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1、单位代码 01 学 号 090102128 分 类 号 密 级 文献综述浅谈红外测温仪的设计 院（系）名称信息工程学院 专业名称电子信息工程 学生姓名 指导教师 2013年 2 月 28 日浅谈红外测温仪的设计摘 要09年大规模爆发甲型H1N1流感,它的前期症状是高烧38以上（少数长期病患者除外）,大部分人口集中地区均对进出人员进行测体温来排查感染者。传统的温度计面对突如其来的流感对于测温技术的快速准确等要求明显比较乏力。红外测温仪可为防止甲型H1N1流感的扩散和传播提供了快速、非接触测量手段,可广泛、有效地用于人群的体温排查，通过非接触红外测温仪就可以很快得到体温。红外测温打破了传统的接触式
2、测温模式,它根据被测物体的红外辐射能量来确定物体的温度,不与被测物体接触,具有不扰动被测物体温度分布场,温度分辨率高、响应速度快、测温范围广,稳定性好、可同时测量环境温度和目标温度的特点1。近年来在汽车电子、航空和军事上得到越来越广泛的应用。这里列举几种实现红外测温的方案并比较其优缺点。关键词:51单片机、红外测温、非接触 1 红外测温系统1.1 红外测温系统概述一般来说，测温方式可分为接触式和非接触式，接触式测温只能测量被测物体与测温传感器达到热平衡后的温度，所以响应时间长，且极易受环境温度的影响；非接触红外测温仪采用红外技术可快速测得温度读数。只需瞄准、按动触发器，在显示屏上读出温度数据。
3、红外测温仪重量轻、体积小、使用方便，并能可靠地测量热的，危险的或难以接触的物体，而不会污染或损坏被测物体。红外测温仪每秒可测若干个读数，而接触测温仪每秒测量就需要若干分钟的时间。红外测温作为一门新技术和新方法，它的出现是红外技术的发展结果。红外技术是研究红外辐射的产生、传输、转换、探测并付诸应用的一门科学技术。近20年来，红外测温技术在产品质量控制和监测！设备在线故障诊断安全保护以及节约能源等方面发挥了或正在发挥着重要作用，逐渐被广泛应用于电力，食品加工。冶金、石化、医疗、科研等多种行业中2。由于红外热像仪价格昂贵，这大大限制了它的推广应用，而点式红外测温仪价格相比较来说还是较低的，就测温精度
4、来说，点式红外测温仪和红外热像仪相比精度相当，并且很多应用场合精度要求不是很高，可以采取一定措施弥补其缺点，而又不太大的增加其成本。1.2 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。物体的红外辐射特性：辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着密切的关系，因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，使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。发射率是表征物体辐射红外线的能力，它是相同温度和波长下的实际物体与黑体的单色辐射出度之比，所以亦称比辐射率，它是表征物体辐射本领的重要热物性参数，发射率越大，物体表面的辐射率越强。大部分有机物或金属
5、氧化物表面的发射率都在0.85-0.98之间，光洁的金属表面或抛光的物体发射率很低，所以，材料种类、表面粗糙度、理化结构和材料厚度都是影响发射率的主要因素3。1.3 红外测温仪的分类红外测温仪包括便携式、在线式和扫描式三大系列。红外测温仪根据原理可分为单色测温仪和双色测温仪。1.4 红外测温的应用红外测温，由于是非接触式，而且可测得温度的低温为负的温度，高温可达3000，因此，在工业部门的钢铁、水泥、化工、石油、轻工食品加工、空调制冷、汽车检测、沥青路面、玻璃制造、设备诊断、造纸、消防等等部门都可以广泛应用。由于红外测温是测量物体的表面温度，故测量结果与被测目标的表面状况有关系，因此，在应用技
6、术上要注意以下问题：1） 正确设定辐射系数前面介绍的普朗克定律是对黑体而言的，黑体的发射系数1，而自然界中存在的物体，几乎都不是黑体，它们的辐射系数都小于1.如何正确选择被测物体的发射率呢？一般有几种方法：a)参考厂家说明书中给出的不同材料的发射率来选定。b）在低于260的物体，可在被测物体上一块标准发射率的纸，在温度达到平衡时，用测温仪分别测量覆盖和紧邻的未覆盖部分的温度，便可求出被测物体的发射率。c）用热电偶或其他方法先测出物体的真实温度，用此温度来校准红外测温仪。即细节测温仪的发射率值，使指示的温度与真实温度一致，此时的发射率就是被测物体的发射率。2) 正确选择距离系数用D表示测温仪到目
7、标的距离，S表示目标的直径，距离系数为D:S.此系数越大，表示光学分辨率越高。当D:S=12:1时，距离为900mm时，目标直径必须大于86mm，这样才不会引起测量误差，目标直径必须充满现场，而且最好有115倍的余量4。2 红外测温仪的实现方案方案一 运用嵌入式控制系统作为核心处理模块，这种方法由于运作成本较高，而且嵌入式系统程序控制较为复杂，所以这种方法不常被人们所采用。 方案二 选用透射式光学系统汇聚辐射红外线，核心处理通过8031，用8位常见型AD0809进行模数转换，由于8031内部没有程序存储器，需要扩展，使系统变得复杂且增加了成本，而8位的AD0809无法满足系统要求，所以放弃该方
