非接觸式紅外測(cè)溫儀

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 成績(jī)?cè)u(píng)定： 傳感器技術(shù)課程設(shè)計(jì) 題 目 非接觸溫度計(jì) 摘要 在自然界中，一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都在不停地向周?chē)臻g發(fā)出紅外輻射能量。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長(zhǎng)的分布 與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此，通過(guò)對(duì)物體自身輻射的紅外能量的測(cè)量，便能準(zhǔn)確地測(cè)定它的表面溫度，這就是紅外輻射測(cè)溫所依據(jù)的客觀(guān)基礎(chǔ)。  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)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器和信號(hào)處理電路，并按照儀器內(nèi)療的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值。除此之外，還應(yīng)考

2、慮目標(biāo)和測(cè)溫儀所在的環(huán)境條件，如溫度、氣氛、污染和干擾等因素對(duì)性能指標(biāo)的影響及修正方法。關(guān)鍵詞： 紅外輻射測(cè)溫 紅外傳感器 目 錄一 、設(shè)計(jì)目的1二、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求22.1設(shè)計(jì)任務(wù)22.2設(shè)計(jì)要求2三、設(shè)計(jì)步驟及原理分析33.1設(shè)計(jì)方法33.2設(shè)計(jì)步驟43.3設(shè)計(jì)原理分析5四、課程設(shè)計(jì)小結(jié)與體會(huì)6五、參考文獻(xiàn)6專(zhuān)心-專(zhuān)注-專(zhuān)業(yè)  一、設(shè)計(jì)目的 在人們的日常生活中，測(cè)量溫度普遍使用水銀溫度計(jì)，反應(yīng)比較慢，通常需要十分鐘才能準(zhǔn)確測(cè)出體溫。水銀溫度計(jì)使用時(shí)需要與體膚接觸，因此在使用前需要嚴(yán)格消毒，不適合對(duì)多人進(jìn)行連續(xù)溫度采集。而且水銀一旦泄露會(huì)產(chǎn)生水銀泄露，污染環(huán)境，并且有毒。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)

3、外在溫度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，非接觸式紅外測(cè)溫傳感技術(shù)日趨成熟。 二、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求2.1設(shè)計(jì)任務(wù) 當(dāng)物體溫度處于絕對(duì)零度以上時(shí)，因?yàn)槠鋬?nèi)部帶電粒子的運(yùn)動(dòng)，以不同波長(zhǎng)的電磁波形式，向外輻射能量，波長(zhǎng)涉及紫外、可見(jiàn)、紅外光區(qū)。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長(zhǎng)的分布與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此，紅外測(cè)溫儀通過(guò)對(duì)物體自身輻射的紅外能量的測(cè)量，便能準(zhǔn)確地測(cè)定它的表面溫度，這就是紅外輻射測(cè)溫所依據(jù)的客觀(guān)基礎(chǔ)。2.2設(shè)計(jì)要求 紅外測(cè)溫儀由光學(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。光學(xué)系統(tǒng)匯集其視場(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)零件以及位置

4、決定。紅外能量聚焦在光電探測(cè)儀上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器和信號(hào)處理電路按照儀器內(nèi)部的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值。除此之外，在使用紅外測(cè)溫儀測(cè)溫時(shí)，還應(yīng)考慮目標(biāo)和測(cè)溫儀所在的環(huán)境條件，如溫度、氣氛、污染和干擾等因素對(duì)性能指標(biāo)的影響及修正方法。 3、 設(shè)計(jì)步驟及原理分析3.1設(shè)計(jì)方法 當(dāng)用紅外輻射測(cè)溫儀測(cè)量目標(biāo)的溫度時(shí)首先要測(cè)量出目標(biāo)在其波段范圍內(nèi)的紅外輻射量，然后由測(cè)溫儀計(jì)算出被測(cè)目標(biāo)的溫度。單色測(cè)溫儀與波段內(nèi)的輻射量成比例；雙色測(cè)溫儀與兩個(gè)波段的輻射量之比成比例紅外測(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

5、的向外輻射能量的大小及其按波長(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)。黑體的光譜輻射出射度由普朗克公式確定，即： 下圖1-1是不同溫度下的黑體光譜輻射度圖：從上圖中曲線(xiàn)可以看出黑體輻射具有幾個(gè)特征: 在任何溫度下，黑體的光譜輻射度都隨著波長(zhǎng)連續(xù)變化，每條曲線(xiàn)只有一個(gè)極大值； 隨著溫度的升高，與光譜輻射度極大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)減小。這表明隨著溫度的升高，黑體輻射中的短波長(zhǎng)輻射所占比例增加； 隨著溫度的升高，黑體輻射曲線(xiàn)全面提高，即在任一指定波長(zhǎng)處，與較高溫度相應(yīng)的光譜輻射度也較大，反之亦然。 依據(jù)測(cè)溫原理的不同，紅外測(cè)溫儀的設(shè)計(jì)有五種方法:a.全輻射測(cè)溫法:它

