红外线测温仪设计毕业论文
摘要
红外线测温仪以其响应速度快、准确、便捷、使用寿命较长等优势，在冶金、电子、石化、食品等行业得到广泛应用，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。
本课题是受某公司委托进行研究。一方面揭示规律，另外建立实验系统。通过课题研究锻炼科学研究能力，同时培养光、机、电综合能力。铝的温度测量，注重研究红外测温的原理，红外传感器的特性，在此基础上，制作温度测量仪。温度测量仪分为信号采集，信号放大，信号处理，信号传输四个部分。选用OTP-537F2红外探测器为系统的传感器；以STC12C5A60S2为主控芯片； RS232协议传输、显示测量结果；选用ICL7650和CD4051进行程控放大；选用OP07进行信号的放大。
关键词：红外辐射；发射率；中低温测量；信号放大
Abstract
Externally pressurized gas bearing has been widely used in the field of aviation, semiconductor, weave, and measurement apparatus because of its advantage of high accuracy, little friction, low heat distortion, long life-span, and no pollution. In this thesis, based on the domestic and overseas researching……
Keywords: keyword 1, keyword 2, keyword 3, ……, ……, keyword 6
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哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）
目录
摘要 (Ⅰ)
Abstract (Ⅱ)
结论 (7)
参考文献 (8)
致谢 (9)
第1章绪论
在大量的科研与工业中，离不开测温，非接触式测温有快速、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。非接触式测温主要是利用任何物体都会发出红外辐射的原理来测量的，随着现代红外技术的不断成熟和日益完善，利用红外检测的远距离、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。
1.1 课题背景及研究的目的和意义
温度是确定物质状态的最重要参数之一,它的测量与控制在国防、军事、科学实验及工农业生产中具有十分重要的作用。特别是高温测量在航天、材料、能源、冶金等领域中占有极重要的地位。本课题是受某公司委托进行研究。一方面揭示规律，另外建立实验系统。通过课题研究锻炼科学研究能力，同时培养光、机、电综合能力。
1.2 红外测温及其相关理论的发展概况
红外线是电磁波长位于0.76μm～1000μm之间的电磁波，它存在于自然界的每一个角落。
1.2.1红外辐射基本知识
一切物体在温度高于绝对零度时都在不停地辐射红外线。红外线是从物质内部发射出来的，物质的运动是产生红外线的根源。众所周知，物质是由分子、原子组成的，它们按照一定的规律运动着，其运动状态也在不断地发生变化，因而不断地向外辐射能量，这就是热辐射现象。红外辐射的物理本质是热辐射，这种辐射的量主要由物体的温度和材料本身的性质决定。特别是，热辐射的强度及光谱成分取决于辐射体的温度，也就是说，温度对热辐射现象起着决定性的作用。温度是反映物体冷热程度的物理量，在一切物体的运动过程和生产过程中，几乎可以说热和温度的变化无处不在。据统计，工业生产中 50%以上的检测量是温度。可以毫不夸张地说，温度的检测是现代工业的命脉。测量温度的方法可以分为接触式和非接触式测温。
1.2.2红外测温分类
温度的测量方法大致可分为两种:接触法和非接触法。在接触测温法中,热电
偶和热电阻温度计应用最为广泛,该方法的优点是设备和操作简单,测得的是物体的真实温度等,其缺点是动态特性差,由于要接触被测物体,故对被测物体的温度
分布有影响,且不能应用于甚高温测量。目前非接触测温法仍以辐射测温法为主,在过去相当长的时间里,辐射测温法的可靠性和抗干扰性都不太高,且测量范围往往仅限于较高温度。但近二十多年,由于电子技术的飞快发展,半导体材料的进步及计算机技术的发展与应用,又由于辐射温度计具有无测量上限,响应速度快及不接触被测对象,因而不影响被测温场等特点,辐射测温技术得到长足的进步和发展。仪器的制造水平、性能指标已有了显著提高,辐射真温测量研究、标定技术研究及应用技术研究方面亦取得了丰硕成果。
辐射测温仪从仪器的工作方式上分,可分为: (1) 亮度(单色) 温度计; (2) 比色(双色) 温度计; (3) 宽带(全波长或红外) 温度计; (4) 多波长高温计等。从仪器的使用方式上分,可分为:(1) 便携式; (2) 掌上(手持) 式; (3) 固定安装式等。从能量传输方式上分又可分为:光纤式、接触式和一般光学式等。从目标的多少又可分成:单目标、线目标和面目标等。
