1、毕业设计开题报告 测控技术与仪器 便携式红外测温系统的设计 1 前言部分 随着科学的发展与社会的进步以及人民生活水平的提高，对非接触式红外测温仪的需求越来越大，特别是在 2003 年的非典期间，这种需求达到了高峰。非接触式红外测温仪不需要接触物体即可测得物体的温度，它的这个特点使得在一些比较危险的行业进行测温成为最好的选择。 2003 年的非典也使对非接触式红外测温仪的研制开发达到了顶峰。由于需求量的增大，使得人们希望能有测温性能稳定，测温距离较远而价格又很便宜的非接触式红外测温仪投入市场以满足社会的需求。 2 主 题部分 2.1 红外测温的原理 红外测温系统是利用物体的辐射能量与温度有关的原
2、理而组成测温的系统。将普朗克公式在探测器工作波长范围内积分可以得出目标辐射率的大小与目标温度间存在着固定的对应关系，用红外探测器测出目标的热辐射功率，就能计算出目标的表面温度，这就为红外测温奠定了理论基础。 (1)普朗克定律 黑体的光谱辐射出射度是波长和黑体温度的函数，即： 51, 2ex p / 1T cM cT （ 1 1） 式中： 1c 第一辐射常数， 2 16 21 2 3. 74 18 33 10c hc W m ； 2c 第二辐射常数， 22 1 .4 3 8 8 3 2 1 0hcc m KK ； 其中： K 玻耳兹曼常数； h 普朗克常数； c 电磁波在真空中的 传播速度。 图
3、 1-1表示了不同温度下黑体辐射的频谱分布，从图中可以看出 :黑体总的辐射能量随温度的增高而增加，这是单波段测温仪的依据。随着温度升高辐射峰所在的波长向短波方向移动，其规律符合维恩位移定律。显然高温测温仪适用于较短的工作波长，低温测温仪宜选用较长的工作波段；短波长处辐射能量随温度增加比长波长处快，这意味着短波长处比长波长处测温灵敏度高。 (2)斯蒂芬一玻耳兹曼定律 将普朗克公式 1-1对所有波长积分，便可得到描述单位面积黑体辐射到半球空间的总辐射功率，即 4,0T TM M d T （ 1 2） 式中， 8 2 45.670 10 W m K ，称为 斯蒂芬一玻耳兹曼常数。 (3)实际物体温度
4、的计算 式（ 1 1） ,（ 1 2）中的 T均为绝对温度。计算实际物体的辐射出射度只需在式（ 1 1） ,（ 1 2）中乘以发射率 即可。物体的辐射出射度与辐射的温度 T和发射率 有关。只要测出物体的辐射出射度又以知物体的发射率 即可求出温度 T。实际上物体的测量是通过辐射量的测量得到的。 2.2 红外测温技术的发展状况 1800 年，英国物理学家 F.W 赫胥尔发现了红外辐射，其占据的波段为 0.761000 m ，反映了一定温度物体的热特性，从此开辟了人类应用红外技术的广阔道路。 红外辐射测温技术的发 展主要从两方面来看：一是红外辐射测温仪器的发展；二是红外辐射测温技术的发展。 图 1
5、1 2.3 红外辐射测温仪器的分类及发展 利用红外辐射的原理进行温度测量的仪器是从简单到复杂逐渐发展而成的。早期的红外测温仪仅限于检测物体的某一点的温度，而后可以测量一条线的温度，而不能显示物体的形状和表面上的温度分布。直到了 20 世纪五六十年代，由于红外探测器的改进和快速灵敏的光子探测器的问世，才导致了实验性、原理性热成像系统的诞生。发展到目前的热成像系统，它己经是窄禁带半导体技术、精密光学、精密机械、微电子学、特殊红外工艺、新型红外光 学材料与系统工程学的产物。 根据红外测温的方式，红外测温仪器可以分为全场分析探测系统和逐点分析探测系统两种。全场分析是用红外成像镜头把物体的温度分布图像成
