SOC的高精度紅外測溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理歸總

溫度測量主要有兩種方式：一種是傳統(tǒng)的接觸式測量，另一種是以紅外測溫為代表的非接觸式測量。傳統(tǒng)的溫度測量不僅反應(yīng)速度慢，而且必須與被測物體接觸。紅外測溫以紅外傳感器為核心進(jìn)行非接觸式測量，特別適用于高溫和危險(xiǎn)場合的非接觸測溫，得到了廣泛的應(yīng)用。本文將詳細(xì)介紹如何設(shè)計(jì)基于SOC級(jí)微處理器的高精度紅外測溫系統(tǒng)，及其在電力溫度檢測、設(shè)備故障診斷方面的應(yīng)用。

1.紅外測溫儀的工作原理

自然界一切溫度高于絕對(duì)零度的物體，都在不停地向外發(fā)出紅外線。物體發(fā)出的紅外線能量大小及其波長分布同它的表面溫度有密切關(guān)系，物體的輻射能量與溫度的 4 次方成正比，其輻射能量密度與物體本身的溫度關(guān)系符合普朗克定律。因此我們通過測量物體輻射出的紅外能量的大小就能測定物體的表面溫度。微小的溫度變化會(huì)引起明顯的輻射能量變化，因此利用紅外輻射測量溫度的靈敏度很高。實(shí)際物體的輻射度除了依賴于溫度和波長外，還與構(gòu)成該物體的材料性質(zhì)及表面狀態(tài)等因素有關(guān)。只要引入一個(gè)隨材料性質(zhì)及表面狀態(tài)變化的輻射系數(shù)，則就可把黑體的基本定律應(yīng)用于實(shí)際物體。這個(gè)輻射系數(shù)，就是發(fā)射率ε，或稱之為比輻射率，其定義為實(shí)際物體與同溫度黑體輻射性能之比，該系數(shù)表示實(shí)際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，其值在0和1的數(shù)值之間。

紅外測溫儀的工作原理如圖 1所示：被測物體輻射出的紅外能量通過空氣傳送到紅外測

溫儀的物鏡，物鏡把紅外線匯聚到紅外探測器上，探測器將輻射能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，又通過前置放大器、主放大器將信號(hào)放大、整形、濾波后，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路處理后輸入微處理器。微處理器進(jìn)行環(huán)境溫度補(bǔ)償，并對(duì)溫度值進(jìn)行校正后驅(qū)動(dòng)顯示電路顯示溫度值。同時(shí)，微處理器還發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)，并且接受按鍵輸入的發(fā)射率以完成發(fā)射率設(shè)定。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本紅外線溫度檢測系統(tǒng)主要由傳感器 A2PTMIpLM358有源濾波電路pAD轉(zhuǎn)換電路p微處理器p顯示電路等幾個(gè)部分組成。因?yàn)閭鞲衅鬏敵龅男盘?hào)為0-5V，剛好滿足 AD轉(zhuǎn)換的要求，故在本設(shè)計(jì)中省略了放大電路，只對(duì)傳感器的信號(hào)進(jìn)行了濾波處理。另外，本系統(tǒng)還有信號(hào)變換電路輸出4～20mA、1～5V等模擬信號(hào)，并有RS232、RS485接口輸出數(shù)字信號(hào)來與上位機(jī)通信。

2.1傳感器A2PTMI原理及其應(yīng)用

PerkinElmer A2TPMI 是一種內(nèi)部集成了專用信號(hào)處理電路以及環(huán)境溫度補(bǔ)償電路的多用途紅外熱電堆傳感器，這種集成紅外傳感器模塊將目標(biāo)的熱輻射轉(zhuǎn)換成模擬電壓。該傳感器自帶距離系數(shù) D：S=8：1的光學(xué)系統(tǒng)，通過該透鏡接收空氣中的紅外輻射，然后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)，該信號(hào)通過一個(gè) 8 bit分辨率的可編程放大器放大。根據(jù)熱電堆溫度測量原理，熱電堆電壓可能是正或者負(fù)，取決于目標(biāo)溫度是否高于或者低于 A2TPMI 的環(huán)境溫度。為了使負(fù)電壓信號(hào)能在單電源系統(tǒng)處理，所有的內(nèi)部信號(hào)都連接到 1.255 V內(nèi)部電壓參考(Vref)，作為虛擬模擬地信號(hào)。為了熱電堆放大電路偏置電壓的調(diào)整，放大器上帶了一個(gè)能產(chǎn)生有 8 bit 分辨率偏置電壓的可編程調(diào)整部分。此外， A2TPMI 內(nèi)部還集成有溫度傳感器來探測環(huán)境溫度，這個(gè)信號(hào)被放大后匹配熱電堆放大信號(hào)曲線的反向特性，進(jìn)行信號(hào)處理。為了溫度補(bǔ)償，放大的熱電堆信號(hào)和溫度參考信號(hào)相加于一個(gè)放大器。經(jīng)過溫度補(bǔ)償放大后的信號(hào)輸出到 VTobj 腳，溫度參考信號(hào)或者參考電壓輸出到 Vtamb腳。A2TPMI的工作特性由一個(gè)內(nèi)部隨機(jī)存取寄存器進(jìn)行配置，所有的參數(shù) /配置永久地存在并行 E2PROM 內(nèi)?？刂茊卧峁┑膬删€、雙向同步串口 (SDAT, SCLK)，可以訪問所有寄存器的 A2TPMI內(nèi)部參數(shù)。A2TPMI 傳感器通常不需要使用串口， SDAT，SCLK 引腳被內(nèi)部連到 VDD。

2.2濾波電路設(shè)計(jì)

A2TPMI放大器采用斬波放大器技術(shù)，由于這種技術(shù)本身具有的特性，輸出信號(hào) VTobj 和 VTamb 中包含了大約10 mV 峰值、 250 kHz 的交流信號(hào)。這些交流信號(hào)能被一個(gè)電子低通濾波電路或者類似的軟件濾波抑制掉。在高阻抗負(fù)載應(yīng)用中，象 LM358 這樣的rail to rail 運(yùn)算放大器電路，可以作為輸出信號(hào)的濾波器。

在本設(shè)計(jì)中采用第二種濾波電路，因?yàn)榧蛇\(yùn)放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出阻抗又低，所以有源濾波電路有一定的電壓放大和緩沖作用，濾波效果好，提高了傳感器信號(hào)的準(zhǔn)確度。