摘要：基于普朗克定律設(shè)計(jì)紅外測(cè)溫儀，采用無(wú)線通信模塊PTR8000實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與紅外測(cè)溫儀之間的數(shù)據(jù)傳輸，開(kāi)發(fā)了上位機(jī)管理軟件，實(shí)現(xiàn)了溫度的實(shí)時(shí)顯示。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該測(cè)溫儀具有一定的測(cè)量精度，滿足一般工業(yè)要求。
0 引言
溫度作為一種重要的熱工參數(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)中的很多場(chǎng)合要求實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制溫度。傳統(tǒng)的接觸式測(cè)溫方式因反應(yīng)速度慢、測(cè)溫時(shí)間長(zhǎng)、干擾物體的溫度場(chǎng)等缺點(diǎn)而使其應(yīng)用范圍受到很大限制。隨著紅外技術(shù)的發(fā)展，非接觸紅外測(cè)溫作為一門新技術(shù)迅速崛起，在工業(yè)生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測(cè)、設(shè)備在線故障診斷、安全保護(hù)以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮著重要作用。
基于紅外測(cè)溫技術(shù)設(shè)計(jì)的測(cè)溫儀具有非接觸測(cè)量、測(cè)量范圍廣、測(cè)溫速度快、準(zhǔn)確度高、靈敏度高、使用方便、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外非接觸紅外測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展極為迅速，德國(guó)IMPAC公司生產(chǎn)的數(shù)字式紅外測(cè)溫儀IS5系列很受用戶歡迎，美國(guó)雷泰公司的紅外測(cè)溫儀在市場(chǎng)上也占有很大份額。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)紅外測(cè)溫儀的廠家和研究所有：上海自動(dòng)化儀表三廠、云南儀表廠、中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化所、杭州無(wú)線電廠等，產(chǎn)品也都具有良好的性能。
1 紅外測(cè)溫原理
在自然界中，一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長(zhǎng)的分布都與物體表面溫度有十分密切的關(guān)系。因此，可以通過(guò)測(cè)量物體自身的紅外輻射能來(lái)準(zhǔn)確測(cè)定其表面溫度。這就是紅外測(cè)溫的理論基礎(chǔ)。
普朗克定律描述了絕對(duì)黑體的輻射能力與波長(zhǎng)和溫度之間的關(guān)系。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
從式(1)可以看出只要我們測(cè)出了黑體的輻射出射度M(λ，T)，對(duì)其在全波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)學(xué)積分就可以得出黑體的溫度。這就是設(shè)計(jì)紅外測(cè)溫儀的理論依據(jù)。
普朗克定律是以“黑體”作為研究對(duì)象分析得出的。但是，自然界中存在的實(shí)際物體都不是黑體，所有實(shí)際物體的輻射能量除依賴于輻射波長(zhǎng)及物體的溫度外，還與構(gòu)成物體的材料性質(zhì)、生產(chǎn)工藝以及物體表面狀態(tài)、周圍環(huán)境等因素有關(guān)。因此，為了使普朗克定律適用于所有實(shí)際物體，必須對(duì)其進(jìn)行修正。引入比例系數(shù)(即發(fā)射率，表征實(shí)際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，它與材料性質(zhì)及表面狀態(tài)有關(guān)，其值為0(極光滑的鏡面)～1.0(黑色)。
2 紅外測(cè)溫儀
