题目：红外体温计2013年 6 月 9日红外体温计1、前言在自然界中,当物体的温度高于绝对零度时,由于它内部热运动的存在,就会不断地向四周辐射电磁波,其中就包含了波段位于0. 75～100μm 的红外线.红外测温仪就是利用这一原理制作而成的,温度是度量物体冷热程度的一个物理量，是工业生产中很普遍、很重要的一个热工参数，许多生产工艺过程均要求对温度进行监视和控制，特别是在化工、食品等行业生产过程中，温度的测量和控制直接影响到产品的质量和性能。

传统的接触式测温仪表如热电偶、热电阻等，因要与被测物质进行充分的热交换，需经过一定的时间后才能达到热平衡，存在着测温的延迟现象，故在连续生产质量检验中存在一定的使用局限。

目前，红外温度仪因具有使用方便，反应速度快，灵敏度高，测温范围广，可实现在线非接触连续测量等众多优点，正在逐步地得以推广应用。

2、黑体辐射与红外测温原理与特点2.1 黑体辐射与红外测温原理一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。

物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布——与它的表面温度有着十分密切的关系。

因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。

黑体辐射定律：黑体是一种理想化的辐射体，它吸收所有波长的辐射能量，没有能量的反射和透过，其表面的发射率为1，其它的物质反射系数小于1，称为灰体。

应该指出，自然界中并不存在真正的黑体，但是为了弄清和获得红外辐射分布规律，在理论研究中必须选择合适的模型，这就是普朗克提出的体腔辐射的量子化振子模型，从而导出了普朗克黑体辐射的定律，即以波长表示的黑体光谱辐射度，这是一切红外辐射理论的出发点，故称黑体辐射定律。

由于黑体的光谱辐射功率Pb(λΤ)与绝对温度Τ 之间满足普朗克定理：()1ex p 251-=-T c c T P b λλλ (1)其中，Pb(λΤ)—黑体的辐射出射度；λ—波长；T —绝对温度； c 1、c 2—辐射常数。

式（1）说明在绝对温度Τ 下，波长λ处单位面积上黑体的辐射功率为Pb(λΤ)。

根据斯特藩—玻耳兹曼定理黑体的辐出度 Pb(Τ)与温度Τ 的四次方成正比， 即：()4T T P b σ= (2)式中，Pb(T)—温度为T 时，单位时间从黑体单位面积上辐射出的总辐射能，称为总辐射度；σ—斯特藩—玻耳兹曼常量； T —物体温度。

式（2）中黑体的热辐射定律正是红外测温技术的理论基础。

如果在条件相同情况下，物体在同一波长范围内辐射的功率总是小于黑体的功率，即物体的单色辐出度Pb(Τ)小于黑体的单色黑度ε(λ)，即实际物体接近黑体的程度。

ε(λ)= P(T)/ Pb(T) (3)考虑到物体的单色黑度ε(λ)是不随波长变化的常数，即ε (λ)=ε，称此物体为灰体。

它是随不同物质而值不同，即使是同一种物质因其结构不同值也不同，只有黑体ε=1，而一般灰体0<ε<1，由式(3)可得：()()()4;T T P T P T P b εσε==所测物体的温度为：()41⎪⎭⎫ ⎝⎛=εσT P T (4)式(4)正是物体的热辐射测温的数学描述。

2.2 红外测温仪特点一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。

红外辐射能量的大小按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。

因此,通过对物体自身发出的红外能量的测量,便能准确地测出它的表面温度。

红外测温仪能接收多种物体自身发射出的不可见红外辐射能量。

红外辐射是电磁频谱的一部分,红外位于可见光和无线电波之间。

当仪器测温时,被测物体发射出的红外辐射能量,通过测温仪的光学系统在探测器上转为电信号,并通过红外测温仪的显示部分显示出被测物体的表面温度。

红外测温仪特点:非接触式测量,测温范围广,响应速度快,灵敏度高。

但由于受被测对象的发射率影响,几乎不可能测到被测对象的真实温度,测量的是表面温度。

3、远红外测温仪的硬件电路设计3.1远红外传感器的设计3.1.1 远红外探测器的一般组成远红外探测器一般由光学系统、敏感元件、前置放大器和信号调制器组成。

光学系统是远红外探测器的重要组成部分。

根据光学系统的结构分为反射式光学系统的远红外探测器和透射式光学系统的远红外探测器两种。

对于反射式光学系统的红外探测器的结构，它由凹面玻璃反射镜组成，其表面镀金、铝和镍铬等红外波段反射率很高的材料构成反射式光学系统。

为了减小像差或使用上的方便，常另加一片次镜，使目标辐射经两次反射聚集到敏感元件上，敏感元件与透镜组合在一起，前置放大器接收热电转换后的电信号，并对其进行放大。

本设计中主要使用透射式光学系统的远红外探测器，其原理图如图1所示。

透射式光学系统的部件用红外光学材料做成，不同的红外光波长应选用不同的红外光学材料：在测量700℃以上的高温时，用波长为0.75～3um范围内的近红外光，用一般光学玻璃和石英等材料作透镜材料；当测量100～700℃范围内的温度时，一般用3～5um的中红外光，多用氟化镁、氧化镁等热敏材料；当测量100℃以下的温度用波长为5～14um的中远红外光，多采用锗、硅、硫化锌等热敏材料。

三个范围内的波长远红外光其测量的温度相对较低，同时对仪器的损坏了相对较小，而远红外测温仪最适合的工作波长是8～14um，因此，在选用波段时应充分考虑远红外测温仪的工作波长而选择第三段。

