非接觸式紅外溫度測量裝置在真空干燥箱中的測量及應用

趙吉 吳明岳 宋鴿 李天然

（1.吉林省計量科學研究院 吉林省計量測試儀器與技術重點實驗室 ?吉林長春 ?130103; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2.吉林省質量技術監督中等職業學校 ?吉林長春 ?130000）

摘 ? 要：本文基于紅外熱電堆傳感器，將紅外非接觸式測溫技術用于對真空干燥箱內的紅外溫度監測研究。系統設計包括三通道紅外測溫光學系統及紅外探測器，數據采集及保存功能模塊，實現了三通道測溫功能。通過藍牙傳輸模塊實現了溫度的無線數據傳輸。利用設計的紅外測溫裝置，實現了對真空干燥箱內實際溫度的實時監測與校正，達到了實用要求。

關鍵詞：紅外 ?非接觸 ?熱電堆傳感器

中圖分類號：TP273 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）02（c）-0055-02

自從1800年英國物理學家赫歇爾發現紅外輻射的100多年以來，紅外技術的發展速度緩慢，直到20世紀40年代之后當代紅外技術才真正得出現，整套紅外輻射理論體系才被完整地總結出來[1-2]。

在諸多溫度測量的研究中，瞬態溫度測量往往是各國科學家爭相研究的難題，為了解決瞬態溫度測量的精確性和快速性等難題，國內外學者都已進行了大量的研究探索。目前，測量瞬態溫度的方法有很多種，而大致總結出來基本可以分為以下兩大類：一種是接觸式測量方式，另外一種就是非接觸式測溫方法[3]。

紅外熱電堆測溫即屬于一種非接觸式的溫度測量方式，這種測量方式利用 紅外熱電堆探測熱源發出的紅外輻射，并將其轉換成電信號進行傳輸與測量。由于探測紅外輻射來測量溫度具有非接觸性，不需要接觸被測物體，因此不會 改變物體周圍的溫度場。因而紅外溫度測量方式的準確性和靈敏度較接觸式方法高出很多[4]。

1 ?紅外熱電堆傳感器原理

紅外熱電堆是一種熱釋電傳感器，其結構是由若干熱電偶單元構成的一種器件，所以紅外熱電堆傳感器的工作原理是基于熱電偶元件得出的，而熱電偶元件則是利用其組成材料的塞貝克效應的實現紅外感知的。塞貝克效應的成因可以簡單地解釋為在溫度梯度下導體內的載流子從熱端向冷端運動，并在冷端堆積，從而在材料內部形成電勢差，同時在該電勢差作用下產生一個反向電荷流，當熱運動的電荷流與內部電場達到動態平衡時，半導體兩端形成穩定的溫差電動勢。這種電動勢與熱電偶兩端間的溫度梯度大致成線性關系，因此在理想狀態下，兩者成正比關系，由如下關系式可表示[5]：

△V=SAB△T ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，SAB代表相對塞貝克系數，其數值由制成熱電偶的材料決定。

2 ?紅外測溫裝置設計

對于紅外測溫系統的設計，整個系統的核心——紅外測溫探頭的選取尤為重要，本文選擇紅外熱電堆傳感器作為測量裝置的核心部件。

非接觸式紅外測溫儀硬件結構如圖1所示，包括單片機微處理器、電源電路、數據存儲、三通道紅外傳感器、無線傳輸模塊5個主模塊。電源端由鋰離子電池為各模塊提供工作電壓。

非接觸式測溫系統的前端首先就是紅外光學系統，它的作用主要是改善紅外輻射的分布，更有效的利用紅外輻射光能。采用透射式光學系統進行紅外輻射采集，使紅外輻射信號會聚在探測器的靈敏面上。紅外熱電堆探測器將輻射信號轉換成電信號，輸入到放大電路。紅外輻射照射到探測器上，轉變為脈沖電信號。此時的電信號通常只有幾毫伏。需要將信號由毫伏量級放大到數伏量級，且需對信號進行數字化的處理。系統包括溫度數據存儲模塊以及無線傳輸模塊?？梢圆捎脺囟刃畔⒂涗泝Υ娴姆绞?，測試結束后再提取數據。在對電磁信號屏蔽較弱的控溫設備檢測中也可采用無線模塊對數據進行實時的傳送。