紅外測(cè)溫采用逐點(diǎn)分析的方式，即把物體一個(gè)局部區(qū)域的熱輻射聚焦在單個(gè)探測(cè)器上，并通過(guò)己知物體的發(fā)射率，將輻射功率轉(zhuǎn)化為溫度。由于被檢測(cè)的對(duì)象、測(cè)量范圍和使用場(chǎng)合不同，紅外測(cè)溫儀的外觀設(shè)計(jì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)不盡相同，但基本結(jié)構(gòu)大體相似，主要包括光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場(chǎng)的大小由測(cè)溫儀的光學(xué)零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測(cè)器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)。由于該電信號(hào)十分微弱，因此要經(jīng)過(guò)放大處理后再送入信號(hào)處理電路，同時(shí)為了消除環(huán)境溫度的影響，增加了補(bǔ)償電路，然后經(jīng)儀器內(nèi)部的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后換算為被測(cè)對(duì)象的溫度值，最終通過(guò)傳輸線路顯示到輸出終端。
2.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
光學(xué)系統(tǒng)是紅外測(cè)溫儀的重要組成部分，其作用十分類似于用于接收目標(biāo)回波的雷達(dá)天線，就是匯聚輻射能量。常用的紅外光學(xué)系統(tǒng)有三種結(jié)構(gòu)形式，即透射式光學(xué)系統(tǒng)、反射式光學(xué)系統(tǒng)、組合式光學(xué)系統(tǒng)(由透射式和反射式系統(tǒng)組合而成)。
對(duì)大多數(shù)光學(xué)系統(tǒng)而言，由于加工、檢測(cè)等原因球面反射鏡和透鏡的使用最為廣泛。綜合考慮各種因素本課題采用透射式紅外光學(xué)系統(tǒng)(見(jiàn)圖2)。同時(shí)為了消除雜散光的影響，在焦距前方安裝孔徑光闌，并且要保證紅外探測(cè)器位于透鏡焦點(diǎn)處。
2.2 紅外探測(cè)器
紅外探測(cè)器是將入射的紅外輻射信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出的器件，它是紅外測(cè)溫儀的核心組成部分。紅外探測(cè)器大致可以分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器兩大類。熱探測(cè)器吸收紅外輻射后，探測(cè)材料由于溫度升高產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)、電阻率變化；自發(fā)極化強(qiáng)度變化；或者氣體體積與壓強(qiáng)變化等，測(cè)量這些物理性能的變化就可以測(cè)定被吸收的紅外輻射能量或功率。光子探測(cè)器吸收光子后，本身發(fā)生電子狀態(tài)的改變，進(jìn)而引起內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)等光子效應(yīng)，通過(guò)測(cè)定光子效應(yīng)的大小可以確定被吸收的光子數(shù)。
本系統(tǒng)的光電傳感器采用美國(guó)雷泰公司生產(chǎn)的Raytek CM型紅外測(cè)溫頭。雷泰新一代CM高性能迷你型紅外測(cè)溫頭溫度范圍廣、精度高、體積小、多種輸出模式、性價(jià)比高，是系統(tǒng)集成、設(shè)備配套的最佳選擇。CM型紅外測(cè)溫頭專為工業(yè)設(shè)備用戶的多種應(yīng)用需求選擇。測(cè)溫范圍-20～500℃，滿足一般工業(yè)用測(cè)溫儀的溫度要求。光譜響應(yīng)范圍8～14μm，應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的被測(cè)物的輻射波長(zhǎng)主要在2.5～15μm之間，峰值波長(zhǎng)在9.5μm處，其中8～14μm波段輻射能占總輻射能的半數(shù)以上。光學(xué)分辨率為13:1，響應(yīng)時(shí)間150ms滿足本課題的技術(shù)要求。
3 具有無(wú)線通信功能的紅外測(cè)溫系統(tǒng)
典型的紅外測(cè)溫系統(tǒng)由被測(cè)對(duì)象、紅外測(cè)溫主機(jī)、發(fā)射傳輸裝置及接收裝置組成。本文采用測(cè)量主機(jī)與無(wú)線通信從機(jī)的雙機(jī)模式實(shí)現(xiàn)。圖3為測(cè)量主機(jī)原理框圖，測(cè)量主機(jī)完成紅外溫度數(shù)據(jù)的采集處理，由紅外探測(cè)系統(tǒng)和單片機(jī)MSP430F149組成。采用多路AD芯片(MSP430內(nèi)部AD)實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，并且留有其它模擬量的測(cè)量通道，可擴(kuò)展諸如濕度等其他模擬量的監(jiān)控。為了補(bǔ)償環(huán)境溫度可連接環(huán)境溫度傳感器DS18B20。采用無(wú)線收發(fā)模塊PTR8000實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，PTR80005特有內(nèi)置環(huán)形天線，可直接與單片機(jī)連接，無(wú)須外接其他器件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線收發(fā)。
