非接触式测温仪.docx

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非接触式测温仪

自动化仪表大作业

课题名称：

非接触式测温仪

班级：

姓名：

1、方案选择

随着现代科学技术的发展，传统的接触式测温方式以不能满足现代一些领域的测温需求，对非接触、远距离测温技术的需求越来越大。

本红外测温仪设计的出发点也正是基于此。

非接触式红外测温也叫辐射测温，一般使用热电型或光电探测器作为检测元件。

此温度测量系统比较简单，可以实现大面积的测温，也可以是被测物体上某一点的温度测量；可以是便携式，也可以是固定式，并且使用方便；它的制造工艺简单，成木较低，测温时不接触被测物体，具有响应时间短、不干扰被测温场、使用寿命长、操作方便等一系列优点，但利用红外辐射测量温度，也必然受到物体发射率、测温距离、烟尘和水蒸气等外界因素的影响，其测量误差较大。

在这种温度测量技术中红外温度传感器的选择是非常重要的，而且不仅在点温度测量中要使用红外温度传感器，大面积温度测量也可使用红外温度传感器。

本设计正是采用红外温度传感器这种温度测量技术，它具有温度分辨率高、响应速度快、不扰动被测目标温度分布场、测量精度高和稳定性好等优点；另外红外温度传感器的种类较多，发展非常快，技术比较成熟，这也是本设计采用红外温度传感器设计非接触温度测量仪的主要原因之一。

2、系统设计原理

远红外测温系统由以下几部分组成：

远红外透镜及滤光系统、测试装置、A/D转换器、微处理机（单片机）和终端显示组成。

结合红外测温的工作原理及实际操作的需要，进行了相关参数的计算和论证，在确定方案可行的情况下，最后得出远红外测温仪系统的原理框图如图2.2所示。

远红外测温仪系统是集信号采集、数据处理、误差分析、输出显示及危险报警为一体的多功能、智能化的测温系统。

而信号采集系统中最重要的是用滤光片收集远红外区域内（8～14um）的光谱，使红外测温的波长范围相对缩小，精度有所提高。

因此，远红外测温仪在工业系统温度的测量上有更好的应用。

随着现代技术的发展，红外测温仪的设计也越来越先进、品种越来越繁多、功能越来越齐全、价格不断的趋于稳定。

具体操作：

将远红外测温仪对准被测的物体，按触发器启动单片机，并在仪器的LED上读出温度数据，保证测温距离和光斑尺寸之比。

使用远红外测温仪时还必须注意：

1、只测量表面温度，红外测温仪不能测量内部温度。

2、不能透过玻璃进行测温，玻璃有很特殊的反射和透过特性，不允许精确红外温度读数。

但可通过红外窗口测温。

红外测温仪最好不用于光亮的或抛光的金属表面的测温（不锈钢、铝等）。

3、定位热点，要发现热点，仪器瞄准目标，然后在目标上作上下扫描运动,直至确定热点。

4、环境温度，如果将红外测温仪突然暴露在环境温差为20度或更高的情况下，允许仪器在20分钟内调节到新的环境温度。

系统结构框图

3、远红外测温仪的硬件设计

（1）远红外测温仪的一般组成

远红外探测器一般由光学系统、敏感元件、前置放大器和信号调制器组成。

光学系统是远红外探测器的重要组成部分。

根据光学系统的结构分为反射式光学系统的远红外探测器和透射式光学系统的远红外探测器两种。

对于反射式光学系统的红外探测器的结构，它由凹面玻璃反射镜组成，其表面镀金、铝和镍铬等红外波段反射率很高的材料构成反射式光学系统。

为了减小像差或使用上的方便，常另加一片次镜，使目标辐射经两次反射聚集到敏感元件上，敏感元件与透镜组合在一起，前置放大器接收热电转换后的电信号，并对其进行放大。

本设计中主要使用透射式光学系统的远红外探测器，其原理图如图3.1所示。

透射式光学系统的部件用红外光学材料做成，不同的红外光波长应选用不同的红外光学材料：

在测量700℃以上的高温时，用波长为0.75～3um范围内的近红外光，用一般光学玻璃和石英等材料作透镜材料；当测量100～700℃范围内的温度时，一般用3～5um的中红外光，多用氟化镁、氧化镁等热敏材料；当测量100℃以下的温度用波长为5～14um的中远红外光，多采用锗、硅、硫化锌等热敏材料。