获取透射红外光的光学材料一般比较困难，反射式光学系统可避免这一困难，所以，反射式光学系统用得较多。

图1 透射式远红外探测器示意图3.1.2测温部分模块分析远红外测温仪系统是一个有机的整体，并能对各种信息进行快捷的处理和显示，因此,在进行信号接收时首先利用遮光板对被测物体所发出的红外辐射能量进行有选择的吸收，主要吸收其中的远红外光谱。

而遮光孔的大小由单片机输出控制信号控制电机的转动与否来带动遮光板旋转。

经选择吸收的远红外辐射光信号通过敏感元件的转换成与之相应的电信号并送到放大器进行放大处理，再经滤波器的滤波处理成所需要的电信号送到加法器运算，最后送到显示输出端显示，但是在进行加法运算时要利用温度补偿部分对所输出的数据进行补偿，以实现被测物体温度值与显示输出的线性关系，从而实现测温仪的智能化控制，据此原理得出远红外测温仪的部份处理装置的原理框图如图2所示。

图2 红外测温部份处理装置的原理框图远红外测温仪的探头部分的方框图是一个包括光、机、电一体化的红外测温系统，利用热辐射体在远红外波段的辐射能量来测量温度，由测温传感器、放大单元、滤波单元及加法单元、温度补偿单元组成。

测温传感器为一暗盒，盒内固定热释电探测器件，前方有遮光板，电动机带动遮光板旋转，将被测的红外辐射调制成交变的红外辐射线，红外测温装置通过光电敏感元件将远红外辐射能变换为电信号输出，温度补偿二极管也固定在盒内；放大单元是选用集成运放作为模拟放大器,且运放工作于线性放大区，电路的输出与输入之间存在一一对应的关系, 反馈信号通过反馈电阻送到输入端,即利用电压本身的变化量通过反馈网络对放大电路起自动调整作用,最终达到放大并稳定输出电压的作用；滤波单元采用集成运放组成的有源滤波器, 由两节RC滤波电路和反相比例放大电路所组成, 开环电压增益的输入阻抗很高，输出阻抗较低,而且具有一定的电压放大和缓冲作用；温度补偿单元采用二极管温度补偿电路,利用半导体受到外界的光和热的刺激时，其导电性能将会发生其显著变化，在将二极管的温度补偿信号经差动放大以补偿环境温度的影响【5】。

3.2同相放大器的设计3.2.1同相放大器的方案设计运算放大器(简称运放)实际上是多级直接耦合放大电路的集成形式，其特点是高输入电阻、高放大倍数、低输出电阻。

通常可以选用集成运算放大器作为模拟放大器，在某些精密的数字仪表系统中则可以选用仪表放大器和隔离放大器。

选择放大器时主要考虑放大器的带宽和精度，放大器的满度误差和零位误差多半是可调的，因此这里精度主要指温漂和噪声。

由于运放在电路性能方面具有众多优点，因此被广泛应用于模拟电路的各个领域之中，根据运放在电路中的工作状态，可把这些电路归纳为两大类：一是运放的线性应用，此类电路有一个显著的待点，即运放工作于线性放大区，电路的输出与输入之间存在一一对应的函数关系；二是运放的非线性应用，此类电路在多数情况下，运放工作在饱和状态。

由于运放的工作状态不同，故所适用的分析方法亦不同。

集成运放在使用中常因以下三种原因被损坏：输入信号过大，使PN结击穿；电源电压极性接反或过高；输出端直接接“地”或接电源，此时，运放将因输出级功耗过大而损坏。

因此，为使运算放大器安全工作，也从这三个方面进行保护。

在常用的放大电路中，比例运算放大器电路的接法有两种：一种是同相输入接法，另一种是反相输入接法，分别属于电压串联负反馈电路和电压并联负反馈电路。

在本课题中比例运算放大电路采用同相输入的接法，其电路图如图4所示。

这种电路的重要特点是：电路的输出电压趋向于维持恒定，因为无论反馈信号以何种方式引回到输入端，实际上都是利用输出电压本身的变化量通过反馈网络对放大电路起自动调整作用，这就是电压反馈的实质。

若从输入电压取样，通过反馈网络得到反馈电压，然后与输入电压相比较，求得差值作为净输入电压进行放大，则称电路中引入了电压串联负反馈, 其电路图如图3所示。

该电路采用电阻分压的方式将输出电压的一部分作为反馈电压，电路各点电位的瞬时极性如图中所标注。

其工作原理是：当输入端正向电压i U 增加时，且i U 接放大器的同相输入端，反馈电压O F U R R R U •+=211，若输入电压i U 对R1和R2所组成的反馈网络的作用忽略不计，即可以为R1上的电压F R U U ≈1；并且，由于集成运放开环差模增益od A 很大，因而其净输入电压D U 也可以忽略不计。

根据“虚短”和“虚断”的概念，集成运放的净输入电压为零，即F F D R D I u u u u u u ≈+≈+=1 说明集成运放有共模输入电压。

所以输出电压为：I O u R R u •⎪⎪⎭⎫⎝⎛+≈121此式表明，o u 与I u 同相且o u 大于I u ，电路引入电压串联负反馈后，一旦1R 和2R 的取值确定，O u 就仅仅决定于I u ，而与负载电阻L R 无关。

因此，可以将电路的输出看成为电压I u 控制的电压源O u ，所以它稳定了输出电压O u ，且输出电阻为零。

信号源内阻越小，其反馈效果就越好。

由于电路引入了电压串联负反馈，故可以认为输入电阻为无穷大，输出电阻为零。

即使考虑集成运放参数的影响，输入电阻也可达Ω910。

应当指出，虽然同相比例运算电路具有高输入电阻、低输出电阻的优点，但因为集成运放有共模输入，所以为了提高运算精度，应当选用高共模抑制比的集成运放。