非接觸式紅外測溫儀

1、 成績評定： 傳感器技術(shù)課程設計 題 目 非接觸溫度計 摘要 在自然界中，一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長的分布 與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據(jù)的客觀基礎。  光學系統(tǒng)匯聚其視場內(nèi)的目標紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳碾娦盘?。該信號?jīng)過放大器和信號處理電路，并按照儀器內(nèi)療的算法和目標發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標的溫度值。除此之外，還應考慮目標和測溫儀所在的環(huán)境條

2、件，如溫度、氣氛、污染和干擾等因素對性能指標的影響及修正方法。關(guān)鍵詞： 紅外輻射測溫 紅外傳感器 目 錄一 、設計目的1二、設計任務與要求22.1設計任務22.2設計要求2三、設計步驟及原理分析33.1設計方法33.2設計步驟43.3設計原理分析5四、課程設計小結(jié)與體會6五、參考文獻6  一、設計目的 在人們的日常生活中，測量溫度普遍使用水銀溫度計，反應比較慢，通常需要十分鐘才能準確測出體溫。水銀溫度計使用時需要與體膚接觸，因此在使用前需要嚴格消毒，不適合對多人進行連續(xù)溫度采集。而且水銀一旦泄露會產(chǎn)生水銀泄露，污染環(huán)境，并且有毒。近年來，國內(nèi)外在溫度傳感器研發(fā)領域取得了長足進步，非接

3、觸式紅外測溫傳感技術(shù)日趨成熟。 二、設計任務與要求2.1設計任務 當物體溫度處于絕對零度以上時，因為其內(nèi)部帶電粒子的運動，以不同波長的電磁波形式，向外輻射能量，波長涉及紫外、可見、紅外光區(qū)。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此，紅外測溫儀通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據(jù)的客觀基礎。2.2設計要求 紅外測溫儀由光學系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。光學系統(tǒng)匯集其視場內(nèi)的目標紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學零件以及位置決定。紅外能量聚焦在光電探測儀上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄?/p>

4、應的電信號。該信號經(jīng)過放大器和信號處理電路按照儀器內(nèi)部的算法和目標發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標的溫度值。除此之外，在使用紅外測溫儀測溫時，還應考慮目標和測溫儀所在的環(huán)境條件，如溫度、氣氛、污染和干擾等因素對性能指標的影響及修正方法。 3、 設計步驟及原理分析3.1設計方法 當用紅外輻射測溫儀測量目標的溫度時首先要測量出目標在其波段范圍內(nèi)的紅外輻射量，然后由測溫儀計算出被測目標的溫度。單色測溫儀與波段內(nèi)的輻射量成比例；雙色測溫儀與兩個波段的輻射量之比成比例紅外測溫儀的測溫原理是黑體輻射定律，眾所周知，自然界中一切高于絕對零度的物體都在不停向外輻射能量，物體的向外輻射能量的大小及其按波長的分布與它的

5、表面溫度有著十分密切的聯(lián)系，物體的溫度越高，所發(fā)出的紅外輻射能力越強。黑體的光譜輻射出射度由普朗克公式確定，即： 下圖1-1是不同溫度下的黑體光譜輻射度圖：從上圖中曲線可以看出黑體輻射具有幾個特征: 在任何溫度下，黑體的光譜輻射度都隨著波長連續(xù)變化，每條曲線只有一個極大值； 隨著溫度的升高，與光譜輻射度極大值對應的波長減小。這表明隨著溫度的升高，黑體輻射中的短波長輻射所占比例增加； 隨著溫度的升高，黑體輻射曲線全面提高，即在任一指定波長處，與較高溫度相應的光譜輻射度也較大，反之亦然。 依據(jù)測溫原理的不同，紅外測溫儀的設計有五種方法:a.全輻射測溫法:它是根據(jù)測量波長從零到無限大整個光譜范圍物體

6、的總輻射功率用黑體定標的儀器來確定物體的溫度。其總輻射功率的大小與被測對象溫度之間的關(guān)系是由斯蒂芬- 玻爾茲曼定律來描述。 b.亮度測溫法: 它是根據(jù)測量給定波長K0附近一窄光譜范圍的輻射用黑體定標的儀器來確定物體的溫度, 適用于高溫測量。c.雙波段測溫法: 它是根據(jù)測量兩個給定波長K1和K2 的輻射功率之比, 用黑體定標的儀器來確定物體的溫度, 適合測量發(fā)射率變化或未知的物體, 但只適合于測量輻射能量密度大的高溫物體。這3種方法均由普朗克定律來描述。d.多波段測溫法: 依次取多個波段, 通過計算這些波段輻射功率之間的復雜關(guān)系來確定物體的溫度。e.最大波長測溫法: 由維恩位移定律,黑體輻射峰值

7、波長Kmax與絕對溫度T 之積為一常數(shù), 通過測量峰值波長Kmax來計算溫度T。此法常用測量極高溫(大于2000 °C)。由此可見, 非接觸紅外測溫有以下的缺點：測得的溫度值是測量對象的表面溫度, 且必須用發(fā)射率進行修正, 增加了測量的復雜性; 周圍介質(zhì)的影響引起測量誤差。亮度測溫法無需環(huán)境溫度補償，發(fā)射率誤差較小，測溫精度高，但工作于短波區(qū)，只適于高溫測量。比色測溫法的光學系統(tǒng)可局部遮擋，受煙霧灰塵影響小，測溫誤差小，但必須選擇適當波段，使波段的發(fā)射率相差不大。本文選用全輻射測溫法來計算被測量物體的溫度，全輻射測溫法是根據(jù)所有波長范圍內(nèi)的總輻射而定溫，得到的是物體的輻射溫度。選用這