6、是根據(jù)測(cè)量波長(zhǎng)從零到無(wú)限大整個(gè)光譜范圍物體的總輻射功率用黑體定標(biāo)的儀器來(lái)確定物體的溫度。其總輻射功率的大小與被測(cè)對(duì)象溫度之間的關(guān)系是由斯蒂芬- 玻爾茲曼定律來(lái)描述。 b.亮度測(cè)溫法: 它是根據(jù)測(cè)量給定波長(zhǎng)K0附近一窄光譜范圍的輻射用黑體定標(biāo)的儀器來(lái)確定物體的溫度, 適用于高溫測(cè)量。c.雙波段測(cè)溫法: 它是根據(jù)測(cè)量?jī)蓚€(gè)給定波長(zhǎng)K1和K2 的輻射功率之比, 用黑體定標(biāo)的儀器來(lái)確定物體的溫度, 適合測(cè)量發(fā)射率變化或未知的物體, 但只適合于測(cè)量輻射能量密度大的高溫物體。這3種方法均由普朗克定律來(lái)描述。d.多波段測(cè)溫法: 依次取多個(gè)波段, 通過(guò)計(jì)算這些波段輻射功率之間的復(fù)雜關(guān)系來(lái)確定物體的溫度。e.最大

7、波長(zhǎng)測(cè)溫法: 由維恩位移定律,黑體輻射峰值波長(zhǎng)Kmax與絕對(duì)溫度T 之積為一常數(shù), 通過(guò)測(cè)量峰值波長(zhǎng)Kmax來(lái)計(jì)算溫度T。此法常用測(cè)量極高溫(大于2000 °C)。由此可見(jiàn), 非接觸紅外測(cè)溫有以下的缺點(diǎn)：測(cè)得的溫度值是測(cè)量對(duì)象的表面溫度, 且必須用發(fā)射率進(jìn)行修正, 增加了測(cè)量的復(fù)雜性; 周?chē)橘|(zhì)的影響引起測(cè)量誤差。亮度測(cè)溫法無(wú)需環(huán)境溫度補(bǔ)償，發(fā)射率誤差較小，測(cè)溫精度高，但工作于短波區(qū)，只適于高溫測(cè)量。比色測(cè)溫法的光學(xué)系統(tǒng)可局部遮擋，受煙霧灰塵影響小，測(cè)溫誤差小，但必須選擇適當(dāng)波段，使波段的發(fā)射率相差不大。本文選用全輻射測(cè)溫法來(lái)計(jì)算被測(cè)量物體的溫度，全輻射測(cè)溫法是根據(jù)所有波長(zhǎng)范圍內(nèi)的總

8、輻射而定溫，得到的是物體的輻射溫度。選用這種方法是因?yàn)橹械蜏匚矬w的波長(zhǎng)較大，輻射信號(hào)很弱，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，但它的測(cè)溫精度稍差，受物體輻射率影響大。3.2設(shè)計(jì)步驟紅外測(cè)溫技術(shù)在生產(chǎn)過(guò)程中，在產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測(cè)，設(shè)備在線(xiàn)故障診斷和安全保護(hù)以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮了著重要作用?？梢詫?duì)正在運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行非接觸檢測(cè)，拍攝其溫度場(chǎng)的分布、測(cè)量任何部位的溫度值，據(jù)此對(duì)各種外部及內(nèi)部故障進(jìn)行診斷，具有實(shí)時(shí)、遙測(cè)、直觀(guān)和定量測(cè)溫等優(yōu)點(diǎn)，用來(lái)檢測(cè)發(fā)電廠(chǎng)、變電所和輸電線(xiàn)路的運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備和帶電設(shè)備非常方便、有效。用紅外測(cè)溫儀，你可連續(xù)診斷電子連接問(wèn)題和查找連接處的熱點(diǎn)，以檢測(cè)設(shè)備的功能狀態(tài)，還可檢驗(yàn)電池組件和功率配

9、電盤(pán)接線(xiàn)端子，開(kāi)關(guān)齒輪或保險(xiǎn)絲連接，防止能源消耗。此紅外測(cè)溫儀的特點(diǎn)：有溫度分辨率高、響應(yīng)速度快、不擾動(dòng)被測(cè)目標(biāo)溫度分布場(chǎng)、測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。該設(shè)計(jì)方案主要包括：軟件設(shè)計(jì)部分與軟件設(shè)計(jì)部分。 a紅外測(cè)溫儀的硬件系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)本紅外測(cè)溫儀采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，它的硬件結(jié)構(gòu)由STC89C51單片機(jī)模塊，紅外測(cè)溫模塊， RS232轉(zhuǎn)換電路模塊，電源模塊，鍵盤(pán)模塊和LED顯示模塊組成。STC89C51單片機(jī)是本系統(tǒng)的控制中心，它負(fù)責(zé)控制啟動(dòng)溫度測(cè)量、接收測(cè)量數(shù)據(jù)、計(jì)算溫度值、并根據(jù)取得的鍵值控制顯示過(guò)程；紅外測(cè)溫模塊負(fù)責(zé)溫度數(shù)據(jù)的采集、測(cè)量，并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)端口傳送給STC89C51單

