【導(dǎo)讀】的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以。對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個人或集體，均。已在文中作了明確的說明并表示了謝意。了遠(yuǎn)紅外測溫儀的設(shè)計。紅外測溫儀是利用紅外傳感器對電力設(shè)備運行時的熱輻。之相對應(yīng)大小的溫度值顯示輸出。將有用信息保存下來并傳送給控制中心，電力。設(shè)備運行過程中的臨界溫度通過軟件編程的方式寫入單片機中。對具體情況采取相應(yīng)對策。如果被測物體的溫度低于所設(shè)定的臨界溫度值，紅外。測溫儀將正常工作。反之，系統(tǒng)則發(fā)出報警信號啟動報警裝置，提醒操作人員采

　　

【正文】 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(xué)分辨率 、 視場、到光斑的距離和光斑的位置。 因此在設(shè)計 遠(yuǎn) 紅外測溫儀 時要盡可能的解決影響測溫精度的內(nèi)、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(dāng)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(yuǎn) 紅外測溫儀必須調(diào)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(yuǎn) 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(zhì)、溫度和表面狀態(tài)直接相關(guān)， 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(shè)計 的溫度范圍 要求達(dá)到 27～ 227 攝氏 度 (分段 )，溫度范圍應(yīng)與具體應(yīng)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。 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 遠(yuǎn)紅外測溫原理 12 光學(xué)分辨率 (D:S)：即測溫儀探頭到目標(biāo)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(yuǎn)離目標(biāo)，而目標(biāo)又小，選擇高分辨率的。 目標(biāo)尺寸：測溫時，被測目標(biāo)應(yīng)大于測溫儀的視場，否則測量有誤差。建議被測目標(biāo)尺寸超過測溫儀視場的 50%為好。 視場，確保目標(biāo)大 于紅外測溫儀測量時的光斑尺寸，目標(biāo)越小，就應(yīng)離它越近。當(dāng)精度特別重要時，要確保目標(biāo)至少 2倍于光斑尺寸。 最大輻射對比度 當(dāng)用紅外輻射檢測表面溫度與背景溫度很接近的目標(biāo)時，分辨目標(biāo)與背景十分困難。但是，只要選擇合適的儀器響應(yīng)波長范圍，仍可得到目標(biāo)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(biāo)與背景的輻射對比度 RC 定義為： RC = )( )()(bbt TM TMTM??? ? 式 （ ） 式中， )( tTM? 溫度為 )(KTt 的目標(biāo)光譜輻射度； )( bTM? 溫度為 )(KTb 的背景光譜輻射度； 由于電氣設(shè)備上同種材料構(gòu)成的不同部位表面 (目標(biāo)與背景 )除有微小溫差外 ,其余特征基本相同。因此，取得目標(biāo) (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(jié)為適當(dāng)選擇紅外檢測儀器的響應(yīng)波長，以便使光譜輻射度隨溫度的變化率達(dá)到最大值。為此，可將普朗克輻射公式對溫度 T 求偏導(dǎo)。即光譜輻射度對溫度的變化率為： TTM?? ）（ = 22251)1()(22??TcTceTcec?? ??=2221 1)( TceTM Tc ??? ???22)( TcTM ?? 式 （ ） 由于式（ ）中的最后近似式，是在通常 環(huán)境溫度附近有 Tce?2 1，則 TTM?? ）（? = 2251 2 Tcec Tc ?? ? ?? 式 （ ） 為了求得式（ ）中 TTM?? ）（? 的最大值，我們設(shè) x= Tc?2 則： TTM?? ）（? = ??ecTc 65241 式 （ ） 將式（ ）對 x 求導(dǎo)數(shù)，并令其結(jié)果為 0，可得 x=6 再將 x=6 代回 T? ，得 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 遠(yuǎn)紅外測溫原理 13 CCT? =2411（ Km?? ） 式 （ ） 即 :與光譜輻射度隨溫度變化率達(dá)到最大值相應(yīng)的波長 c? 應(yīng)滿足式（ ）。對于檢測溫度在 27～ 227℃的電氣設(shè)備而言，選擇中心響應(yīng)波長 c? =8 m? 的紅外敏感元件，即使目標(biāo)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。 遠(yuǎn) 紅外測溫的原理 當(dāng)物體 溫度高于絕對零度 時 都可以產(chǎn)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(dāng)量接觸和熱功當(dāng)量平衡帶來的缺點和應(yīng)用范圍的限制 。 