陣列式紅外測溫儀的研制

【摘 要】近年來，紅外輻射溫度檢測技術由于其具有安全、精確、便捷等優(yōu)點，在溫度檢測方面?zhèn)涫芮嗖A。本文針對當前市場上主要使用的紅外測溫儀和紅外熱像儀存在的弊端，考慮到紅外測溫儀的測量精度與成本，研制出一種新的紅外測溫儀。該測溫儀能夠對目標物整體進行實時測溫，且無需進行“輻射率修正”，可以得到多點溫度的測量值，具有較高的測量精確度。

【關鍵詞】紅外測溫；陣列式；輻射率修正

1.紅外測溫儀器

在紅外輻射溫度測量技術中，目前主要使用的有紅外測溫儀和紅外熱像儀。紅外測溫儀的測溫是將物體發(fā)射的紅外輻射能經單元探測器轉變成電信號，經數(shù)據(jù)處理后轉換成溫度值。紅外熱像儀則是將被測目標的紅外輻射能量分布圖形投射到陣列式紅外探測器（紅外CCD）上，再經轉換而獲得紅外熱像圖及其溫度分布值[1]。

紅外熱像儀對溫度變化具有較高的靈敏度，可以精確的反映物體表面各部分的溫度差別。但是由于它是利用環(huán)境溫度進行定標，且須作被測物體的輻射率修正，在被測物輻射率未知的情況下，不能夠準確的反映出各點溫度的絕對值。特別是在被測溫度較高時，測量誤差將變得比較大。紅外測溫儀的測量精確度遠高于熱像儀，但是一次測量只能得到被測物某一面元的平均溫度值，而得不到面元內各點的溫度分布。雖然利用掃描的辦法可以在一定程度上取得被測物體的二維溫度分布，但在溫度隨時間變化較快的情況下，不能準確反映同一時刻的溫度分布情況，而且這種儀器結構復雜，成本高，不易推廣[2]。

2.陣列式測溫儀

2.1基本原理

陣列式紅外測溫儀的基本原理是依照紅外熱像儀探測器的結構，將紅外測溫儀的探測器陣列化。陣列式探測器接收從光學系統(tǒng)聚焦而來的紅外輻射，并且把紅外輻射轉換為模擬信號。由于從探測器轉化出的電信號非常微弱，所以需要經過放大濾波電路傳送給A/D轉換器，再將經過A/D轉換器轉換后的數(shù)字信號直接送給AVR單片機。經過單片機處理后，由串口通信把數(shù)據(jù)傳送給ARM。在Linux的操作系統(tǒng)上編寫符合測溫儀功能的人性化操作界面，把以電壓形式的數(shù)據(jù)轉變成溫度從而顯示出來。該儀器的測量精確度遠高于紅外熱像儀，而成本卻遠低于紅外熱像儀。

以下為該儀器主要性能指標。

（1）測溫范圍：800℃～2800℃。

（2）紅外波段：1μm～3μm。

（3）響應時間：1ms。

（4）探測率：2×1010cm·Hz1/2/W。

2.2探測器設計

紅外探測器是紅外測溫儀的關鍵元件，其作用是接收由光學系統(tǒng)會聚的紅外輻射，并將其轉換為一種可以測量的物理量[3]。因此，探測器的選擇將會直接影響紅外測溫儀的整體性能。

光電探測器根據(jù)其產生原理的差異分為光導型和光伏型兩種。由于兩者工作原理不同，導致光伏探測器的響應時間要比光電導探測器的響應時間短得多。因此，本設計首選光伏型探測器作為陣列式紅外測溫儀紅外探測器。其次，由于硅材料價格便宜，光學帶隙為1.1eV，對近紅外輻射區(qū)（0.75μm<λ<1.1μm）較敏感，且單晶硅的輻射穩(wěn)定性較高，故選用單晶硅作為紅外探測器的材料，同時可降低成本[4]。