8、案。方案三 选用多视场菲涅尔透镜将红外线能量集聚起来，以扩大其探测距离；采用LN074B型的二元红外探测头进行光电转换，提高干扰能力。采用内部带有程序存储器的8051作为核心处理模块，A/D转换器则用12位11通道的TLC2543来实现，可增加系统的精度。综上所述，比较红外测温仪的三种实现方案，方案三较其他两种方案有着成本较低，控制单元简单，精度较高等多种优点5。3 红外测温仪整体系统构架红外热释电效应测温仪的整体系统构架功能模块框图如图3.1所示。图3.1 整体系统功能模块框图3.1 红外光学系统红外测温仪光学系统的作用是重新改善光束的分布，更有效地利用光能。红外光学系统的使用可大大提高灵敏
9、面上的照度，从而提高仪器的信噪比，增大系统的探测能力。常用的红外光学系统有三种结构形式，即透射式光学系统（辐射束通过其中的折射介质）；反射式光学系统（辐射束受到其中一个或几个反射镜的反射）；组合式光学系统（由透射式和反射式系统组合而成）6。其中，反射式的灵敏度最低，探测距离一般为2-10m；组合式居中，兼有反射式和透射式的优、缺点，反射式系统的红外传感器要置于镜前，体积大，不好密封，在防尘、防水、抗击、隐蔽性等方面较差，尤其在防盗报警方面不宜采用。而透射式系统的体积小，密闭容易，稳定性好，其价格相对较低，因此目前国外多采用透射式系统7。由于单透镜系统结构简单，加工方便，在成像质量要求不高、通光
10、口径较小的场合使用，正好满足红外测温仪的要求。图3.2 单透镜光学系统示意图菲涅尔透镜是一种塑料注成的薄透镜，片上刻有精细的镜面和排列有序的纹理，它是根据对灵敏度和接收角度的要求来设计和制作的，技术精度要求相当高。一片好的透镜必须表面光洁、纹理清晰，厚度在0.65mm左右，对红外光的透过率要高于65%8。3.2 红外探测器红外探测器是红外测温仪的重要组成部分，它的主要功能是测定红外辐射的大小并将其转变为其他形式的能量（多数情况是转变为电能）以便应用。一个完整的红外探测器包括红外敏感元件、红外辐射入射窗口、外壳、电极引出线以及按需要而加的光阑、冷屏、场镜、光锥、浸没透镜和滤光片等，在低温工作的探
11、测器还包括杜瓦瓶，有的还包括前置放大器。按探测器的工作机理区分，可将红外探测器分为光子探测器和热探测器两大类9。3.3 红外信号的调试调制实质上是指对所需处理的信号或被传输的信息做某种形式上的变换，使之便于处理或传输。对于红外系统，当被测物体温度一定时，由目标所发射的辐射通量总是恒定的，位于一定距离处的红外系统所接收到的辐射通量也是恒定的。为了探测目标，需要对目标辐射能进行调制，即把红外系统接收到的恒定辐射能转换成随时间变化的断续的辐射能，以便热释电红外探测器接收以及后续电路的处理10。3.4 信号的放大和滤波热释电探测器接收到红外辐射能量后，转变为交变脉冲电信号。这种电信号是十分微弱的，通常
12、只有几毫伏至几十毫伏。对这种微弱的电信号，既无法直接显示，又很难做进一步的分析处理。因此，要将信号进行数字化的处理，则须把信号放大到数伏量级才能被一般的模数转换器所接受11。另外，由于信号中不可避免地包含有各种噪声，所以必须要对探测器检测到的信号进行滤波，以使有用频率信号通过而同时抑制（或大为衰减）无用频率信号。以往这种滤波器主要采用无源元件R、L和C组成，六十年代以来，集成运算放大电路获得了迅速发展，由它和R、C组成的有源滤波器，具有不用电感、体积小、重量轻等优点12。此外，由于集成运算放大电路的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出阻抗又低，构成有源滤波器后还具有一定的电压放大和缓冲作用。3.
13、5 电源电路的设计单片机等器件的工作离不开直流电源，实现方案所用的电源大部分均为5V，因此系统中很有必要设计一款简单实用的直流稳压电源作为供电电源。因为采用数字集成电路，速度快、效率高，所以整机的功耗都不大。总 结通过对红外测温仪背景及设计方案等相关内容的查找，我学习到各种方案之间的不同以及认识到它们各自的优缺点，使我对红外测温仪装置有了自已的设计思路。在查找资料过程中，我反复研究了多种设计方案，发现了其中的特点，同时对设计中常用芯片有了深入认识，使我在学到更多东西的同时也必将为我接下来的毕业设计打下坚实的基础。参考文献1 张洪刚等.模拟电路与数字电路M.北京: 清华大学出版社,2009.1:
14、25-31.2 王质朴等. MCS-51单片机原理、接口及应用M.北京: 北京理工大学大学出版社,2009.11:150.3 杨素行等.模拟电子技术基础简明教程M.北京: 高等教育出版社,2001:111. 4 沙占友等.单片机外围电路设计M.北京: 电子工业出版社,2006.6 :225-230.5 唐杰.51单片机编程基础与开发实例详解M.北京: 人民邮电出版社,2008.11.6 夏继强.单片机实验与实践教程M.北京: 北京航空航天大学出版社,2001.2.7 陈永甫.红外探测与控制电路M.北京:人民邮电出版社,2004:37-42.8 阎石.数字电子技术基础M.北京:高等教育出版社，2
15、006. 9 柳刚等. 非接触式红外测温仪的研制J.光电子技术与信息, 2005.05.10 李云红等. 红外热像测温技术及其应用研究J.现代电子技术, 2009.01. 11 F.Cascetta. An Evaluation of The Performance of an Infrared Tympanic Ther- mometer.J, Measurement, 1995,16:239-24.12 N.P.Artley, E.G Maksimov, E.Grown. Pyroelectric Infrared Sensors Array for Human Body DetectionJ. Integrated Ferroelectrics , 1995,6(2):241-251.