當(dāng)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(nèi)部產(chǎn)生的熱量造成，都會在該物體內(nèi)部產(chǎn)生熱量的流動。熱流在物體內(nèi)部擴散和傳遞的路徑中，將會由于材料或設(shè)備的熱物理性質(zhì)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(yīng)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(shè)備運行狀態(tài)緊密相關(guān)， 遠(yuǎn)紅外測溫技術(shù)正是通過對這種紅外輻射能量的測量，測出設(shè)備表面的溫度及溫度場的分布，而材料、設(shè)備及工程結(jié)構(gòu)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(yuǎn) 紅外測溫技術(shù)的基本原理。 遠(yuǎn) 紅外測溫原理框圖 遠(yuǎn) 紅外測溫系統(tǒng)的組成圖 遠(yuǎn)紅外 測溫系統(tǒng)由以下幾部分組成： 遠(yuǎn) 紅外透鏡及濾光系統(tǒng)、測試裝置、 A/D轉(zhuǎn)換器、微處理機（單片機）和終端顯示組成。結(jié)合紅外測溫的工作原理及實際操作的需要，進(jìn)行了相關(guān)參數(shù)的計算和論證，在確定方案可行的情況下，最后得出遠(yuǎn)紅外測溫儀系統(tǒng)的原理框圖如圖 。 遠(yuǎn) 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(yuǎn)紅外區(qū)域內(nèi)（ 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(yuǎn)紅外測溫儀在工業(yè)系統(tǒng)溫度的測量上有更好的應(yīng)用。 隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，紅外測溫儀的設(shè)計也越來越先進(jìn)、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(yuǎn) 紅外測溫儀對準(zhǔn) 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(yuǎn) 紅外測溫儀時本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 遠(yuǎn)紅外測溫原理 14 還必須注意 ： 只測量表面溫度，紅外測溫儀不能測量內(nèi)部溫度。 不能透過玻璃進(jìn)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(zhǔn)目標(biāo)，然后在目標(biāo)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(nèi)調(diào)節(jié)到新的環(huán)境溫度。 圖 遠(yuǎn) 紅外測溫系統(tǒng)的組成圖 工作原理 遠(yuǎn) 紅外測溫儀由 五 部分組成 ， 正常工作時光學(xué)系統(tǒng)中的透鏡匯集其視場內(nèi)的發(fā)熱體所輻射出的紅外輻射能量， 并匯集遠(yuǎn)紅外波段 內(nèi)的光譜。 視場的大小由測溫系統(tǒng)的光學(xué)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(dá)到接收信號最大的目的；經(jīng)匯集以后的 遠(yuǎn) 紅外線通過濾光片的濾波處理，將符合光電檢測器 范圍內(nèi) 的理想波長 即遠(yuǎn)紅外光譜（ 8～ 14um） 送到光電探測器上并經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變成相應(yīng)電信號， 經(jīng)放大器處理后，進(jìn)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(jīng)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(jìn)行分析處理，并 轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標(biāo)的線性溫度信號值 ； 激光器 和測距儀是對光電檢測的調(diào)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(zhǔn)作用，為了獲得精確的溫度讀數(shù)，測溫儀與電力設(shè)備之間的距離必須在合適的范圍之內(nèi)，共軛光學(xué)測距儀是測定儀器到目標(biāo)的距離，在調(diào)測量距離時，應(yīng)確保目標(biāo)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(biāo)越大光點尺寸就應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)）數(shù)字輸出接口，最終將此溫度值送終端顯示進(jìn)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(hù)被測設(shè)備和 工業(yè)生產(chǎn)控制的自動化和智能化。 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 遠(yuǎn)紅外測溫儀的硬件電路設(shè)計 15 3 遠(yuǎn) 紅外測溫 儀的硬件 電路設(shè)計 遠(yuǎn) 紅外傳感器的設(shè)計 遠(yuǎn) 紅外探測器的一般組成 遠(yuǎn) 紅外探測器一般由光學(xué)系統(tǒng)、敏感元件、前置放大器和信號調(diào)制器組成。