無(wú)線通信從機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收。為了完成PTR8000與PC機(jī)的數(shù)據(jù)交換，在無(wú)線通信從機(jī)中使用RS232接口。在監(jiān)控PC機(jī)上，采用C++開(kāi)發(fā)上位機(jī)的人機(jī)接口界面。系統(tǒng)電路(見(jiàn)圖4)分為測(cè)溫及發(fā)射板(測(cè)量主機(jī))、接收板(無(wú)線通信從機(jī))。
該系統(tǒng)中主機(jī)的任務(wù)是完成數(shù)據(jù)采集與處理，包括進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、環(huán)境溫度補(bǔ)償，對(duì)即將傳送來(lái)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行組織處理。發(fā)射端的PTR 8000將單片機(jī)的信息調(diào)制成射頻信號(hào)發(fā)出，接收端的PTR8000模塊將接收到的信息解調(diào)成為TTL電平，由單片機(jī)處理后經(jīng)由RS232接口送到PC，供計(jì)算機(jī)后期處理。
系統(tǒng)的整體框圖如圖5所示。由于被測(cè)物體的發(fā)射率難以準(zhǔn)確確定，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了盡可能地提升系統(tǒng)精度，獲得較為滿意的增益，把放大器最后一級(jí)的放大倍數(shù)設(shè)計(jì)成可調(diào)的。
我們研制了以CM測(cè)溫頭為探測(cè)元件的紅外測(cè)溫系統(tǒng)，如圖6所示。測(cè)溫儀的工作流程：經(jīng)聚焦后的紅外輻射能入射到探測(cè)器上，為保證測(cè)量精度，輸出信號(hào)首先經(jīng)過(guò)前置放大、后級(jí)放大，然后經(jīng)過(guò)濾波、積分電路恢復(fù)為探頭所接收的紅外輻射功率信號(hào)，最后經(jīng)峰值保持電路檢測(cè)出紅外輻射的最大功率，此數(shù)據(jù)加上溫度傳感器的補(bǔ)償值進(jìn)行AD轉(zhuǎn)化，在CPU中依據(jù)一定的算法計(jì)算并顯示出被測(cè)物的絕對(duì)溫度。在需要時(shí)，可以將溫度數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線的方式發(fā)送出去。
4 系統(tǒng)試驗(yàn)與結(jié)論
考慮到系統(tǒng)的測(cè)溫范圍在500℃以下及其它因素，實(shí)驗(yàn)采用干體爐作為熱源，該熱源最高可達(dá)850℃左右，環(huán)境溫度選為18℃，即291.15K。假定發(fā)射率為0.97。表1為系統(tǒng)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)。圖8為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖表，數(shù)據(jù)源來(lái)自表1。
實(shí)驗(yàn)表明，本測(cè)溫儀能夠?qū)崿F(xiàn)溫度測(cè)量，并在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果，還可進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。測(cè)量范圍為0～500℃，測(cè)量精度為±3℃或1%，測(cè)量重復(fù)性為0.3%。完全滿足一般工業(yè)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求。
由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境和條件的限制，還有一些方面有待完善；
(1)物體發(fā)射率是一個(gè)不定因素，直接影響到系統(tǒng)的測(cè)量精度。改善軟件智能度，使發(fā)射率可以調(diào)節(jié)；
(2)抑制環(huán)境干擾、提高抗干擾能力是以后努力的方向。
