第23卷第4期长春光学精密机械学院学报Vol123 No14 2000年12月Journal of Changchun Institute of Optics and Fine Mechanics Dec.2000一种红外测温装置的设计
董连和 王也
(长春光学精密机械学院光电工程分院)
摘 要 本文简述了一种用于蛋白陶瓷照相工艺中的红外测温装置的设计。
由于应
用了单片机及功能软件开发,使得电路简单、测温准确。
关键词红外测温;蛋白陶瓷照相
中图分类号 TP212111 文献标识码 A
蛋白陶瓷照相是在玻璃零件上制作彩色分划的一种方法。
在制作工艺过程中,为了使颜料微粉深入到影象物质表面的油墨之中,并与之紧密结合,必须将零件加热并保持在80℃温度状态下,进行颜料粉的喷敷。
以往零件的加热是在电热恒温箱中进行的,即将零件加热并恒温后,由恒温箱中取出,迅速喷敷颜料粉,以期得到好的喷敷效果。
但实际上的喷敷操作并非是在瞬间完成的,随着喷敷次数的增加,零件的温度也就随着室温发生了变化。
零件温度下降,导致了颜料喷敷的不完整,如不饱满、厚薄不均和脱落等,而需要将零件再加热和补喷,甚至多次重复操作。
红外测温装置即是为了解决因影像物质膜层软而不能在零件表面直接进行温测的非接触测量,和颜料喷敷过程中零件加热维持的控温问题。
1 总体设计
111 测温原理
热电型探测器是由于红外线照射导致热电材料温度变化,表面极化失衡,以电压或电流的形式取出其电荷变化的敏感元件。
典型的热电探测器有热敏电阻、热电堆和热释电探测器等。
考虑到响应快,在室温下工作不需要制冷,并对红外光谱无选择性等特点,这里选用了热释电探测器。
当被测目标的辐射能量通过调制盘照射到探测器的接收光敏面上时,恒定的辐射经过调制盘的调制后变成交变的辐射,以不断地引起探测器的温度变化,从而导致热释电的产生并输出交变的信号。
当温度变化ΔT时,热释电探测器输出电压
ΔT=A・P・ΔT/C(1)其中A为热释电探测器光敏面积;P为热释电系数;C为热释电晶体电容。
这样的测温系统,只有在经过调制的红外辐射下才有信号输出。
在调制盘具有高反射率的情况下,探测器检测出被测目标和调制盘的温度差,将调制盘的温度差进行补偿后,便可求出被测物体的温度。
收稿日期:2000-09-12
作者简介:董连和,男,高级工程师,主要从事精密刻划工艺工作。
112 总体框图
测温装置主要由光学系统、热释电探测器、电信号处理系统、调制盘机构和温度传感器等主要职能部分发及其一些附属设施所组成,其总体框图如图1所示。
2 硬件结构
如图1所示,系统中信号处理部分选用MCS —51系列单片微机8031,这是近年来国内应用比较广泛的一种单片机。
系统采用软件提取基频信号峰值,要求A/D 转换速度快。
设计中选用8位逐次比较模/数转换器ADC 20809,它的特点除可以满足本设计所要求的快速模/数转换外,其价格较低和抗干扰的能力也比较强。
由于本设计中的探测器为热释电探测器,其
输出信号很弱(约几百微伏到十几毫伏),对前放
的零漂及温漂要求较高,因此设计过程中采用了
OP —27放大器,它具备低噪声、低温漂和高精度
放大等特点,并且有较高的输入阻抗,能够满足
微弱交流信号放大的需要。
由探测器输出的信号经放大,选频放大和程
控放大,在输入进采样/保持器的同时,经整形变
为方波,其下跳沿通知CPU 控制采样/保持器的
采样、保持。
采样值经过A/D 转换器的模/数变
换后送与CPU 进行处理,并提取峰值。
该值反映
了被测目标的温度与环境温度的差值。
环境温度
值(即探测器基座的温度)是由集成IC 温度传感器AD590测得,并同样经模/数转换后由CPU 进行处理。
系统主要部分的输出波形如图2所示。
本系统的存储器选用可擦写EEPROM2864,其中前半部分0～4K 作程序存储用,后半部分作为数据存储区,由软件控制每间隔10秒钟把所测温度值写进EEPROM 。
RS —232通讯接口用来与PC 机进行通讯,如果要获得某一段时间内的温度值,即可根据提供的界面通讯软件,通过PC 机与测温装置通讯,温度值便可显示在PC 机屏幕上或输
03长春光学精密机械学院学报2000年
出到打印机。
3 软 件
软件主流程图如图3所示。
由于采用单片机控制,可以灵活设计软件,充分开发软件功能。
用软件驱动步进电机带动调制盘对目标的辐射能量进行调制,其频率可以根据需
要灵活设定;可根据步进电机驱动信号及放大器输出波形
实现软件鉴相,以鉴别目标温度是否大于环境温度;用软
件提取峰值,可进行数字滤波,提高信噪比。
它是在保证
信号不失真和相邻两点测得值可分辨的情况下确定采样频
率,对放大器输出波形的正半周期进行采样,将所有采样
值逐个进行比较,滤除干扰,提取峰值;考虑到数据记录
的需要,在不增加元器件的情况下,设计采用EEPROM 在
线写入模式。
为了实现在线写入,将对2864数据区进行写
操作的子程序指令写入8155RAM 区以WRITE 地址为开始
单元,通过调用8155RAM 区以及WRITE 子程序即可实现在线写入。
4 结束语
该测温装置在实验室试验时,首先是将多片带有影像物质的零件在电热恒温箱中加热到一定温度,然后每次取出一片放入带有小功率加热功能的专用夹具内,用红外测温装置对零件表面作非接触测量,并通过CPU 输出信号给加热控制电路,产生相应的通、断动作,使得零件在颜料的喷敷过程中始终保持在80±1℃温度状态。
由于软件功能的开发,测温装置的反应速度快,其测温也比较准确和稳定。
参考文献
1 贺凤成等.热释电探测器及其应用.红外技术,1994,16(3)
2 朱春才等.红外测温仪的一般原理及用途.红外技术,1987,9(1)
Design of A Type lf IR T emperature Measuring Device
Dong L ianhe W ang Ye
(College of Opto 2Elect ronic and Mechanical Engineering of Changchun Inst.Opt.and Fine Mech.)
Abstract This paper described a type of IR temperature measuring device designing that was used in albumen 2ceramics photoetching process .Through single chip and software developing ,the circuit is simply and the temperature measuring accuratly.
Key words IR temperature measuring ;albumen 2ceramics photoetching
13第4期董连和等:一种红外测温装置的设计。