光學(xué)系統(tǒng)是 遠(yuǎn) 紅外探測器的重要組成部分。根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為反射式光學(xué)系統(tǒng)的 遠(yuǎn) 紅外探測器和透射式光學(xué)系統(tǒng)的 遠(yuǎn) 紅外探測器兩種。 對于反射式光學(xué)系統(tǒng)的紅外探測器的結(jié)構(gòu)，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(gòu)成反射式光學(xué)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(biāo)輻射經(jīng)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(zhuǎn)換后的電信號，并對其進(jìn)行放大。 本設(shè)計中主要使用透射式光學(xué)系統(tǒng)的 遠(yuǎn) 紅外探測器，其原理圖如圖 。透射式光學(xué)系統(tǒng)的部件用紅外光學(xué)材料做成，不同的紅外光波長應(yīng)選用不同的紅外光學(xué)材料：在測量 700℃ 以上的高溫時，用波長為 ～ 3um 范圍內(nèi)的近紅外光，用一般光學(xué)玻璃和石英等材料作透鏡材料；當(dāng)測量 100～ 700℃ 范圍內(nèi)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(dāng)測量 100℃ 以下的溫度用波長為 5～ 14um 的中遠(yuǎn)紅外光，多采用鍺、硅、硫化鋅等熱敏材料。 三個范圍內(nèi)的波長遠(yuǎn)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(yuǎn)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(yīng)充分考慮遠(yuǎn)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(xué)材料一般比較困難，反射式光學(xué)系統(tǒng)可避免這一困難，所以，反射式光學(xué)系統(tǒng)用得較多。 圖 透射式 遠(yuǎn) 紅外探測器示意圖 測溫 部分模塊分析 遠(yuǎn) 紅外測溫儀 系統(tǒng) 是一個有機的整體，并能對各種信息進(jìn)行快捷的處理和顯示，因此 ,在進(jìn)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(jìn)行有選擇的吸收， 主要吸收其中的遠(yuǎn)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(zhuǎn)動與否來帶動遮光板旋轉(zhuǎn)。經(jīng)選擇吸收的 遠(yuǎn) 紅外輻射光信號本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 遠(yuǎn)紅外測溫儀的硬件電路設(shè)計 16 通過敏感元件的轉(zhuǎn)換成與之相應(yīng)的電信號并送到放大器進(jìn)行放大處理，再經(jīng)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(jìn)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(jìn)行補償，以實現(xiàn)被測物體溫度值與顯示輸出的線性關(guān)系，從而實現(xiàn)測溫儀的智能化控制，據(jù)此原理得出 遠(yuǎn) 紅外測溫 儀的 部份處理 裝置的原理框圖如圖 。 圖 紅外測溫 部份處理 裝置的原理框圖 遠(yuǎn) 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(yuǎn) 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(nèi)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(zhuǎn)，將被測的紅外輻射調(diào)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(yuǎn) 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(nèi)；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(yīng)的關(guān)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(wǎng)絡(luò)對放大電路起自動調(diào)整作用 ,最終達(dá)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(dǎo)體受到外界的光和熱的刺激時，其導(dǎo)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(jīng)差動放大以補償環(huán)境溫度的影響。 