具有無線數(shù)據(jù)傳輸功能的紅外測溫儀的設(shè)計

摘要：基于普朗克定律設(shè)計紅外測溫儀，采用無線通信模塊PTR8000實現(xiàn)上位機與紅外測溫儀之間的數(shù)據(jù)傳輸，開發(fā)了上位機管理軟件，實現(xiàn)了溫度的實時顯示。經(jīng)實驗驗證，該測溫儀具有一定的測量精度，滿足一般工業(yè)要求。
關(guān)鍵詞：紅外測溫儀：數(shù)據(jù)傳輸；無線通信；PTR8000

0 引言
溫度作為一種重要的熱工參數(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)中的很多場合要求實現(xiàn)實時自動監(jiān)測和控制溫度。傳統(tǒng)的接觸式測溫方式因反應(yīng)速度慢、測溫時間長、干擾物體的溫度場等缺點而使其應(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、設(shè)備在線故障診斷、安全保護以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮著重要作用。
基于紅外測溫技術(shù)設(shè)計的測溫儀具有非接觸測量、測量范圍廣、測溫速度快、準(zhǔn)確度高、靈敏度高、使用方便、壽命長等特點。目前，國內(nèi)外非接觸紅外測溫技術(shù)的發(fā)展極為迅速，德國IMPAC公司生產(chǎn)的數(shù)字式紅外測溫儀IS5系列很受用戶歡迎，美國雷泰公司的紅外測溫儀在市場上也占有很大份額。國內(nèi)生產(chǎn)紅外測溫儀的廠家和研究所有：上海自動化儀表三廠、云南儀表廠、中國科學(xué)院自動化所、杭州無線電廠等，產(chǎn)品也都具有良好的性能。

1 紅外測溫原理
在自然界中，一切溫度高于絕對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，可以通過測量物體自身的紅外輻射能來準(zhǔn)確測定其表面溫度。這就是紅外測溫的理論基礎(chǔ)。
普朗克定律描述了絕對黑體的輻射能力與波長和溫度之間的關(guān)系。其數(shù)學(xué)表達式為：

從式(1)可以看出只要我們測出了黑體的輻射出射度M(λ，T)，對其在全波長范圍內(nèi)進行數(shù)學(xué)積分就可以得出黑體的溫度。這就是設(shè)計紅外測溫儀的理論依據(jù)。
普朗克定律是以“黑體”作為研究對象分析得出的。但是，自然界中存在的實際物體都不是黑體，所有實際物體的輻射能量除依賴于輻射波長及物體的溫度外，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際物體，必須對其進行修正。引入比例系數(shù)(即發(fā)射率，表征實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 紅外測溫儀
紅外測溫采用逐點分析的方式，即把物體一個局部區(qū)域的熱輻射聚焦在單個探測器上，并通過己知物體的發(fā)射率，將輻射功率轉(zhuǎn)化為溫度。由于被檢測的對象、測量范圍和使用場合不同，紅外測溫儀的外觀設(shè)計和內(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)、光電探測器、信號放大器及信號處理、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)匯聚其視場內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學(xué)零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號。由于該電信號十分微弱，因此要經(jīng)過放大處理后再送入信號處理電路，同時為了消除環(huán)境溫度的影響，增加了補償電路，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對象的溫度值，最終通過傳輸線路顯示到輸出終端。
2．1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計
光學(xué)系統(tǒng)是紅外測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)。

對大多數(shù)光學(xué)系統(tǒng)而言，由于加工、檢測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)(見圖2)。同時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器位于透鏡焦點處。