具有無線數(shù)據(jù)傳輸功能的紅外測(cè)溫儀的設(shè)計(jì)

摘要：基于普朗克定律設(shè)計(jì)紅外測(cè)溫儀，采用無線通信模塊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。
關(guān)鍵詞：紅外測(cè)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(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、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、壽命長等特點(diǎn)。目前，國內(nèi)外非接觸紅外測(cè)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(cè)溫儀IS5系列很受用戶歡迎，美國雷泰公司的紅外測(cè)溫儀在市場(chǎng)上也占有很大份額。國內(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、中國科學(xué)院自動(dòng)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(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(cè)量物體自身的紅外輻射能來準(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。