電源的設(shè)計 電源的方 案設(shè)計 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 電路及本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 遠(yuǎn)紅外測溫儀的硬件電路設(shè)計 17 設(shè)備內(nèi)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(shè)備稱為穩(wěn)壓電源， 直流電源的輸入為 220V 的電網(wǎng)電壓 (即市電 )，一般情況下，所需直流電壓的數(shù)值和電網(wǎng)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(jìn)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(guān)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(diào)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(diào)整管應(yīng)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，若此時管壓降大于飽和管壓降，在其它情況下管子一定會工作在放大區(qū)。 串聯(lián)型 穩(wěn)壓電源的優(yōu)良性能是具有較高的穩(wěn)定度和負(fù)載穩(wěn)定度，同時具備輸出的紋波電壓 小、瞬態(tài)響應(yīng)速度快、線路結(jié)構(gòu)簡單、便于維護(hù)、沒有開關(guān)干擾等優(yōu)點， 其工作原理 方 框圖如圖 所示。 因此，實用型串聯(lián)穩(wěn)壓電路至少包含調(diào)整管 T、基準(zhǔn)電壓電路、取樣電路和比較放大電路四個部分組成。此外，為了使電路安全工 作，還可以在電路中加保護(hù)電路并且接到調(diào)整管的基極上。 圖 線性穩(wěn)壓電源的原理 方 框圖 電源的電路圖及工作原理 為了使輸出電壓可調(diào)，也為了加深電壓負(fù)反饋，可在基本調(diào)整管穩(wěn)壓電路的基礎(chǔ)上引入放大環(huán)節(jié)。 具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型 穩(wěn)壓電路的單元電路圖如圖 所示，下面就各部分的作用加以介紹。 若同相比例運算電路的輸入電壓為穩(wěn)定電壓，且比例系數(shù)可調(diào)，則其輸出電壓就可調(diào)節(jié)；同時，為了擴大輸出大電流，集成運放輸出端加晶體管，并保持射極電壓為 iO VRRV ????????? ?? 211 式 () 由于集成運放開環(huán)差模增益可達(dá) 80dB 以上，電路引入深度電壓負(fù)反饋，輸出電阻趨近于零，因而輸出電壓相當(dāng)穩(wěn)定。 在串聯(lián)型穩(wěn)壓電路中，調(diào)整管 T 是核心本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 遠(yuǎn)紅外測溫儀的硬件電路設(shè)計 18 元件，它的安全工作是電路正常工作的保證。調(diào)整管一般為大功率管，因而選用原則與功率放大電路中的功率相同，主要考慮其極限參數(shù) CMI 、 CEOU 和 CMP 。調(diào)整管極限參數(shù)的確定，必須考慮到 輸入電壓 iV 由于電網(wǎng)電壓波動而產(chǎn)生的變化，以及輸出電壓的調(diào)節(jié)和負(fù)載電流的變化所產(chǎn)生的影響。 穩(wěn)壓 原理是 電路的主回路是起調(diào)整作用的 BJT 與負(fù)載 RL串聯(lián)，輸出電壓的變化量由反饋網(wǎng)絡(luò)取樣后送到放大電路 A 的反向輸入端進(jìn)行放大后再送到 BJT 的去基極控制調(diào)整管 T 的 ce 極間的電壓降，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓 0V 的目的。 圖 具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型 穩(wěn)壓電路圖 同時穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓原理也可以簡述如下：當(dāng)由于某種原因（如電網(wǎng)電壓波動或負(fù)載電阻 的變化等）使輸入電壓 IV 增加（或者負(fù)載電流 OI 減?。r，導(dǎo)致輸出電壓 0V 增加，取樣電路將這一變化趨勢送到 A 的反向輸入端，并與同相輸入端電位 VF 進(jìn)行放大；反饋電壓02102 VFRRVRV VF ???也增加（ VF 為反饋系數(shù)）。 FV與基準(zhǔn)電壓 REFV 相比較， 其差值電壓經(jīng)比較放大電路放大后使 BV 和 CI 減小，調(diào)整管 T的 ce 極間的電壓 CEV 增大， A的輸出電壓，即調(diào)整管的基極電位降低；因為電路采用射極輸出形式，所以輸出電壓 OV 必然降低，從而使 OV 保持基本恒定不變?？珊喪鋈缦拢? oU ? ?????? OBN UUU 或者 ??????? OBNO UUUU 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 遠(yuǎn)紅外測溫儀的硬件電路設(shè)計 19 可見，電路是靠引入深度電壓負(fù)反饋來穩(wěn)定輸出電壓。同理可得，當(dāng)輸入電壓 IV 減?。ɑ蛘哓?fù)載電流 OI 增加）時，亦將使輸出電壓 0V 基本保持恒定不變。 電源的參數(shù)計算 從反饋放大電路的角度來看，這種電路屬于電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路。調(diào)整管 T連接成電壓跟隨器。因而可得： BV = ）（ 0VFVA VREFV ? 0V?