【文章內(nèi)容簡介】 3 20 1000? m 宇宙射線 xx 大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 5 光譜區(qū)中位于可見光之外，是一種不可見光。和所有的電磁波一樣，它也具有反射、折射、干涉、吸收等性質(zhì)。自然界中任何物體，只要其溫度在絕對(duì)零度之上， 都會(huì)因自身的分子運(yùn)動(dòng)而 產(chǎn)生紅外輻射，紅外輻射的強(qiáng)度與物體的溫度及表面的輻射能力有關(guān)。 1. 紅外輻射的發(fā)射及其規(guī)律 先簡單介紹一下 黑體的紅外輻射規(guī)律 。 所謂黑體，簡單講就是在任何 情 況 下 對(duì)一切波長的入射輻射吸收率都等于 1 的物體，也就是說全吸收。顯然，因?yàn)樽匀唤缰袑?shí)際存在的任何物體對(duì)不同波長的入射輻射都有一定的反射 （ 吸收率不等于 1） ，所以，黑體只是人們抽象出來的一種理想化的物體模型。但黑體熱輻射的基本規(guī)律是紅外研究及應(yīng)用的基礎(chǔ)，它揭示了黑體發(fā)射的紅外熱輻射隨溫度及波長變化的定量關(guān)系。下面，我著重介紹其中的三個(gè)基本定律。 （ 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 ? 附近單位波長間隔內(nèi)向整個(gè)半球空間發(fā)射的輻射功率 (簡稱為光譜輻射度 ) ),( TM? 與波長 ? 、溫度 T 滿足下列關(guān)系 見式 （ 2— 1） ： 11),( 12 ????????? ?? TCT eCM ?? （ 2— 1） 式中 1C ， 2C 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) 。 （ 2）斯蒂芬 — 玻爾茲曼定律： 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。數(shù)學(xué)表示 見式 （ 2— 2） ： 4TW ??? （ 2— 2） 其中： 428 / Kmw ??? ?? ， 為 StefanBoltzmann 常數(shù)， ? 為材 料表面發(fā)射率 。 1879 年斯蒂芬 從實(shí)驗(yàn)上總結(jié)而得到該公式， 1884 年玻耳茲曼從理論上證明了它。 斯蒂芬 玻耳茲曼定律表明，凡是溫度高于開氏零度的物體都會(huì)自發(fā)地向外發(fā)射紅外熱輻射，而且，黑體單位表面積發(fā)射的總輻射功率與開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)，就將會(huì)引起物體發(fā)射的輻射功率很大變化。那么，我們可以想象一下，如果能探測到黑體的單位表面積發(fā)射的總輻射功率，不是就能確定黑體的溫度了嗎？因此，斯蒂芬 玻耳茲曼定律是所有紅外測溫的基礎(chǔ)。 （ 3） 輻射的空間分部規(guī)律 —— 朗伯余弦定律 所謂朗伯余弦 定律，就是黑體在任意方向上的輻射強(qiáng)度與觀測方向相對(duì)于輻射表面法線夾角的余弦成正比 見式 （ 2— 3） ： ?? cos0II ? （ 2— 3） xx 大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 6 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)際做紅外檢測時(shí)。應(yīng)盡可能選擇在被測表面法線方向進(jìn)行，如果在與法線成 ? 角方向檢測，則接收到的紅外輻射信號(hào)將減弱成法線方向最大值的 ?cos 倍 。 2. 紅外輻射規(guī)律在實(shí)際應(yīng)用中的問題 前面所說的輻射定律是對(duì)理想輻射源 黑體而言的，黑體的發(fā)射系數(shù)為 1。 自然界中存在的實(shí)際物體，幾乎都不是黑體，它們的發(fā)射系數(shù)都小于 1。這些物體與黑體的差別就體現(xiàn)在發(fā)射率、反射率及透射率上。我們知道，自然界充滿著電磁輻射，一切物體都處于電磁輻射之中，一切物體都在不斷地輻射、吸收、反射或透過紅外輻射。根據(jù)基爾霍夫定律，在熱平衡狀態(tài)下，物體輻射的功率等于它吸收的功率。物體的輻射率、反射率和透過率總和為 1。用公式表示，即 E+R+T=1,E 為發(fā)射率， R為反射率， T為透射率。 實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)際物體的輻射度除了依賴于溫度和波長外，還與構(gòu)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)，則就可把黑體的基本定律應(yīng)用于實(shí)際物體。