具有无线数据传输功能的红外测温仪的设计

摘要：基于普朗克定律设计红外测温仪，采用无线通信模块PTR8000实现上位机与红外测温仪之间的数据传输，开发了上位机管理软件，实现了温度的实时显示。经实验验证，该测温仪具有一定的测量精度，满足一般工业要求。
关键词：红外测温仪：数据传输；无线通信；PTR8000

0 引言
    温度作为一种重要的热工参数，在工业生产中的很多场合要求实现实时自动监测和控制温度。传统的接触式测温方式因反应速度慢、测温时间长、干扰物体的温度场等缺点而使其应用范围受到很大限制。随着红外技术的发展，非接触红外测温作为一门新技术迅速崛起，在工业生产、产品质量监测、设备在线故障诊断、安全保护以及节约能源等方面发挥着重要作用。
    基于红外测温技术设计的测温仪具有非接触测量、测量范围广、测温速度快、准确度高、灵敏度高、使用方便、寿命长等特点。目前，国内外非接触红外测温技术的发展极为迅速，德国IMPAC公司生产的数字式红外测温仪IS5系列很受用户欢迎，美国雷泰公司的红外测温仪在市场上也占有很大份额。国内生产红外测温仪的厂家和研究所有：上海自动化仪表三厂、云南仪表厂、中国科学院自动化所、杭州无线电厂等，产品也都具有良好的性能。

1 红外测温原理
    在自然界中，一切温度高于绝对零度的物体都不停地向周围空间发出红外辐射能。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布都与物体表面温度有十分密切的关系。因此，可以通过测量物体自身的红外辐射能来准确测定其表面温度。这就是红外测温的理论基础。
    普朗克定律描述了绝对黑体的辐射能力与波长和温度之间的关系。其数学表达式为：
   

    从式(1)可以看出只要我们测出了黑体的辐射出射度M(λ，T)，对其在全波长范围内进行数学积分就可以得出黑体的温度。这就是设计红外测温仪的理论依据。
    普朗克定律是以“黑体”作为研究对象分析得出的。但是，自然界中存在的实际物体都不是黑体，所有实际物体的辐射能量除依赖于辐射波长及物体的温度外，还与构成物体的材料性质、生产工艺以及物体表面状态、周围环境等因素有关。因此，为了使普朗克定律适用于所有实际物体，必须对其进行修正。引入比例系数(即发射率

，表征实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度，它与材料性质及表面状态有关，其值为0(极光滑的镜面)～1.0(黑色)。
   

2 红外测温仪
    红外测温采用逐点分析的方式，即把物体一个局部区域的热辐射聚焦在单个探测器上，并通过己知物体的发射率，将辐射功率转化为温度。由于被检测的对象、测量范围和使用场合不同，红外测温仪的外观设计和内部结构不尽相同，但基本结构大体相似，主要包括光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成，其基本结构如图1所示。

    光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。由于该电信号十分微弱，因此要经过放大处理后再送入信号处理电路，同时为了消除环境温度的影响，增加了补偿电路，然后经仪器内部的算法和目标发射率校正后换算为被测对象的温度值，最终通过传输线路显示到输出终端。
2．1 光学系统设计
    光学系统是红外测温仪的重要组成部分，其作用十分类似于用于接收目标回波的雷达天线，就是汇聚辐射能量。常用的红外光学系统有三种结构形式，即透射式光学系统、反射式光学系统、组合式光学系统(由透射式和反射式系统组合而成)。

