸入之間存在一一對應的關系, 反饋信號通過反饋電阻送到輸入端,即利用電壓本身的變化量通過反饋網絡對放大電路起自動調整作用,最終達到放大并穩(wěn)定輸出電壓的作用；濾波單元采用集成運放組成的有源濾波器, 由兩節(jié)RC濾波電路和反相比例放大電路所組成, 開環(huán)電壓增益的輸入阻抗很高，輸出阻抗較低,而且具有一定的電壓放大和緩沖作用；溫度補償單元采用二極管溫度補償電路,利用半導體受到外界的光和熱的刺激時，其導電性能將會發(fā)生其顯著變化，在將二極管的溫度補償信號經差動放大以補償環(huán)境溫度的影響。電子系統(tǒng)為降低運行成本一般使用220V/50HZ工頻交流市電，而電子電路及設備內部使用的一般都需要穩(wěn)定的直流電源供電，因此，需要將交流電換成直流電。將交流電變換成穩(wěn)恒直流電的設備稱為穩(wěn)壓電源，直流電源的輸入為220V的電網電壓(即市電)，一般情況下，所需直流電壓的數(shù)值和電網的有效值相差較大，因而需要通過電源變壓器降壓后，再對交流電壓進行處理。穩(wěn)壓電源依據(jù)其工作原理的不同又可分為線性穩(wěn)壓電源和開關穩(wěn)壓電源，本系統(tǒng)對電源的要求并不是很高，所以本系統(tǒng)選用串聯(lián)型穩(wěn)壓電源。在工作過程中調整管始終正常工作，所謂正常工作，是指在輸入電壓波動和輸出電壓改變時調整管應始終工作在放大狀態(tài)，即工作在線性放大區(qū)。分析電路的工作情況可知，在輸入電壓最低且輸出電壓最高時管壓降最小，若此時管