三个范围内的波长远红外光其测量的温度相对较低，同时对仪器的损坏了相对较小，而远红外测温仪最适合的工作波长是8～14um，因此，在选用波段时应充分考虑远红外测温仪的工作波长而选择第三段。

获取透射红外光的光学材料一般比较困难，反射式光学系统可避免这一困难，所以，反射式光学系统用得较多。

图3.1透射式远红外探测器示意图

（2）测温模块的分析

远红外测温仪系统是一个有机的整体，并能对各种信息进行快捷的处理和显示，因此,在进行信号接收时首先利用遮光板对被测物体所发出的红外辐射能量进行有选择的吸收，主要吸收其中的远红外光谱。

而遮光孔的大小由单片机输出控制信号控制电机的转动与否来带动遮光板旋转。

经选择吸收的远红外辐射光信号通过敏感元件的转换成与之相应的电信号并送到放大器进行放大处理，再经滤波器的滤波处理成所需要的电信号送到加法器运算，最后送到显示输出端显示，但是在进行加法运算时要利用温度补偿部分对所输出的数据进行补偿，以实现被测物体温度值与显示输出的线性关系，从而实现测温仪的智能化控制，据此原理得出远红外测温仪的部份处理装置的原理框图如图3.2所示。

图3.2红外测温部份处理装置的原理框图

远红外测温仪的探头部分的方框图是一个包括光、机、电一体化的红外测温系统，利用热辐射体在远红外波段的辐射能量来测量温度，由测温传感器、放大单元、滤波单元及加法单元、温度补偿单元组成。

测温传感器为一暗盒，盒内固定热释电探测器件，前方有遮光板，电动机带动遮光板旋转，将被测的红外辐射调制成交变的红外辐射线，红外测温装置通过光电敏感元件将远红外辐射能变换为电信号输出，温度补偿二极管也固定在盒内；放大单元是选用集成运放作为模拟放大器,且运放工作于线性放大区，电路的输出与输入之间存在一一对应的关系,反馈信号通过反馈电阻送到输入端,即利用电压本身的变化量通过反馈网络对放大电路起自动调整作用,最终达到放大并稳定输出电压的作用；滤波单元采用集成运放组成的有源滤波器,由两节RC滤波电路和反相比例放大电路所组成,开环电压增益的输入阻抗很高，输出阻抗较低,而且具有一定的电压放大和缓冲作用；温度补偿单元采用二极管温度补偿电路,利用半导体受到外界的光和热的刺激时，其导电性能将会发生其显著变化，在将二极管的温度补偿信号经差动放大以补偿环境温度的影响。

（3）同相放大器的方案设计

运算放大器（简称运放）实际上是多级直接耦合放大电路的集成形式，其特点是高输入电阻、高放大倍数、低输出电阻。

通常可以选用集成运算放大器作为模拟放大器，在某些精密的数字仪表系统中则可以选用仪表放大器和隔离放大器。

选择放大器时主要考虑放大器的带宽和精度，放大器的满度误差和零位误差多半是可调的，因此这里精度主要指温漂和噪声。

由于运放在电路性能方面具有众多优点，因此被广泛应用于模拟电路的各个领域之中，根据运放在电路中的工作状态，可把这些电路归纳为两大类：

一是运放的线性应用，此类电路有一个显著的待点，即运放工作于线性放大区，电路的输出与输入之间存在一一对应的函数关系；二是运放的非线性应用，此类电路在多数情况下，运放工作在饱和状态。

由于运放的工作状态不同，故所适用的分析方法亦不同。

集成运放在使用中常因以下三种原因被损坏：

输入信号过大，使PN结击穿；电源电压极性接反或过高；输出端直接接“地”或接电源，此时，运放将因输出级功耗过大而损坏。

因此，为使运算放大器安全工作，也从这三个方面进行保护。

在常用的放大电路中，比例运算放大器电路的接法有两种：

一种是同相输入接法，另一种是反相输入接法，分别属于电压串联负反馈电路和电压并联负反馈电路。

在本课题中比例运算放大电路采用同相输入的接法，其电路图如图3.4所示。

这种电路的重要特点是：

电路的输出电压趋向于维持恒定，因为无论反馈信号以何种方式引回到输入端，实际上都是利用输出电压本身的变化量通过反馈网络对放大电路起自动调整作用，这就是电压反馈的实质。