6、像在传感器阵列上，从而获得物体空间温度场的全场分布，全场分布探测系统称为红外热像仪。逐点分析是把物体一个局部区域的热辐射聚焦到单个探测器上，并通过己知物体的发射率，将辐射功率转化为温度，逐点分析系统常称为红外测温仪。红外测温仪包括红外点温仪、红外热电视、红外行扫仪。 六十年代我国研制成功第一台红外测温仪。我国最早开发应用的是红外光电测温仪，它相当于一个自动 光学高温计，响应时间不快，测温精度不高，己经被淘汰。 进入九十年代，我国的红外测温仪采用当今国际上通用的工作原理，由反射式、折射式或干涉式光学系统收集被测物发出的红外辐射，经滤光片选取一定波长范围的辐射，射入红外探测器，探测器输出的电信号经
7、过放大，线性化处理后送入数字电压表显示被测物体的温度。并且陆续生产了小目标、远距离、适合工业生产特点的测温仪器，如西光 IRT-1200D 型、 HCW-III 型、 HCW- V 型； YHCW-9400型； WHD4015 型 (双瞄准，目标直径为 40mm 时，测距可达 15m)、 WFHX330 型 (光学瞄准，目标直径为 50mm，测距可达 30m )。 九十年代末期，我国也产生了用光纤束作为光学系统的测温仪，用单板机或单片机作信号处理和线性化及数字显示的测温仪。 2.4 红外辐射测温技术的分类及发展 到二十世纪初，辐射法测温的理论准备已基本完善。又经过了几十年的努力，应用于工业现场
8、的红外测温仪，已有了三种类型的传统形式。即全辐射测温仪、单色测温仪和比色测温仪。全辐射测温仪是通过测量波长从零到无穷大的整个光谱范围内的辐射功率来确定物体的辐射温度。单色测温仪是通过测量目标发射的某一波长范围内的辐射功率来 确定目标亮温的仪器。比色测温仪是根据两个波段辐射能量的比值与物体温度的函数关系来测定物体色温的。 1954年 Pyatt建议使用 3个波长的比色温度计，以得到发射率与波长的关系。 到 70 年代末 80 年代初兴起了多光谱辐射测温技术的热潮。 1979 年 Cashdolla 研制成功了 3 波长高温计，在 1.8， 1.9 及 1.0 m 三种波长下测量火焰及爆炸粉尘的温
9、度，测量上限可至 2000K，同时可换用滤光片方法形成 4 波长及 6 波长高温计。同年 Svet 等研 制成 4 波长高温计用以测量物体表面真实温度，测温范围为： 300 3000K。 Lyzenga 和 Ahrens 于同年推出了 6 波长的温度测量装置，采用硅光电二极管作和 0.48 0.8 m 波长范围内的检测元件，用以测量冲击波后的物体的真实温度，测温范围为 :4000 8000K，精度可至20%。 1981 年， Gardner 及 Jones 等研制成了 6 波长高温计，工作波长为 0.751.65 m ，测温范围为 1000 1600K，精度为 1%。 1982 年欧共体 Ba
10、belot 及美国 Hoch 等人继续研究多波长高温计，并研制成6 波长高温计，采用光导纤维束分光，硅光电二极管，用于材料热物性的快速动态测量，在 5000K时分辨率为 5K，并拟向 10000K方向继续发展。同年 Cashdollar在 3 色高温计基础上推出了 6 波长高温计，用于测量粉尘爆炸过程中粉尘粒子及气体的温度，使用 PbSe 探测器， 6 个工作波长分别为： 1.57， 2.30， 3.84， 4.42，4.57， 5 m 。 1986 年欧共体及美国联合课题组的 Hiernaut 等人研制成功了亚毫秒级 6 波长高温计，用于 2000 5000K 温区内真温和光谱发射率的同时测
11、量，温度测量精度为 0.5%，发射率测量精度为 1 5%。 1992 年 Levendis 等人研制成了 3 色辐射温度计，工作波长分别为 0.65， 0.8和 0.95 m ，并用于燃烧粒子瞬态响应测量，在数据处理上，采用比色思想， 3个比色结果在 2500K 时相差小于 100K。 1992 年 Cezairliyan 等人亦报导了亚毫秒级 6 波长高温计的研制情况，采用光导纤维束分光方法， 6 个工作波长分别为0.5， 0.6， 0.65， 0.7， 0.8 和 0.9 m ，在脉冲加热下测量了铌金属试样的亮度温度。 1984 年北京武汉光学技术研究所研制成功 3 波长 HDW-1 型红