8、種方法是因為中低溫物體的波長較大，輻射信號很弱，而且結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，但它的測溫精度稍差，受物體輻射率影響大。3.2設計步驟紅外測溫技術(shù)在生產(chǎn)過程中，在產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測，設備在線故障診斷和安全保護以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮了著重要作用?？梢詫φ谶\行的設備進行非接觸檢測，拍攝其溫度場的分布、測量任何部位的溫度值，據(jù)此對各種外部及內(nèi)部故障進行診斷，具有實時、遙測、直觀和定量測溫等優(yōu)點，用來檢測發(fā)電廠、變電所和輸電線路的運轉(zhuǎn)設備和帶電設備非常方便、有效。用紅外測溫儀，你可連續(xù)診斷電子連接問題和查找連接處的熱點，以檢測設備的功能狀態(tài)，還可檢驗電池組件和功率配電盤接線端子，開關(guān)齒輪或保險絲連接，防止能

9、源消耗。此紅外測溫儀的特點：有溫度分辨率高、響應速度快、不擾動被測目標溫度分布場、測量精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。該設計方案主要包括：軟件設計部分與軟件設計部分。 a紅外測溫儀的硬件系統(tǒng)方案設計本紅外測溫儀采用模塊化的設計思想，它的硬件結(jié)構(gòu)由STC89C51單片機模塊，紅外測溫模塊， RS232轉(zhuǎn)換電路模塊，電源模塊，鍵盤模塊和LED顯示模塊組成。STC89C51單片機是本系統(tǒng)的控制中心，它負責控制啟動溫度測量、接收測量數(shù)據(jù)、計算溫度值、并根據(jù)取得的鍵值控制顯示過程；紅外測溫模塊負責溫度數(shù)據(jù)的采集、測量，并將采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)端口傳送給STC89C51單片機； RS232轉(zhuǎn)換電路模塊可以使單片機

10、方便地同PC機進行串口通信，并可以同時接收或傳送外部送來的資料；通過鍵盤模塊可以方便地進行測溫及各種操作；LED顯示模塊把測量的溫度值直觀地顯示給觀測者；電源模塊負責本紅外測溫儀電源的供應。此紅外測溫儀系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖a所示： 圖a 紅外測溫儀系統(tǒng)的硬件方案設計框圖b紅外測溫儀的應用軟件系統(tǒng)的方案設計此紅外測溫儀的軟件設計同樣采用模塊化的設計思想，它把整個系統(tǒng)分成若干模塊分別予以解決，它包括主程序模塊，紅外測溫模塊，鍵盤掃描模塊和顯示模塊。主程序模塊主要完成系統(tǒng)初始化，溫度的檢測，串行口通信，鍵盤和顯示等功能。其中系統(tǒng)初始化包括: 時間中斷的初始化、外部中斷源的初始化、串口通信中斷的初始

11、化、LED顯示的初始化。 紅外測溫模塊包括：獲取溫度數(shù)據(jù)，計算溫度值。鍵盤掃描模塊 ：獲取按鍵信息，處理按鍵請求等。顯示模塊：獲取并處理相應的溫度數(shù)據(jù)， 在此紅外測溫儀的軟件系統(tǒng)設計中，時鐘的設置是相當重要的，通過時鐘的設置才能獲得良好的時鐘頻率，這個時鐘頻率是整個軟件系統(tǒng)是否能正常有序地運行的關(guān)鍵。具體的軟件方案設計如下圖b： 圖b 紅外測溫儀系統(tǒng)的軟件方案設計框圖3.3設計原理分析紅外測溫儀的測溫原理是黑體輻射定律，眾所周知，自然界中一切高于絕對零度的物體都在不停向外輻射能量，物體的向外輻射能量的大小及其按波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的聯(lián)系，物體的溫度越高，所發(fā)出的紅外輻射能力越強

12、。黑體的光譜輻射出射度由普朗克公式確定，即： 下圖是不同溫度下的黑體光譜輻射度圖： 不同溫度下的黑體光譜輻射度從上圖中曲線可以看出黑體輻射具有幾個特征: 在任何溫度下，黑體的光譜輻射度都隨著波長連續(xù)變化，每條曲線只有一個極大值； 隨著溫度的升高，與光譜輻射度極大值對應的波長減小。這表明隨著溫度的升高，黑體輻射中的短波長輻射所占比例增加； 隨著溫度的升高，黑體輻射曲線全面提高，即在任一指定波長處，與較高溫度相應的光譜輻射度也較大，反之亦然。 四、課程設計小結(jié)與體會 本設計的任務是實現(xiàn)非接觸式體溫測量和記錄，并通過液晶屏幕顯示。系統(tǒng)可以應用于人們?nèi)粘Ｉ钌a(chǎn)中，快速準確的測量出體溫，尤其適合在大型集會時對多人進行體溫檢測。本文介紹的體溫檢測系統(tǒng)硬件及軟件的設計，其創(chuàng)新點在于針對溫度測量特點，采用紅外溫度傳感器，無需與體膚接觸，而且反應速度快，彌補了一些傳統(tǒng)體溫計的不足 在這次設計中，經(jīng)過自身的努力，不但加深了對傳感器的進一步的認識和理解，并將所學的知識充分應用于實踐中。通過這次傳感器技術(shù)課程設計，使我認識到理論聯(lián)系實際的重要性，在實踐中擴展了知識面，不但掌握了本專業(yè)的相關(guān)知識，而且對其他專業(yè)的知識也有所了解，從各方面提高了自身的綜合素質(zhì)。經(jīng)過這次一個較完整的產(chǎn)品設計和制作過程