【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，只要其溫度在絕對零度之上， 都會因自身的分子運動而 產(chǎn)生紅外輻射，紅外輻射的強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，因為自然界中實際存在的任何物體對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基本定律。 （ 1） 輻射的光譜分布規(guī)律 普朗克輻射定律 一個絕對溫度為 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 從實驗上總結(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，就將會引起物體發(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度與觀測方向相對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。因此，實際做紅外檢測時。應(yīng)盡可能選擇在被測表面法線方向進行，如果在與法線成 ? 角方向檢測，則接收到的紅外輻射信號將減弱成法線方向最大值的 ?cos 倍 。 2. 紅外輻射規(guī)律在實際應(yīng)用中的問題 前面所說的輻射定律是對理想輻射源 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。 實驗表明，實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)用于實際物體。這個輻射系數(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 通過實驗發(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 輻射能力越強的物體，其吸收能力也越強 。 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)的實驗測量中，對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，信號強度較低，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 非接觸紅外測溫優(yōu)點如下： 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，它特別適合于對高速運動物體、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、溫度計那樣，需要與被測量體接觸以達到熱平衡，只要接到目標(biāo)的紅外輻射即可測量，其響應(yīng)時間在毫秒甚至微秒數(shù)量級。 3. 靈敏度高 因物體溫度的微小變化會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，可達零點幾攝氏度。 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 。 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。 基于單片機的 智能儀器設(shè)計方法 微電子學(xué)和計算機等現(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，就被引進電子測量和儀器領(lǐng)域，所占比重在各項計算機應(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、價格低等方面的進一步的發(fā)展， 電子測量與儀器和計算機技術(shù)的結(jié)合就愈加緊密，形成了一種全新的微型計算機化儀器。目前，人們習(xí)慣將這種內(nèi)含微型計算機并帶有相關(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 以單片機為核心的智能測量儀器 的基本組成如圖 22 所示。 單片機是儀器 的主體，對于小型儀器來說，單片機內(nèi)部的存儲器已經(jīng)足夠；大型儀器 要進行復(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，這是需要在單片機外部擴展片外存儲器，被測量的模擬信號經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換之后，通過輸入通道進入 單片機內(nèi)部；單片機根據(jù)由鍵盤置入的各種命令，或者送往打印機打印，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 甚至計算機作遠(yuǎn)距離通信，以達到資源共享的目的。 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、廉價的測量儀器的主體。 近 20 年來，由于微電子學(xué)的進步 以及計算機應(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。一個全 CMOS 電路微處理器 MPU 程序存儲器 ROM 數(shù)據(jù)存儲器 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。同時還可以使儀器小型化，便于攜帶。 智能儀器的設(shè)計方法 智能儀器是以微型計算機為核心的電子儀器，它不僅要求設(shè)計者熟悉電子儀器的工 作原理，而且還要求掌握微型計算機硬件和軟件的原理。因而其設(shè)計不能完全沿用傳統(tǒng)電子儀器的設(shè)計方法和手段。 為了保證儀器的質(zhì)量，提高研制效率，設(shè)計人員應(yīng)該在正確的設(shè)計思想指導(dǎo)下，按照一個合理的步驟進行開發(fā)。設(shè)計研制一臺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)計原則和工作內(nèi)容簡要概述如下。 1． 確定設(shè)計任務(wù) 首先根據(jù)儀器最終要實現(xiàn)的設(shè)計目標(biāo)，編寫設(shè)計任務(wù)說明書，明確儀器應(yīng)具備的功能和應(yīng)達到的技術(shù)指標(biāo)。設(shè)計任務(wù)說明書是設(shè)計人員設(shè)計的基礎(chǔ)，應(yīng)力求準(zhǔn)確簡潔。 2．?dāng)M制總體設(shè)計方案 這個階段，設(shè)計者首先依據(jù)設(shè) 計的要求和一些約束條件，提出幾種可能的方案。每個方案應(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；接著要對各方案進行可行性論證，包括對某些重要部分的理論分析與計算以及一些必要的模擬實驗，來驗證方案是否能達到設(shè)計的要求；最后再兼顧各方面因素選擇其中之一作為儀器的設(shè)計方案。在確定儀器總體設(shè)計方案時，微處理器的選擇非常關(guān)鍵。微處理器是整個儀器的核心部件，應(yīng)從功能和性能價格比等多方面進行認(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 干個便于實現(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)計工作就可以齊頭并進。 硬件電路設(shè)計的一般過程是：先根據(jù)儀器硬件框圖按模塊分別對個單元電路進行電路設(shè)計；然后再進行硬件合成，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)成一個完整的整機硬件電路圖。在完成電路設(shè)計之后，即可繪制硬件原理圖，然后進行裝配與調(diào)試。 軟件設(shè)計一般按列步驟進行：即先分析儀器系統(tǒng)對軟件的要求；然后在此基礎(chǔ)上進行軟件總體設(shè)計，包括程序總體及污垢設(shè)計 和對程序進行模塊化設(shè)計，模塊化設(shè)計即將程序劃分為若干個相對獨立的模塊；接著畫出每一個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)計時給出的結(jié)構(gòu)框圖，將各模塊入口、出口及對硬件資源占用情況。 xx 大學(xué)學(xué)士 學(xué)位論文 10 圖 23 設(shè)計研制智能儀器的一般過程 控制芯片 模塊 介紹 從設(shè)計任務(wù)及要求來看，整個設(shè)計要求我們完成一個基于單片機的紅外溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計。這個溫度測量系統(tǒng) 能夠通過按鍵來啟動紅外測溫，之后需要將測溫數(shù)據(jù)送單片機處理，得到溫度值；這一 溫度值又需要顯示并且語音播設(shè)計任務(wù)下達 編寫任務(wù)說明書 擬定總體設(shè)計方案 選擇處理器芯片 權(quán)衡硬、軟件比例 電路硬件設(shè)計 系統(tǒng)軟件設(shè)計 硬件電路調(diào)試 軟件程序調(diào)試 裝配樣機、軟硬聯(lián)調(diào) 樣機性