    对大多数光学系统而言，由于加工、检测等原因球面反射镜和透镜的使用最为广泛。综合考虑各种因素本课题采用透射式红外光学系统(见图2)。同时为了消除杂散光的影响，在焦距前方安装孔径光阑，并且要保证红外探测器位于透镜焦点处。
2．2 红外探测器
    红外探测器是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件，它是红外测温仪的核心组成部分。红外探测器大致可以分为热探测器和光子探测器两大类。热探测器吸收红外辐射后，探测材料由于温度升高产生温差电动势、电阻率变化；自发极化强度变化；或者气体体积与压强变化等，测量这些物理性能的变化就可以测定被吸收的红外辐射能量或功率。光子探测器吸收光子后，本身发生电子状态的改变，进而引起内光电效应和外光电效应等光子效应，通过测定光子效应的大小可以确定被吸收的光子数。
    本系统的光电传感器采用美国雷泰公司生产的Raytek CM型红外测温头。雷泰新一代CM高性能迷你型红外测温头温度范围广、精度高、体积小、多种输出模式、性价比高，是系统集成、设备配套的最佳选择。CM型红外测温头专为工业设备用户的多种应用需求选择。测温范围-20～500℃，满足一般工业用测温仪的温度要求。光谱响应范围8～14μm，应用于工业现场的被测物的辐射波长主要在2．5～15μm之间，峰值波长在9．5μm处，其中8～14μm波段辐射能占总辐射能的半数以上。光学分辨率为1 3：1，响应时间150ms满足本课题的技术要求。

3 具有无线通信功能的红外测温系统
    典型的红外测温系统由被测对象、红外测温主机、发射传输装置及接收装置组成。本文采用测量主机与无线通信从机的双机模式实现。图3为测量主机原理框图，测量主机完成红外温度数据的采集处理，由红外探测系统和单片机MSP430F149组成。采用多路AD芯片(MSP430内部AD)实现模拟量到数字量的转换，并且留有其它模拟量的测量通道，可扩展诸如湿度等其他模拟量的监控。为了补偿环境温度可连接环境温度传感器DS18B20。采用无线收发模块PTR8000实现数据的无线传输，PTR80005特有内置环形天线，可直接与单片机连接，无须外接其他器件，实现数据的无线收发。

    无线通信从机实现数据的接收。为了完成PTR8000与PC机的数据交换，在无线通信从机中使用RS232接口。在监控PC机上，采用C++开发上位机的人机接口界面。系统电路(见图4)分为测温及发射板(测量主机)、接收板(无线通信从机)。

    该系统中主机的任务是完成数据采集与处理，包括进行A／D转换、环境温度补偿，对即将传送来的数字信号进行组织处理。发射端的PTR 8000将单片机的信息调制成射频信号发出，接收端的PTR8000模块将接收到的信息解调成为TTL电平，由单片机处理后经由RS232接口送到PC，供计算机后期处理。

    系统的整体框图如图5所示。由于被测物体的发射率难以准确确定，在系统设计中，为了尽可能地提升系统精度，获得较为满意的增益，把放大器最后一级的放大倍数设计成可调的。

    我们研制了以CM测温头为探测元件的红外测温系统，如图6所示。测温仪的工作流程：经聚焦后的红外辐射能入射到探测器上，为保证测量精度，输出信号首先经过前置放大、后级放大，然后经过滤波、积分电路恢复为探头所接收的红外辐射功率信号，最后经峰值保持电路检测出红外辐射的最大功率，此数据加上温度传感器的补偿值进行AD转化，在CPU中依据一定的算法计算并显示出被测物的绝对温度。在需要时，可以将温度数据通过无线的方式发送出去。

4 系统试验与结论
    考虑到系统的测温范围在500℃以下及其它因素，实验采用干体炉作为热源，该热源最高可达850℃左右，环境温度选为18℃，即291.15 K。假定发射率为0．97。表1为系统测温数据。图8为实验数据图表，数据源来自表1。

    实验表明，本测温仪能够实现温度测量，并在计算机上实时显示测量结果，还可进行无线数据传输。测量范围为0～500℃，测量精度为±3℃或1％，测量重复性为0．3％。完全满足一般工业检测标准要求。
    由于实验环境和条件的限制，还有一些方面有待完善；
    (1) 物体发射率是一个不定因素，直接影响到系统的测量精度。改善软件智能度，使发射率可以调节；
    (2) 抑制环境干扰、提高抗干扰能力是以后努力的方向。