這個(gè)輻射系數(shù)，就是常說的 發(fā)射 率，或稱之為比輻射率，其定義為實(shí)際物體與同溫度黑體輻射性能之比。 德國物理學(xué)家基爾霍夫 通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)： 在相同的溫度下，各種物體在同一波長的發(fā)射率與吸收 率的比值都相等，并等于該溫度下黑體在同一波長的發(fā)射率。數(shù)學(xué)表示 見式（ 2— 4） ： ),(),( ),( 0 TeTTe ??? ? ? （ 2— 4） 其中 λ 為波長、 T 為物體絕對(duì)溫度， ),(0 Te ? 表示黑體在特定溫度和波長下的本領(lǐng)，為常數(shù)。該定律指出物體發(fā)射本領(lǐng)和吸收率之間的普遍關(guān)系，通俗地說就是 輻射能力越強(qiáng)的物體，其吸收能力也越強(qiáng) 。 物體的輻射出射度 M(T)和吸收本領(lǐng) ? 的比值 M/? 與物體的性質(zhì)無關(guān)，等于同一溫度下黑體的輻射出射度 M0(T)。其表明，吸 收本領(lǐng)大的物體，其發(fā)射本領(lǐng)大，如果該物體不能發(fā)射某一波長的輻射能，也決不能吸收此波長的輻射能。 3. 生物波譜 生物波譜又稱生物頻譜， 是生物自身發(fā)出的生物物理信息的光波或頻率 的 綜合稱謂， 它構(gòu)成生物體周圍的生物信息場。科學(xué)研究表明，生物體（包括人體）可產(chǎn)生溫度場、電場和磁場等，統(tǒng)稱為生物信息場，可以用物理學(xué)中的電磁波譜頻率或波長、溫度等物理因子來表述。 生物波譜的波長覆蓋范圍在電磁波譜中的紫外線到弱微波之間，人體的生物波譜則主要在紅外線到弱微波區(qū)域，尤其集中在紅外線波段范圍。因此它遵循電磁波的一切特性。 生物波譜 的這種物理信息的存在、變化是與生物體自身功能狀態(tài)密切相關(guān)的，同樣可以反映生物體的健康狀態(tài)。 xx 大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 7 在人體生物信息場已知物理參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測量中，對(duì)輻射能量比較集中的波譜分布，取得比較一致的數(shù)值結(jié)果， 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)?；铙w皮膚光譜范圍約為 350? m，其中 814? m 波段的輻射量占總能量的 46%，峰值波長約為 ? m，雖然人體生物波譜分布范圍較寬，從 可見光到微波波段，但在非能量集中區(qū)域，信號(hào)強(qiáng)度較低，尤其在遠(yuǎn)端的數(shù)值極其微弱。 經(jīng)科學(xué)檢測，不管人的膚色如何，干燥皮膚的紅外輻射率 (emissivity)均為,近似為黑體。根據(jù) 普朗克 定律，其波長主要分布在 ? m 紅外波段范圍內(nèi)，根據(jù) Wien 定律 λmT＝ 2898（ Kμm），人體皮膚輻射的峰值波長約? m 。 非接觸紅外測溫優(yōu)點(diǎn) 非接觸紅外測溫優(yōu)點(diǎn)如下： 1. 遠(yuǎn)距離和非接觸測量 紅外 測溫不需要與被 測溫度場的內(nèi)部或表面 ， 因此，不會(huì)干擾被測溫度場的狀態(tài)，測溫儀本身也不受溫度場的損傷。 并可遠(yuǎn)距離測量，它特別適合于對(duì)高速運(yùn)動(dòng)物體、旋轉(zhuǎn)體、帶電體和高溫高壓下物體的溫度測量。 2. 響應(yīng)速度快 紅外測溫不象熱電偶、溫度計(jì)那樣，需要與被測量體接觸以達(dá)到熱平衡，只要接到目標(biāo)的紅外輻射即可測量，其響應(yīng)時(shí)間在毫秒甚至微秒數(shù)量級(jí)。 3. 靈敏度高 因物體溫度的微小變化會(huì)引起輻射功率的較大變化，容易被探測器探出，故紅外測溫的可測溫差很小，可達(dá)零點(diǎn)幾攝氏度。 4. 準(zhǔn)確度高 紅外測溫是非接觸測量，不破壞物體本身的溫度分布，因 而所測溫度真是、準(zhǔn)確、誤差可達(dá) 。 5. 測溫范圍廣 測溫范圍可從負(fù)幾十?dāng)z氏度到正幾千攝氏度 【 4】 。 因其是非接觸測溫，所以測溫系統(tǒng)并不處在較高或較低的溫度場中，而是工作在正常的溫度或測量系統(tǒng)允許的條件下。 基于單片機(jī)的 智能儀器設(shè)計(jì)方法 微電子學(xué)和計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代電子技術(shù)的成就給傳統(tǒng)的電子測量與儀器帶來了巨大的沖擊和革命的影響。