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遠紅外測溫儀的設(shè)計本科畢業(yè)設(shè)計-在線瀏覽

2024-08-09 05:53本頁面
  

【正文】 測溫的基本定律,闡述遠紅外測溫儀的工作原理及功能實現(xiàn):一切溫度高于絕對零度的物體都在不停的向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量。4本科畢業(yè)設(shè)計(論文) 緒論測溫范圍: 27~227℃(300~500K);響應(yīng)波長: 8um~14um;響應(yīng)時間:500ms;A/D轉(zhuǎn)換:8位的ADC0809芯片;工作環(huán)境溫度范圍:0~50℃;相對濕度:30 ℃時 10―95%;測量精度:23 ℃時177。 本設(shè)計所作的工作首先,介紹遠紅外測溫技術(shù)的相關(guān)理論知識,從與幾種紅外測溫儀的比較中得出遠紅外測溫儀的優(yōu)點和缺點,以便對遠紅外測溫有比較清晰的認識。再次,對遠紅外測溫儀的A/D轉(zhuǎn)換進行詳細的說明,并進行了軟件模塊的設(shè)計,從單片機的選擇到其功能的介紹、接口電路的分析、系統(tǒng)總的流程圖并給出了源程序。5攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(論文) 遠紅外測溫原理7本科畢業(yè)設(shè)計(論文) 遠紅外測溫原理2 遠紅外測溫原理1800年,表明白光是由各種顏色的光復(fù)合而成。實驗中,他發(fā)現(xiàn):放在光帶紅光區(qū)域以外的一支溫度計比室內(nèi)其他溫度計的指示數(shù)值高?,F(xiàn)在我們稱這種不可見光線為“紅外輻射”或“紅外線”,它實際上也是一種電磁振蕩,并可分為近紅外、中紅外、遠紅外,其性質(zhì)和我們熟悉的可見光及無線電波完全一樣,且在不同物質(zhì)中紅外輻射的傳輸是不同的,尤其以遠紅外輻射表現(xiàn)的十分突出,為遠紅外測溫儀的研究與設(shè)計提供了很好材料。物體的自發(fā)輻射,常溫下主要是紅外輻射,俗稱紅外線,它是人眼看不見的光線,具有強烈的熱作用,故又稱熱輻射。物體在常溫下,發(fā)射紅外線;當溫度升高至500℃左右,便開始發(fā)射部分暗紅外觀的可見光;當溫度繼續(xù)升高,物體會向外輻射電磁波,且隨著溫度的升高其波長會變短。當將一束白色光照射到一個玻璃三棱鏡上時,通過三棱鏡對不同波長光的折射,就會顯現(xiàn)七彩的單色光束。一個熾熱物體向外輻射的能量大部分是通過紅外線輻射出來的。紅外線和所有電磁波一樣,是以波的形式進行直線傳播的,紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射。紅外輻射是最為廣泛的電磁輻射,而遠紅外輻射因其波長范圍(5um~14um)比較特殊,更具有代表性,在測溫儀中的應(yīng)用更廣。運動愈劇烈,輻射的能量愈大,反之愈小。同時,遠紅外輻射除具有電磁輻射的一般性質(zhì)外,還具有一些與可見光不同的獨有的特性如下: 遠紅外線對人眼不敏感,是不可見的,必須用對紅外線敏感的紅外控測器才能接收到,所以遠紅外技術(shù)在軍事上具有特殊的用途。 遠紅外線的熱效應(yīng)比可見光要強得多。紅外線同其他任何光一樣,也是一種客觀存在的物質(zhì)。 電磁波譜各種輻射能按波長的分布圖任何物體都會以電磁波的形式向外輻射能量,這種能量叫做輻射能。在物理學(xué)中,可見光、不可見光(紫外線、射線、射線各微波)、紅外線及無線電波等都是電磁波,在真空中以光速(3*10 m/s)傳播,它們的差別只是波長不同而已。紅外線處在微波與紅光之間,~1000181。一般情況下,又把紅外線分為四個較小的波段范圍,即近紅外(~3181。m~6181。m~14181。m~1000181。紅外光在金屬中傳播衰減很大,但紅外輻射能透過大部分半導(dǎo)體和一些塑料,大部分液體對遠紅外輻射吸收非常大。電磁輻射都具有以下共同特點:電磁輻射都可以橫波形式進行傳播,即電磁波的振動方向與傳播方向垂直;電磁輻射在真空中的傳播速度相同,都等于光在真空中的傳播速度;電磁輻射的傳輸并不需要介質(zhì)。從紫色光到紅色光的熱效應(yīng)是逐漸增大的,且最大的熱效應(yīng)出現(xiàn)在紅外輻射的頻譜范圍內(nèi),從可見光到紅外輻射有明顯的熱效應(yīng),故又將紅外輻射稱為熱輻射。而熱釋電效應(yīng)是熱效應(yīng)的一種,在紅外線間隙的照射下,若使某些強介電常數(shù)物質(zhì)(鈦酸鋇)的表面溫度發(fā)生變化,在這些物質(zhì)表面上就會產(chǎn)生電荷的變化,上下表面設(shè)置電極,在正表面加以黑色膜。但熱釋電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷不是永存的,只要它出現(xiàn),很快就會被空氣中的各種離子所結(jié)合。大氣是紅外輻射的主要傳輸介質(zhì),而組成大氣的對稱雙原子分子,在紅外線傳輸過程中不會引起分子電偶極矩的變化,不會造成傳輸衰減,不吸收15um以下的紅外線。在實際大氣中,還存在著許多大小為~的液態(tài)和固態(tài)的懸浮物也會對紅外線發(fā)生強烈散射或吸收,導(dǎo)致紅外傳輸?shù)乃p。紅外輻射的基本定律:當輻射能入射到物體上時,一部分能量通過表面透入物體,這部分能量,一部分被吸收,另一部分被透過物體。當=l時,則q==0,說明入射到物體上的輻射能全部被反射,此類物體稱之為“絕對白體”;當q=1時,則==0,說明入射到物體表面上的輻射能全部被吸收,具有這種性質(zhì)的物體稱之為“絕對黑體”,或簡稱“黑體”;當=1時,則=q=0,即入射到物體表面上的輻射能全部穿透過去了,具有這種性質(zhì)的物體稱之為“絕對透明體”。且在溫度平衡情況下,其吸收率等于發(fā)射率。能夠在任何溫度下全部吸收以任何波長入射或輻射的物體稱作黑體。自然界中并不存在真正的黑體,在理論研究中必須選擇合適的模型,普朗克提出的體腔輻射的量子化振子模型,從而導(dǎo)出普朗克黑體輻射定律,即以波長表示黑體光譜輻射度,這是一切紅外輻射理論的出發(fā)點,故稱黑體輻射定律。物體的紅外輻射能量大小以其按波長的分布與他的表面溫度關(guān)系密切。處在熱平衡狀態(tài)的理想黑體在溫度T時均勻地向四周輻射,從絕對黑體發(fā)射出來的單色輻射強度隨波長的變化規(guī)律由普朗克定律確定=() 式()式中,第一輻射常數(shù), == 5 W181。第二輻射常數(shù),== 其中λ為波長,為絕對溫度。式()稱為黑體全輻射定律。而且黑體單位面積發(fā)射的總輻射功率與其開氏溫度的四次方成正比。遠紅外測溫屬于無損檢測的范疇,它區(qū)別于傳統(tǒng)的接觸測溫,是非接觸測溫, 是利用紅外輻射原理將遠紅外輻射特性的分析技術(shù)和方法應(yīng)用于對設(shè)備或其他物體進行檢驗和測量的綜合工程技術(shù)。遠紅外測溫不僅可以測量溫度高、有腐蝕性、高純度的物體,而且可以測量導(dǎo)熱性差的、小熱容量、微小的目標、運動的物體以及進行固體、液體表面溫度的測量,其測溫速度快、操作安全、測溫范圍寬、靈敏度高、檢測效率高、測量精度高(1%以內(nèi))、對被測溫場無干擾、熱惰性誤差小,可用于顯微和遠距離測溫,特別是可測二維溫度場的熱像儀,由于它可以代替成千上萬支溫度計和熱電偶的同時工作,使其他的測溫方法更加相形見絀。