若从输入电压取样，通过反馈网络得到反馈电压，然后与输入电压相比较，求得差值作为净输入电压进行放大，则称电路中引入了电压串联负反馈,其电路图如图3.3所示。

该电路采用电阻分压的方式将输出电压的一部分作为反馈电压，电路各点电位的瞬时极性如图中所标注。

其工作原理是：

当输入端正向电压

增加时，且

接放大器的同相输入端，反馈电压

，若输入电压

对R1和R2所组成的反馈网络的作用忽略不计，即可以为R1上的电压

；并且，由于集成运放开环差模增益

很大，因而其净输入电压

也可以忽略不计。

根据“虚短”和“虚断”的概念，集成运放的净输入电压为零，即

说明集成运放有共模输入电压。

所以输出电压为：

此式表明，

与

同相且

大于

，电路引入电压串联负反馈后，一旦

和

的取值确定，

就仅仅决定于

，而与负载电阻

无关。

因此，可以将电路的输出看成为电压

控制的电压源

，所以它稳定了输出电压

，且输出电阻为零。

信号源内阻越小，其反馈效果就越好。

由于电路引入了电压串联负反馈，故可以认为输入电阻为无穷大，输出电阻为零。

即使考虑集成运放参数的影响，输入电阻也可达

。

应当指出，虽然同相比例运算电路具有高输入电阻、低输出电阻的优点，但因为集成运放有共模输入，所以为了提高运算精度，应当选用高共模抑制比的集成运放。

上述结论是有条件的，只有认为集成运放同相输入端和反相输入端的电流

﹑

趋于零（称为“虚断路”），才能忽略

对反馈网络的作用；只有认为集成运放同相输入端和反相输入端的电位近似相等（称为“虚短路”），才能忽略净输入电压，使

。

实际上，只有集成运放的开环差模增益

和差模输入电阻

均趋近于无穷大时，才会在集成运放的输入端存在“虚断路”和“虚短路”。

电压串联负反馈电路示图

同相放大器电路图

（4）A/D转换模块

能将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器，A/D转换器已经成为计算机系统中不可缺少的接口电路。

为确保系统处理结果的精确度，A/D转换器必须具有足够的转换精度；在实现对快速变化的信号的实时控制与检测，还要求具有较高的转换速度。

为将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程，在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，同时实现。

即外部的各种模拟信号必须通过A/D转换器变换为数字信号后，才能送入微处理器芯片。

在单片集成A/D转换器中，ADC0809是8位的芯片，采用逐次比较式工作原理。

具有地址锁存控制的8路模拟开关，应用单一+5V电源，其模拟量输入电压的范围为00H—FFH，转换时间为100

，无须调零或调整满量程。

大部分M68HC08等系列MCU中具有ADC模块，但结构功能不完全相同，有8位精度的，也有10位精度的。

采样通道数也有多种选择。

ADC还有一个来自模拟模块的内部采样源。

模拟多路复用允许选择14个ADC通道中的一个作为采样电压输入端

。

当转换结束后，ADC把转换好的结果放入数据寄存器，高字节和低字节分别为ADRH0和ADRL0，然后设置标志位或产生中断。

在自动扫描模式下，用附加的3个ADC数据寄存器ADRL1～3来存放ATD1～3通道的A/D转换结果，通道ATD0的转换数据放在ADRL0中。

（5）单片机的选择

自1971年微处理器研制成功后，不久就出现了单片的微型计算机（简称单片机）。

特别是1976年Intel公司推出的MCS-48单片机，以其体积小、功能全、价格低等特点赢得了广泛应用。

MCS-48为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展过程中的一个重要阶段。

在MCS-48的成功应用的激励下，许多半导体公司和计算机公司竞相研制和发展自己的单片机系列。

1980年Intel公司最先推出的8位单片机MCS-51系列，包括8031、8051、8052及8751等，它们的基本组成、基本性能和指令系统都是相同的。

MCS-51是在MCS-48的基础之上发展起来的