微處理器在 20 世紀(jì) 70 年代初期問世不久，就被引進(jìn)電子測量和儀器領(lǐng)域，所占比重在各項(xiàng)計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中名列前茅。在這之后，隨著微處理器在體積小、功能強(qiáng)、價(jià)格低等方面的進(jìn)一步的發(fā)展， 電子測量與儀器和計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合就愈加緊密，形成了一種全新的微型計(jì)算機(jī)化儀器。目前，人們習(xí)慣將這種內(nèi)含微型計(jì)算機(jī)并帶有相關(guān)通信接口的電子儀器稱為智能儀器，以區(qū)別于傳統(tǒng)的電子儀器 【 5】 。 xx 大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 8 智能儀器的組成及特點(diǎn) 以單片機(jī)為核心的智能測量儀器 的基本組成如圖 22 所示。 單片機(jī)是儀器 的主體，對(duì)于小型儀器來說，單片機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器已經(jīng)足夠；大型儀器 要進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，或者要完成復(fù)雜的控制功能，其監(jiān)控程序較大，測量、處理的數(shù)據(jù)很多，這是需要在單片機(jī)外部擴(kuò)展片外存儲(chǔ)器，被測量的模擬信號(hào)經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換之后，通過輸入通道進(jìn)入 單片機(jī)內(nèi)部；單片機(jī)根據(jù)由鍵盤置入的各種命令，或者送往打印機(jī)打印，或者經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換后成為能夠完成某種控制的模擬電壓 。通信接口的功能是通過接口總線與其他儀器 甚至計(jì)算機(jī)作遠(yuǎn)距離通信，以達(dá)到資源共享的目的。 圖 22 智能儀器通用結(jié)構(gòu)框圖 現(xiàn)在傳感器也正在受著微電子技術(shù)的影響，不斷發(fā)展變化。傳感器正朝著小型、固態(tài)、多功能和集成化的方向發(fā)展。有許多國家正致力于將微處理器與傳感器集成于一體，以構(gòu)成超小型、廉價(jià)的測量儀器的主體。 近 20 年來，由于微電子學(xué)的進(jìn)步 以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用的日益廣泛，智能化測量控制儀表已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展。從技術(shù)背景上來說，硬件集成電路的不斷發(fā)展和創(chuàng)新是一個(gè)重要因素，各種集成電路芯片都在朝大規(guī)模、全 CMOS 化的方向發(fā)展。 CMOS 電路具有功耗低、工作溫度范圍寬的特點(diǎn)。一個(gè)全 CMOS 電路微處理器 MPU 程序存儲(chǔ)器 ROM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM I/O 接口 鍵盤顯示接口 標(biāo)準(zhǔn)儀用 通信接口 A/D 轉(zhuǎn)換器 D/A 轉(zhuǎn)換 器 鍵 盤 顯 示 外部儀用 標(biāo)準(zhǔn)總線 輸入 電路 模擬 執(zhí)行器 被測量 xx 大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 9 系統(tǒng)的功耗只是普通 TTL 系統(tǒng)功耗的 1/10，采用這種 CMOS 芯片組成的智能化測量控制儀表可以采用干電池供電，從根本上解決了市電干擾的問題。同時(shí)還可以使儀器小型化，便于攜帶。 智能儀器的設(shè)計(jì)方法 智能儀器是以微型計(jì)算機(jī)為核心的電子儀器，它不僅要求設(shè)計(jì)者熟悉電子儀器的工 作原理，而且還要求掌握微型計(jì)算機(jī)硬件和軟件的原理。因而其設(shè)計(jì)不能完全沿用傳統(tǒng)電子儀器的設(shè)計(jì)方法和手段。 為了保證儀器的質(zhì)量，提高研制效率，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該在正確的設(shè)計(jì)思想指導(dǎo)下，按照一個(gè)合理的步驟進(jìn)行開發(fā)。