這些性能在做預(yù)防性維護時特別重要,如監(jiān)視惡劣生產(chǎn)條件和將導(dǎo)致設(shè)備損壞或停機的特別事件。用遠紅外測溫儀,可快速探測操作溫度的微小變化,在其萌芽期就可將問題解決,減少因設(shè)備故障造成的開支和縮小維修范圍,安全是使用遠紅外測溫儀最重要的益處。因此,遠紅外測溫技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中的適用范圍很廣并獲得飛速發(fā)展。各種設(shè)備的缺陷和故障都直接或間接與溫度變化相關(guān),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。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(shù),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(yīng)有范圍的限制,可快速方便地測量物體的表面溫度。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。紅外測溫技術(shù)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(shù)無法勝任的檢測。,可以測量相當高的溫度。不必接觸被測物體,操作方便。與此同時,由于任何一種先進的技術(shù)方法都不可能完美無瑕的,遠紅外檢測也不例外。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(guān)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。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(yīng)波長范圍。遠紅外技術(shù)及其原理可理解為其精確的測溫。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。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。測量誤差通常由其它光源反射的紅外能量引起的。溫度范圍:本設(shè)計的溫度范圍要求達到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。比值越大,分辨率越好,且被測光斑尺寸也就越小。目標尺寸:測溫時,被測目標應(yīng)大于測溫儀的視場,否則測量有誤差。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(yīng)離它越近。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。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(shè)備上同種材料構(gòu)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。這樣的問題實際上歸結(jié)為適當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到最大值。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(shè)x= 則:= 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,得=2411() 式()即:與光譜輻射度隨溫度變化率達到最大值相應(yīng)的波長應(yīng)滿足式()。當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。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(yīng)用范圍的限制。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),這就是遠紅外測溫技術(shù)的基本原理。結(jié)合紅外測溫的工作原理及實際操作的需要,進行了相關(guān)參數(shù)的計算和論證,在確定方案可行的情況下。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(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。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、品種越來越繁多、功能越來越齊全、價格不斷的趨于穩(wěn)定。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(nèi)部溫度。但可通過紅外窗口測溫。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。 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(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,并匯集遠紅外波段內(nèi)的光譜。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(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的距離,在調(diào)測量距離時,應(yīng)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。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(shè)備和工業(yè)生產(chǎn)控制的自動化和智能化。光學(xué)系統(tǒng)是遠紅外探測器的重要組成部分。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)。本設(shè)計中主要使用透射式光學(xué)系統(tǒng)的遠紅外探測器。三個范圍內(nèi)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(yīng)充分考慮遠紅外測溫儀的工作波長而選擇第三段。 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。經(jīng)選擇吸收的遠紅外輻射光信號通過敏感元件的轉(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(guān)系,從而實現(xiàn)測溫儀的智能化控制。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,最終達到放大并穩(wěn)定輸出電壓的作
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