在模塊的芯片中燒錄信號編譯程序，使熱電堆探測器測得的模擬電信號轉化為數字信號輸出。其中，模擬信號轉譯電平的程序為ModebusCRC16算法，經轉譯后得到蘊含溫度信息的TTL電平信號，紅外熱電堆探測模塊需要將電平信號傳輸至無線數據發送裝置，其中探測模塊與無線發送裝置間的交互協議為LRC數據發送協議，通過該協議即可將紅外熱電堆模塊轉譯得到的TTL電平信號傳輸至無線裝置進行發送。

無線傳輸部分將采用藍牙連接方式，利用藍牙發送模塊連接紅外溫度探測器，可直接與電腦進行藍牙配對，將熱電偶探測器的溫度數據由電腦藍牙接收，導入測溫軟件中存儲。在設計的紅外測溫系統中，使用HC-05藍牙傳輸模塊來負責系統采集數據的傳輸。

HC-05藍牙模塊與紅外熱電堆傳感模塊相連接，其連接端各接口之間需按數據交互的方式連接。將傳感模塊置于真空干燥箱內，并打開串口調試軟件。箱內溫度設定從80℃開始設置，待溫度穩定后開始記錄溫度值。

3 ?實驗結果

將真空干燥箱的初始溫度設置為80℃，將紅外熱電堆探頭放置在真空干燥箱內。待溫度穩定后開始測溫，每隔1min記錄一次，測量30min。真空干燥箱內溫度值隨時間變化曲線如圖2所示。

由圖2可以看出在設定溫度為80℃下真空干燥箱內的溫度變化經歷了多次先升溫再降溫的過程，且實際溫度與設定溫度存在著近20%的偏差。

通過實驗所測得的箱內實際溫度曲線，不難歸納出以下幾個特點：紅外測溫系統測得的干燥箱內實際溫度在設定溫度下比設置的溫度低。在干燥箱溫度設定為恒定值時，箱內真實溫度隨時間的會出現小范圍的波動，變化程度在0.3℃～0.5℃以內。箱內實際溫度出現小范圍內的明顯上升或下降與真空干燥箱的工作狀態有著很大的相關度，干燥箱加熱啟動時溫度升高，停止加熱時箱內實際溫度降低。

4 ?結語

本文設計了一套適用于真空干燥箱內測溫的紅外溫度監測系統，并完成了系統的實物裝置制作。該系統由紅外熱電堆傳感器、藍牙數據傳輸模塊、附帶電源以及石棉隔熱罩組成，利用測溫系統連接電腦藍牙傳輸溫度數據的方法解決了真空干燥箱的密封性帶來的無法有線傳輸數據的限制，并且使用石棉罩保護系統內部電子器件，克服了箱內的高溫環境;在實驗前對系統的穩定性也進行了測試，取得了比較穩定的結果，確保了測溫系統對箱內溫度測量的準確度與耐用性。在箱內設定溫度為80℃的范圍內對干燥箱實施了溫度監測，得到了箱內實際溫度，繪制出了恒溫狀態下的溫度變化曲線，驗明了真空干燥箱在不同設定溫度下箱內的真實溫度狀況，也為日后同等高溫密封條件下的溫度監測研究提供了范本。

參考文獻

[1] Rekant， Steven I.1，2;Lyons， Mark A.1，2，3;Pacheco， Juan M.1，2 etc. Veterinary applications of infrared thermography.[J]. AMERICAN JOURNAL OF VETERINARY RESEARCH.2016.

[2] Infrared thermography explained.[J]. Insight： Non-Destructive Testing & Condition Monitoring.2016.

[3] P. Vondracek;E. Gauthier;O. Ficker;M. Hron;M. Imrisek;R. Panek.Fast infrared thermography on the COMPASS tokamak[J]. Fusion Engineering and Design.2017.

[4] 黨芬，王敏芳，汪銀輝.武器裝備中的紅外隱身技術[J].紅外技術.2006，28（1）：50-53.

[5] 王魁漢.溫度測量實用技術[M].北京：機械工業出版社，2007.