OTP-538紅外測溫系統(tǒng)

1、1. 紅外測溫原理；2. 紅外測溫系統(tǒng)傳感器opt-538u介紹；3. 紅外測溫系統(tǒng)的放大電路分析4.紅外測溫系統(tǒng)的總體設(shè)計思路5.紅外測溫系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計本章學(xué)習(xí)重點(diǎn)溫度測量分為接觸式接觸式和非接觸式非接觸式兩大類。 1. 1. 接觸式測溫接觸式測溫 測溫元件直接與被測對象相接觸，兩者之間進(jìn)行充分的熱交換達(dá)到熱平衡，這時感溫元件的某一物理參數(shù)的量值就代表了被測對象的溫度值。 優(yōu)點(diǎn)：直觀可靠。 缺點(diǎn): 感溫元件影響被測溫度場的分布； 接觸不良等帶來測量誤差； 高溫和腐蝕性介質(zhì)影響感溫元件的性能和壽命。1 紅外測溫原理1 紅外測溫原理 2 2、非接觸式測溫、非接觸式測溫 感溫元件不與被測對象相接

2、觸，而通過熱輻射進(jìn)行熱感溫元件不與被測對象相接觸，而通過熱輻射進(jìn)行熱交換；交換； 具有較高的測溫上限；具有較高的測溫上限； 熱慣性小，可達(dá)千分之一秒，故便于測量運(yùn)動物體的熱慣性小，可達(dá)千分之一秒，故便于測量運(yùn)動物體的溫度和快速變化的溫度溫度和快速變化的溫度。紅外測溫原理 簡介 1800 年,赫胥爾首先發(fā)現(xiàn)了紅外輻射,經(jīng)過幾代科學(xué)家100 多年的探索、實(shí)驗與研究,總結(jié)出了正確的輻射定律,為成功地研制紅外輻射測溫儀奠定了理論基礎(chǔ)。20 世紀(jì)60 年代以后,由于各種高靈敏度紅外探測器、干涉濾光片以及數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展,大大促進(jìn)了紅外技術(shù)應(yīng)用的進(jìn)程。近幾十年來,比色測溫儀、光纖測溫儀、掃描測溫儀等

3、滿足各種需要的紅外測溫儀相繼出現(xiàn)和不斷改進(jìn),使紅外技術(shù)的研究與應(yīng)用有了新的飛躍。雖然紅外測溫技術(shù)問世的時間并不很長,但是它安全、可靠、非接觸、快速、準(zhǔn)確、方便、壽命長等不可替代的優(yōu)勢,已被越來越多的企業(yè)與廠家所認(rèn)識和接受,在冶金、石化、電力、交通、水泥、橡膠等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用,成為企業(yè)故障檢測、產(chǎn)品質(zhì)量控制和提高經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。一、熱輻射基本定律 ( (一一) ) 基爾霍夫定律基爾霍夫定律 ( (二二) ) 斯忒潘斯忒潘玻耳茲曼定律玻耳茲曼定律（三）普朗克定律（三）普朗克定律（四）維恩位移定律（四）維恩位移定律1.出射輻射能與吸收輻射能的出射輻射能與吸收輻射能的一致性一致性 輻通量：單

4、位時間內(nèi)通過某一截面的輻射能，輻通量：單位時間內(nèi)通過某一截面的輻射能，又稱輻射功率，又稱輻射功率，SI單位為瓦。單位為瓦。 (一) 基爾霍夫定律光譜吸收率光譜吸收率 ： -表示物體對輻射到其上的輻通量可吸收的比例。表示物體對輻射到其上的輻通量可吸收的比例。( )T( , )( )( )dTTd 式中，式中， 為被物體吸收的輻通量；為被物體吸收的輻通量； 為照射到物為照射到物體單位面積上的輻通量。體單位面積上的輻通量。( , )dT ( )d 基爾霍夫定律( )1: T黑體能全部吸收輻射到其上 能量的物體（理想）。( )1: T非黑體只能部分吸收輻射到其 上能量的物體（實(shí)際）。M ( )( )(