10、片機(jī)； RS232轉(zhuǎn)換電路模塊可以使單片機(jī)方便地同PC機(jī)進(jìn)行串口通信，并可以同時(shí)接收或傳送外部送來(lái)的資料；通過(guò)鍵盤(pán)模塊可以方便地進(jìn)行測(cè)溫及各種操作；LED顯示模塊把測(cè)量的溫度值直觀(guān)地顯示給觀(guān)測(cè)者；電源模塊負(fù)責(zé)本紅外測(cè)溫儀電源的供應(yīng)。此紅外測(cè)溫儀系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖a所示： 圖a 紅外測(cè)溫儀系統(tǒng)的硬件方案設(shè)計(jì)框圖b紅外測(cè)溫儀的應(yīng)用軟件系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)此紅外測(cè)溫儀的軟件設(shè)計(jì)同樣采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，它把整個(gè)系統(tǒng)分成若干模塊分別予以解決，它包括主程序模塊，紅外測(cè)溫模塊，鍵盤(pán)掃描模塊和顯示模塊。主程序模塊主要完成系統(tǒng)初始化，溫度的檢測(cè)，串行口通信，鍵盤(pán)和顯示等功能。其中系統(tǒng)初始化包括: 時(shí)間中斷的初始

11、化、外部中斷源的初始化、串口通信中斷的初始化、LED顯示的初始化。 紅外測(cè)溫模塊包括：獲取溫度數(shù)據(jù)，計(jì)算溫度值。鍵盤(pán)掃描模塊 ：獲取按鍵信息，處理按鍵請(qǐng)求等。顯示模塊：獲取并處理相應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)， 在此紅外測(cè)溫儀的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，時(shí)鐘的設(shè)置是相當(dāng)重要的，通過(guò)時(shí)鐘的設(shè)置才能獲得良好的時(shí)鐘頻率，這個(gè)時(shí)鐘頻率是整個(gè)軟件系統(tǒng)是否能正常有序地運(yùn)行的關(guān)鍵。具體的軟件方案設(shè)計(jì)如下圖b： 圖b 紅外測(cè)溫儀系統(tǒng)的軟件方案設(shè)計(jì)框圖3.3設(shè)計(jì)原理分析紅外測(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，物體的向外輻射能量的大小及其按波長(zhǎng)的分布與它的表面溫度有著十分密切的聯(lián)系

12、，物體的溫度越高，所發(fā)出的紅外輻射能力越強(qiáng)。黑體的光譜輻射出射度由普朗克公式確定，即： 下圖是不同溫度下的黑體光譜輻射度圖： 不同溫度下的黑體光譜輻射度從上圖中曲線(xiàn)可以看出黑體輻射具有幾個(gè)特征: 在任何溫度下，黑體的光譜輻射度都隨著波長(zhǎng)連續(xù)變化，每條曲線(xiàn)只有一個(gè)極大值； 隨著溫度的升高，與光譜輻射度極大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)減小。這表明隨著溫度的升高，黑體輻射中的短波長(zhǎng)輻射所占比例增加； 隨著溫度的升高，黑體輻射曲線(xiàn)全面提高，即在任一指定波長(zhǎng)處，與較高溫度相應(yīng)的光譜輻射度也較大，反之亦然。 四、課程設(shè)計(jì)小結(jié)與體會(huì) 本設(shè)計(jì)的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)非接觸式體溫測(cè)量和記錄，并通過(guò)液晶屏幕顯示。系統(tǒng)可以應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉ钌a(chǎn)中，快速準(zhǔn)確的測(cè)量出體溫，尤其適合在大型集會(huì)時(shí)對(duì)多人進(jìn)行體溫檢測(cè)。本文介紹的體溫檢測(cè)系統(tǒng)硬件及軟件的設(shè)計(jì)，其創(chuàng)新點(diǎn)在于針對(duì)溫度測(cè)量特點(diǎn)，采用紅外溫度傳感器，無(wú)需與體膚接觸，而且反應(yīng)速度快，彌補(bǔ)了一些傳統(tǒng)體溫計(jì)的不足 在這次設(shè)計(jì)中，經(jīng)過(guò)自身的努力，不但加深了對(duì)傳感器的進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)和理解，并將所學(xué)的知識(shí)充分應(yīng)用于實(shí)踐中。通過(guò)這次傳感器技術(shù)課程設(shè)計(jì)，使我認(rèn)識(shí)到理論聯(lián)系實(shí)際的重要性，在實(shí)踐中擴(kuò)展了知識(shí)面，不但掌握了本專(zhuān)業(yè)的相關(guān)知識(shí)，而且對(duì)其他專(zhuān)業(yè)的知識(shí)也有所了解，從各方面提高了自身的綜合素質(zhì)。經(jīng)過(guò)這次一個(gè)較完整的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制作過(guò)