12、外测温仪。 1988年北京联大提出了多光潜温度自动检测法。 1989 年王瑞才研制成功 4 波长高温计并应用于电弧加热下烧蚀材料的温度测量。但都没有 应用多波长测温理论中的数据拟合法，而还只是停留在比色、单色高温计处理思想上，多个通道数据只是为了相互校验。 1991 年戴景民与罗马大学 G.Ruffino 教授合作研制成功国际首创的棱镜分光式 35 波长高温计，并成功地用于烧蚀材料真温及发射率测量。 1999 年他又研制成功 6目标 8波长高温计并应用于固体火箭发动机羽焰温度和发射率的同时测量。 2001 年又成功地研究红外多波长辐射温度计用于导弹发射车的隐身测量。近年来，多波长辐射测温理论亦
13、有了相应的发展。 2.5 红外测温的展望 在大量的科研与工业中，离不开测温，红外温度计 有快速、准确、便捷、使用寿命长等优势，正被越来越多的人们所认识，在冶金、电子、石化、交通、能源、橡胶、食品等行业得到了广泛应用，成为企业故障检测，产品质量控制和提高经济效益的重要手段。利用红外测温的远距离、不接触、准确、实时、快速等特点发展起来的红外检测技术由于在不停电、不取样、不解体的情况下能快速实时地在线监测和诊断大多数故障，所以倍受国内外的重视，并得到快速发展。 非典疫情过后，人们越来越注重公共卫生安全。非接触、高精度医用红外温度计的研究，对于在公共场合、大流量人群的快速检测具有重要的意义。它不仅具有
14、 巨大的商业价值，而且具有重大的社会价值。 随着红外材料及传感器类型的不断开发研究，新型测温仪器正逐步替代传统的测试手段。目前美、英等国正致力于加强前视红外系统信息处理能力 (如自动人工目标分类 )，便携式整机配个人计算机可产生实时、高分辨力图像来解决研究领域和工业领域中的问题。世界上除了一些大军工企业公司 (如美国的Honeuwell公司、休斯飞机公司 )之外，许多大商业公司 (如三菱电气、日本横河电机 (株 )、瑞典 AGA公司、法国 Pyro公司、 Sofradier公司、 HGH红外系统工程公司等 )也正在积极从事红外测温、 热成像技术的研究及产品开发。在国内，近年来随着我国工业迅速发
15、展和产品更新换代的加速，对测温仪器的需求量越来越大，尽管热电偶 (热电阻 )一类接触性测温传感器件仍然具有很大的优势，但非接触性的红外测温仪器正日益受到各行业的关注。 3 总结部分 随着科学技术的迅猛发展，先进的红外传感器的出现以及高性能单片机的不断推出，使得红外测温技术迅速发展并且得到了广泛的应用。 利用红外测温技术制作的红外体温计具有非接触、响应速度快、利于环保等优点 ,在人民生活水平不断提高的现代社会，必然会取代水银温度计成为人们的首选产品。 在欧美 ,热释电耳道式测温仪已成功用于体温测量， 1991年后基本已经普及。但是，我国在这方面起步较晚。 2003年，由中科院物理研究所王树铎教授
16、研制的“非接触、口腔式红外线电子体温仪”才获得专利授权。在此之前，完全不与人体接触、又满足医疗测量精度的要求的体温计，还没有面世。 因此，对测量温度范围在 24.0到 45.0，精度要求为 0.1的红外体温计的设计具有一定商业与社会价值。 4 参考文献 1 范书彦 .红外辐射测量精度与误差分析 .长春 理工大学 2 苗玉杰 .医用红外测温仪及温度补偿技术的研究 .燕山大学 3 陈宏起 .全辐射反射式红外测温技术研究 .吉林大学 .2005 4 毛志毅 .苏东明 .李开元 .王卫东 .陈广飞 .非接触式红外遥感体温计的设计与实现 .医疗卫生装备 .2003.09 16-19 5 曾亦可 .刘梅冬
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