5、 )( ) ( ) ( )( )TTfTMTfTTfT物體的單色輻射出射度與單色吸收比的比值為一普適函數(shù) 與溫度及波長有關(guān)?；鶢柣舴蜃C明了：基爾霍夫證明了：輻射出射度：輻射出射度：從輻射源表面從輻射源表面單位面積單位面積發(fā)射出的輻通量，發(fā)射出的輻通量，某一特定波長的輻射出射度稱為單色輻射出射度。某一特定波長的輻射出射度稱為單色輻射出射度。 熱平衡時物體向四周的輻射功率等于它能吸收的功率。00 ( )( )( )( )T( )TM TT M TM TM T其中， 為黑體在溫度 時的光譜輻射出射度； 為非黑體在溫度 時的光譜輻射出射度。0( )( )fTMT基爾霍夫定律：基爾霍夫定律：在同樣的溫度

6、下，各種不同物體對相同波在同樣的溫度下，各種不同物體對相同波長的單色輻射出射度與單色吸收比之比值都相等，并等于長的單色輻射出射度與單色吸收比之比值都相等，并等于該溫度下黑體對同一波長的單色輻射出射度。該溫度下黑體對同一波長的單色輻射出射度。0 TT ( ) ( )( )MTTMT光譜發(fā)射率（ ）：實(shí)際物體與黑體在溫度時的光譜輻射出射度之比。結(jié)論：結(jié)論：( )( )TT則：則：物體的光譜發(fā)射率等于其光譜吸收率。物體的光譜發(fā)射率等于其光譜吸收率。吸收輻射能力強(qiáng)的物體，受熱后向外輻射的能力也強(qiáng)；吸收輻射能力強(qiáng)的物體，受熱后向外輻射的能力也強(qiáng)；(二)斯忒潘玻耳茲曼定律 物體輻射出射度與溫度間的關(guān)系 溫

7、度為T的絕對黑體，單位面積元在半球方向上所發(fā)射的全部波長的輻射出射度 與溫度T的四次方成正比。 0( )MT04424( )( )TTM TTM TTTW m KT -8對于非黑體的一般物體：式中：為溫度為 時全波長范圍的材料發(fā)射率，也稱為黑度系數(shù)；為斯忒潘玻耳茲曼常數(shù)； 5.67032 10為物體的熱力學(xué)溫度輻射式溫度計測溫的理論根據(jù)。輻射式溫度計測溫的理論根據(jù)。（三）普朗克定律（單色輻射強(qiáng)度定律）1511520) 1() 1(2)(2TCTkhceCehcTM式中，式中， c光速；光速； h普朗克常數(shù)，普朗克常數(shù)，6.62617610-34Js； k波爾茲曼常數(shù)，波爾茲曼常數(shù)，1.3806

8、624410-23J/K； C1第一輻射常數(shù)，第一輻射常數(shù)，3.741810-16Wm2； C2第二輻射常數(shù)，第二輻射常數(shù)，1.438810-12mK； T絕對溫度。絕對溫度。溫度為溫度為T的單位面積元的的單位面積元的絕對黑體絕對黑體，在半球面方向所輻射，在半球面方向所輻射的波長為的波長為的輻射出射度為的輻射出射度為描述輻射能量在各波長上的分布關(guān)系描述輻射能量在各波長上的分布關(guān)系也可以用輻射亮度來表示也可以用輻射亮度來表示：00( )( )MTL T（四）維恩位移定律 最大輻射波長與溫度的關(guān)系 熱輻射光譜中包含著各種波長，從實(shí)驗可知，物體峰值輻射波長 與物體自身的絕對溫度T成以下關(guān)系2897m

9、Tm Km溫度升高：溫度升高：單色輻射強(qiáng)度隨溫度單色輻射強(qiáng)度隨溫度升高而增加；升高而增加；總輻射能量增加；總輻射能量增加；峰值波長減小。峰值波長減小。每一條曲線下的面積每一條曲線下的面積表示該溫度下物體輻表示該溫度下物體輻射能量的總和，與溫射能量的總和，與溫度的四次方成正比。度的四次方成正比。 從圖9-11 曲線中可以看出: (1) 隨著溫度升高,輻射能量增加,這是紅外輻射理 論的出發(fā)點(diǎn),也是單波段紅外測溫儀的設(shè)計依據(jù)。 (2) 隨著溫度升高,輻射峰值波長向短波方向移動, 其規(guī)律符合維恩位移定律,即: Tm = 2897. 8 (mK) , 其中T 為熱力學(xué)溫度,m 為峰值響應(yīng)波長。這個公式

