熱釋電傳感器的非接觸式測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：介紹了利用熱釋電紅外傳感器進(jìn)行非接觸式測(cè)溫的基本原理、紅外測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理電路的組成。以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一套非接觸式紅外測(cè)溫裝置，用該裝置測(cè)定了移動(dòng)目標(biāo)表面溫度。在模擬實(shí)際場(chǎng)景應(yīng)用時(shí)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)較遠(yuǎn)距離的運(yùn)動(dòng)行人體溫的準(zhǔn)確測(cè)量；裝置還增加了高溫報(bào)警電路和藍(lán)牙無(wú)線通信模塊，豐富了使用功能。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；測(cè)控系統(tǒng)；熱釋電傳感器；非接觸式測(cè)溫計(jì)；無(wú)線通信

引言
紅外線的輻射波長(zhǎng)約0．77～1 000 pm，紅外輻射的不同波段有不同的應(yīng)用。從軍事上的紅外線制導(dǎo)導(dǎo)彈、紅外成像夜視儀，到包含高新尖端技術(shù)的紅外氣象衛(wèi)星，從工業(yè)上普遍應(yīng)用的紅外光電計(jì)數(shù)器、紅外測(cè)溫儀、紅外氣體分析儀，到民用的波動(dòng)式紅外防盜報(bào)警器、人體紅外自動(dòng)照明開(kāi)關(guān)等，紅外傳感技術(shù)已在空間、工農(nóng)業(yè)、民用等各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。熱釋電紅外探測(cè)器簡(jiǎn)稱熱釋電探測(cè)器，是近十年來(lái)在熱探測(cè)領(lǐng)域得到重要發(fā)展的一種新型熱探測(cè)器。據(jù)報(bào)道這種探測(cè)器可以廣泛地用于輻射溫度測(cè)量、紅外光譜測(cè)量、激光參數(shù)測(cè)量、非接觸式溫度測(cè)量、T業(yè)過(guò)程自動(dòng)監(jiān)控、安全警戒、紅外攝像與空間技術(shù)等方面。我國(guó)在這方面的研究，雖然起步晚些，但近年來(lái)也有重要研究成果報(bào)道，這種探測(cè)器和以往常用的測(cè)輻射熱計(jì)、溫差熱電堆等熱探測(cè)器比較，具有以下特點(diǎn)：
①頻率特性好。其他熱探測(cè)器都是在熱平衡后輸出最大，工作時(shí)輻照時(shí)間必須大于熱平衡的時(shí)間常數(shù)(一般為數(shù)ms至數(shù)十ms)。而熱釋電探測(cè)器，是在非熱平衡狀態(tài)下工作的，熱平衡時(shí)反而沒(méi)有輸出，因此工作時(shí)輻照時(shí)間必須小于熱平衡時(shí)間常數(shù)(一般為0．1～1 s)。也就是說(shuō)它的工作速度不受熱平衡的限制，其頻率的上限主要取決于其等效電容和后續(xù)電路。
②在室溫下工作，不需制冷即能獲得很高的靈敏度，可與低溫下高靈敏度的測(cè)輻射熱計(jì)相媲美。
③輸出阻抗是純電容性的，直流阻抗極高。
④體積小、重量輕、堅(jiān)固。
因此，熱釋電探測(cè)器是一種很理想的紅外輻射探測(cè)器，在熱探測(cè)領(lǐng)域中占有十分重要的位置。

1 測(cè)量原理
紅外測(cè)溫儀的測(cè)溫原理是黑體輻射定律。眾所周知，自然界中一切高于絕對(duì)零度的物體都在不停向外輻射能量，物體向外輻射能量的大小及其波長(zhǎng)的分布與它的表面溫度有著十分密切的聯(lián)系，物體的溫度越高，所發(fā)出的紅外輻射能力越強(qiáng)。黑體處于溫度T時(shí)，在波長(zhǎng)為λ處的
單色輻射出度由普朗克公式確定，即

熱釋電紅外傳感器由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，元件兩個(gè)表面做成電極，當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)溫度有△T的變化時(shí)，熱釋電效應(yīng)會(huì)在兩個(gè)電極上產(chǎn)生電荷，即在兩電極之間產(chǎn)生微弱電壓△V。熱釋電探測(cè)器檢測(cè)到變化的溫度，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后，變成一個(gè)交流電壓信號(hào)供信號(hào)處理電路進(jìn)行處理?？捎善绽士斯酵茖?dǎo)出輻射體溫度的公式：

其中，T1為測(cè)目標(biāo)的溫度；T2為環(huán)境溫度；ε1為被測(cè)目標(biāo)輻射率；ε2為環(huán)境的輻射率；σ為斯忒藩-玻耳茲曼常數(shù)，且σ=5．670 3×10-8W·m-2·K-4；K為表示探測(cè)器的靈敏度，且有
K=R·α·ε·σ1R
其中，R表示揮測(cè)器的靈敏度；ε為輻射體的輻射率，定標(biāo)時(shí)一般取1；α為與大氣衰減距離有關(guān)的常數(shù)。

2 測(cè)溫系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
紅外測(cè)溫儀的系統(tǒng)主要由光學(xué)系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)完成視場(chǎng)大小的確定，熱釋電探測(cè)器用將聚焦在探測(cè)器上的紅外能量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、濾波后進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換，并送至單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理，液晶顯示單元顯示出被測(cè)目標(biāo)的溫度值。

3 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)
3．1 信號(hào)放大電路
當(dāng)光信號(hào)經(jīng)過(guò)熱釋電傳感器后，就變?yōu)榻蛔兊拿}沖信號(hào)，熱釋電傳感器接收到的人體輻射信號(hào)很微弱，只有微伏或納微伏數(shù)量級(jí)，故需要放大后才能進(jìn)行信號(hào)處理。
本系統(tǒng)把信號(hào)的放大電路分為前置放大電路和后級(jí)放大電路進(jìn)行處理。前置放大器必須是高增益和低噪聲的，高增益是用來(lái)把微弱信號(hào)放大到一定電平，以便進(jìn)一步再作處理，低噪聲是為了保持盡可能高的信噪比。
放大電路采用低失調(diào)精密運(yùn)算放大芯片LM358，其內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式。系統(tǒng)的信號(hào)放大電路如圖1所示。

集成運(yùn)放LM358特點(diǎn)是低失調(diào)、低噪聲、低漂移，廣泛用于精密儀器放大器、傳感放大器等場(chǎng)合。紅外傳感信號(hào)由LM358的引腳3端口進(jìn)入放大電路，圖中電容C1用于濾除信號(hào)中的直流信號(hào)，電路可調(diào)電位器Rv1用來(lái)對(duì)傳感器輸出信號(hào)的增益進(jìn)行調(diào)節(jié)。引腳7端口將放大后的紅外傳感信號(hào)送往信號(hào)采集電路單元進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換。