設(shè)計(jì)研制一臺(tái)智能儀器的一般開發(fā)過程如圖 23 所示。各主要階段的設(shè)計(jì)原則和工作內(nèi)容簡要概述如下。 1． 確定設(shè)計(jì)任務(wù) 首先根據(jù)儀器最終要實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，編寫設(shè)計(jì)任務(wù)說明書，明確儀器應(yīng)具備的功能和應(yīng)達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)。設(shè)計(jì)任務(wù)說明書是設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，應(yīng)力求準(zhǔn)確簡潔。 2．?dāng)M制總體設(shè)計(jì)方案 這個(gè)階段，設(shè)計(jì)者首先依據(jù)設(shè) 計(jì)的要求和一些約束條件，提出幾種可能的方案。每個(gè)方案應(yīng)包括儀器的工作原理，采用的技術(shù)，重要元器件的性能等；接著要對(duì)各方案進(jìn)行可行性論證，包括對(duì)某些重要部分的理論分析與計(jì)算以及一些必要的模擬實(shí)驗(yàn)，來驗(yàn)證方案是否能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求；最后再兼顧各方面因素選擇其中之一作為儀器的設(shè)計(jì)方案。在確定儀器總體設(shè)計(jì)方案時(shí)，微處理器的選擇非常關(guān)鍵。微處理器是整個(gè)儀器的核心部件，應(yīng)從功能和性能價(jià)格比等多方面進(jìn)行認(rèn)真考慮。 3．確定儀器工作總框圖 當(dāng)儀器總體方案和選用的微處理器的種類確定之后，就應(yīng)該采用自上而下的方法，把儀器劃分成若 干個(gè)便于實(shí)現(xiàn)的功能模塊，并分別繪制出相應(yīng)的硬件和軟件工作框圖。 4． 硬件電路和軟件的設(shè)計(jì)與調(diào)試 一旦儀器工作總框圖確定之后，硬件電路和軟件的設(shè)計(jì)工作就可以齊頭并進(jìn)。 硬件電路設(shè)計(jì)的一般過程是：先根據(jù)儀器硬件框圖按模塊分別對(duì)個(gè)單元電路進(jìn)行電路設(shè)計(jì)；然后再進(jìn)行硬件合成，即將各單元電路按硬件框圖將各部分電路組合在儀器，構(gòu)成一個(gè)完整的整機(jī)硬件電路圖。在完成電路設(shè)計(jì)之后，即可繪制硬件原理圖，然后進(jìn)行裝配與調(diào)試。 軟件設(shè)計(jì)一般按列步驟進(jìn)行：即先分析儀器系統(tǒng)對(duì)軟件的要求；然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件總體設(shè)計(jì)，包括程序總體及污垢設(shè)計(jì) 和對(duì)程序進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，模塊化設(shè)計(jì)即將程序劃分為若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的模塊；接著畫出每一個(gè)專用程序模塊的詳細(xì)流程圖，并選擇合適的語言編寫程序；最后按照軟件總體設(shè)計(jì)時(shí)給出的結(jié)構(gòu)框圖，將各模塊入口、出口及對(duì)硬件資源占用情況。 xx 大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 10 圖 23 設(shè)計(jì)研制智能儀器的一般過程 控制芯片 模塊 介紹 從設(shè)計(jì)任務(wù)及要求來看，整個(gè)設(shè)計(jì)要求我們完成一個(gè)基于單片機(jī)的紅外溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。這個(gè)溫度測量系統(tǒng) 能夠通過按鍵來啟動(dòng)紅外測溫，之后需要將測溫?cái)?shù)據(jù)送單片機(jī)處理，得到溫度值；這一 溫度值又需要顯示并且語音播設(shè)計(jì)任務(wù)下達(dá) 編寫任務(wù)說明書 擬定總體設(shè)計(jì)方案 選擇處理器芯片 權(quán)衡硬、軟件比例 電路硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 硬件電路調(diào)試 軟件程序調(diào)試 裝配樣機(jī)、軟硬聯(lián)調(diào) 樣機(jī)性