2.3信號處理過程

在實際測量中，紅外輻射經過探測器轉換輸出的信號微弱，需經過數(shù)字處理系統(tǒng)的放大和處理才可進行顯示[8]。信號處理系統(tǒng)具有微弱電信號的放大、A/D轉換、信號處理、數(shù)據(jù)的顯示等四大功能。第一級放大采用對弱信號的放大效果較好、具有穩(wěn)定增益的儀表放大器（INA128），該放大器具有的高抑制共模干擾特性，可以消除由于供電、信號長距離傳輸?shù)纫蛩卦斐傻墓材Ｔ肼暤挠绊?；第二級放大采用具有較高增益和放大線性度的運算放大器（MAX9943-MAX9944），該放大器負反饋的放大電路形式保證了增益的穩(wěn)定性和一致性。

陣列式紅外測溫儀整機可以采用AD7656進行數(shù)模轉換、AD7656的并行和串行接口、以及極高的采用率（最高為250kSPS），保證對信號輸出的實時性。經模數(shù)轉換的數(shù)據(jù)送入89C52/8051F340，然后通過通信協(xié)議與ARM建立數(shù)據(jù)傳輸，在ARM開發(fā)板上實現(xiàn)溫度分布圖的顯示[9]。

2.4溫度顯示

由于采用micro2440ARM開發(fā)板，可以在Linux環(huán)境下實現(xiàn)HMI。此HMI具有二維或三維圖表的顯示功能，可以將某一時刻的各局部溫度以曲線（二維）或曲面（三維）的方式顯示。由此可以查詢單個或多個測溫點的歷史溫度記錄，以平面或三維的方式顯示。界面中還可以實時地在圖表中顯示一些統(tǒng)計結果，如最高、最低溫度、平均溫度等信息。此HMI在豐富的顯示功能之外，還具備簡便、人性化的操作。例如可以實現(xiàn)一鍵測量和顯示，方便的查詢歷史信息，可以對操作人員的權限進行分級管理等。

HMI界面主要有測試主界面、數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)設置、色溫顯示、文件輸出。測試主界面完成對測試溫度的顯示。同時，需要顯示設備狀態(tài)、設備運行狀態(tài)控制按鈕、運行時間、當前時間和程序運行狀態(tài)[11]。而且測試主界面可以提供導航菜單實現(xiàn)界面切換。

3.優(yōu)點與發(fā)展前景

陣列式紅外測溫儀集成了傳統(tǒng)紅外測溫儀和紅外熱像儀的優(yōu)點，不但實現(xiàn)了對物體表面溫度分布的高精度測量，而且降低了制造成本。該測溫儀可以對目標物整體進行實時測溫，同時得到多點溫度的測量值，并且無需進行“輻射率修正”[12]。該測溫儀能夠獲得被測物體表面各點絕對溫度分布圖，具有高的測量精確度。

隨著時代的不斷進步，促進著紅外技術的飛速發(fā)展，紅外測溫設備的成本將不斷降低，應用范圍不斷擴大。例如，在環(huán)境科學方面，利用紅外探測技術不僅能夠檢測海水和大氣的污染情況，而且還能夠調查地礦、地熱、水資源等[13]。紅外技術將在更多的范圍占據(jù)著越來越重要的作用。

【參考文獻】

[1]H.Ohyama，E.simien，etal.Radiation damage in Si Photodiodes by high-temperature irradiation[J].physica，2003.

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[5]金偉其，侯廣明，劉廣榮.非致冷焦平面熱成像技術及其應用.紅外技術，1998.

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[7]張忠恒.雙光束紅外測溫儀[D].天津：天津理工大學，2007.

[8]陳冬云，杜敬倉，任柯燕.Atmega128單片機原理與開發(fā)指導[M].北京：機械工業(yè)出社，2005.

[9]金偉其，侯廣明，劉廣榮.非致冷焦平面熱成像技術及其應用.紅外技術，1998，20.

[10]孫志君.紅外焦平面陣列技術的軍用前景展望.傳感器世界，1999.

[11]羅森林，周思永等.光電探測器的設計[J].半導體光電.1998.

[12]周慶福，楊永軍，呂國義.紅外輻射測溫儀及校準方法討論[J].計測技術，2008.

[13]戴景民.輻射測溫的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展[J].自動化技術與應用，2004.