10、告訴我們?yōu)槭裁锤邷販y溫儀多工作在短波處,低溫測溫 儀多工作在長波處。 (3) 輻射能量隨溫度的變化率,短波處比長波處大, 即短波處工作的測溫儀相對信噪比高(靈敏度高) ,抗干 擾性強(qiáng)。測溫儀應(yīng)盡量選擇工作在峰值波長處,特別是 低溫小目標(biāo)的情況下,這一點(diǎn)顯得尤為重要。紅外測溫儀的性能特點(diǎn)及分類 紅外測溫儀的種類很多,可分為便攜式、在線式、掃 描式,并有光纖、雙色等測溫儀。 便攜式(手持式) :體積小、重量輕、電池供電,適合 隨身攜帶,可隨時進(jìn)行溫度的檢測和記錄,有光學(xué)瞄準(zhǔn) 或激光瞄準(zhǔn)裝置,操作非常簡單,只需輕輕一扣扳機(jī),就 能進(jìn)行測量。美國Raytek 公司最新推出的MX 系列, 可將被面積用環(huán)

11、形激光顯示出來,更為直觀、方便。 在線式(固定式) :固定安裝在工業(yè)現(xiàn)場,可以24 小 時連續(xù)監(jiān)測,和計算機(jī)相連,閉環(huán)控制,打印輸出。加裝 保護(hù)及風(fēng)冷、水冷裝置,可以在惡劣環(huán)境及315 的高 溫下工作。掃描式:即行掃描測溫儀,用于測量90 度視場內(nèi)一條線的溫度分布,每行可測256 個點(diǎn),利用軟件,在監(jiān)視器上形成目標(biāo)的熱圖像,它能更直觀、更清晰、更快捷地進(jìn)行溫度監(jiān)測,尤其適用于傳送帶、旋轉(zhuǎn)窯、滾筒等連續(xù)運(yùn)動的目標(biāo)。光纖式:由于光纖直徑小、可彎曲,適合在狹小、彎曲的通道及環(huán)境溫度很高的惡劣環(huán)境中進(jìn)行測量。雙色(比色) 測溫儀:利用兩個很窄的相近波段測量同一物體,取較短波段信號與較長波段信號的比值,

12、這個比值隨溫度的升高而加大,這種根據(jù)比值測溫的測溫儀叫比色測溫儀或雙色測溫儀。由于這兩個波段靠得非常近,當(dāng)被測物在這個很窄的波長內(nèi),發(fā)射率沒有變化時,則發(fā)射率和氣氛吸收對兩個信號的衰減相同,不會影響比值。所以,雙色測溫儀抗干擾能力強(qiáng),對發(fā)射率、煙霧、灰塵、水氣不敏感,可以測量部分被遮擋的目標(biāo),測量感應(yīng)線圈縫隙內(nèi)加熱工件的溫度,更顯其卓越性能。美國Raytek 公司的雙色測溫儀,性能優(yōu)越,哪怕目標(biāo)只占視場的5 % ,也能精確測量。2 紅外測溫系統(tǒng)傳感器opt-538u介紹 otp-538u是一個熱電堆傳感器，具116種熱電偶元素，傳感器芯片經(jīng)由微細(xì)加工，可快速反應(yīng)環(huán)境里的溫度改變，導(dǎo)致輸出端電壓響應(yīng)，2 紅外測溫系統(tǒng)傳感器opt-538u介紹 紅外溫度傳感器：OTP-538U 傳感器的特性 ：溫度與電壓曲線圖：3. 紅外測溫系統(tǒng)的放大電路分析1、信號獲取電路：該電路使用到的元件有otp-538u，電阻1k,10k，電容47uf2、電壓放大電路