本课题研究铝表面温度的测量。属于亮度温度计、固定安装温度计，另外本课题研究的铝温度测量一直是世界性难题，主要是因为其发射率太低。
1.3 红外测温仪的发展
辐射测温仪在早期是以光学高温计为代表的亮度法测温仪表。光学高温计的出现和不断完善，使高温温标的传递以及工业生产中接触法测温不能用的问题，得到了一定程度的解决。但是，由于光学高温计是亮度平衡方法，靠人眼判断，所以不能进行自动测量，这就使得光学高温计不能够实现温度的自动化测量、记录与控制，在生产现场的应用受到限制。后来，人们利用光电检测元代替人眼，发展了光电高温计、红外测温仪、全辐射测温仪等辐射温度计。这些辐射温度计克服了光学高温计的上述缺点，但都由于存在着发射率无法消除的问题，测得的温度不是真实温度，而是物体的亮度或辐射温度。辐射测温法测量真实温度的最大障碍是受到被测对象发射率的影响。为减少这个影响，多年来研究过许多办法。例如发射率修正法、逼近黑体法、测量反射率法、偏振光法、反射信息法等，这些方法在实际应用中都存在着各局限性，均不能从根本上解决消除发射率的影响。
比色法在一定程度上解决了发射率的影响。只要两个波长选择适当，许多物体的比色温度接近真实温度。为了进一步减少发射率影响，人们又发展了三波长甚至更多波长的测温仪。当物体的发射率与波长成线性关系时，三波长法克测得物体的真实温度。
80 年代以来，各国科学家对多波长温度计进行了大量的研究。分别针对不同的测量对象，研制开发了三波长、四波长、六波长辐射温度计，多波长测温理论与技术取得了发展。这些发展在一定程度上解决了真温测量以及热物体测量的问题，而且较好地解决了动态快速的测量问题。
多波长辐射温度计的出现是辐射测温技术的一个重要研究、发展方向，因而得到了国外同行的高度重视。90 年代初，哈尔滨工业大学与罗马大学合作研制成功国际首创的棱镜分光式35 波长高温辐射温度计，已经成功地用于烧蚀材料及发射率的测量。多波长辐射测温理论是基于测量多个波长的辐射信号，辅以对象发射率的背景知识，计算出目标的温度值，针对特定的对象可以减少或消除发射率的影响，但从理论上也没能根本上解决消除发射率的影响问题。实际应用中，在一些情况下仍会产生较大误差。
目前，辐射温度计的测温范围通常为-50℃～3000℃，这个范围覆盖了一般的工业需求。特殊场合的使用的温度计，其温度上限和下限都超出了该范围，例如等离子火焰的等效温度为2000℃～5000℃；火药爆炸的温度在3500℃左右；原子弹爆炸的等效温度在50000℃左右；最低温度可测到-170℃,甚至有的试验装置可到10K 左右。在灵敏度方面，有的基准或标准光电高温计在金点温度达到0.0001K，工业仪表可达到0.1K。在反应时间方面，最快的可达到微秒级。最小可测目标直径为0.5mm，显微测温仪则可达0.01mm。
总之，目前辐射测温仪表正在向高准确度、高灵敏度、快速、超高温、超低温、图像扫描、微小目标测量、智能化等方面发展。随着测温理论的发展和技术水平的提高，新的测温理论、方法和测温仪表会不断出现，辐射测温技术将会不断得到推动。
1.4 本文的主要研究内容
本文在大量的理论、实践的基础上研究低发射率、高反射率的铝温度测量研究，学习红外测温理论，掌握测温仪设计的基本流程，学习软硬件开发设计，掌握工程调试经验。
1.5 测温仪的技术指标
1)测温范围：-40℃---500℃；
2)距离系数：50:1或100:1；
3)精度：1﹪；
；
4)测温波长：8——14m
5)响应时间：0.1s;
6)-20℃---50℃环境温度自动补偿。
1.6 本章小结
本章介绍了红外测温的基础理论知识、课题研究的主要内容、红外测温技术的发展、红外测温仪的分类。
第2章 非接触测温基本理论
2.1引言
温度检测是现代工业的命脉，测量温度的方法可以分为接触式和非接触式测温。传统温度测量以接触方式为主，主要以热敏电阻、热电偶、半导体传感器测温为主要手段。传统的接触式测温由于其反应速度慢、测温时间长、影响物体的温度场等缺点使其应用范围受到限制。非接触式克服了以上的缺点。
2.2非接触式测温方法
目前，非接触式测温方式主要以红外测温为主，红外测温主要有以下几种方法:
(1)全辐射测温法
它是根据测量波长从零到无限大整个光谱范围物体的总辐射功率用黑体定标的仪器来确定物体的温度。其总辐射功率的大小与被测对象温度之间的关系是由斯蒂芬一波尔兹曼定律来描述的。此类测温方法的优点是结构简单，成本较低，容易实现;缺点是测量精度受物体发射率和外界环境因素影响较大，需要进行环境补偿。
(2)亮度测温法
它是根据测量给定波长凡附近一窄光谱范围的辐射用黑体定标的仪器来确定物体的温度，适用于高温场合物体温度测量。此类测温方法的优点是不需环境温度补偿，发射率误差较小，测量精度高;缺点是只能工作于短波区，只适于高温测量。
(3)双波段测温法
它是根据测量两个给定波长1λ和2λ的辐射功率之比，用黑体定标仪器来确定物体的温度，适合测量发射率变化或未知的物体，但只适合于测量辐射能量密度大的高温物体。此类测温方法的优点是光学系统可局部遮挡，受烟雾灰尘影响小，测量误差小;缺点是必须选择适当波段，使波段的发射率相差不大。
(4)多波段测温法
依次取多个波段，通过计算这些波段的辐射功率之间的复杂关系来确定物体的温度。此类测温方法的优点是测量结果与发射率无关，精度高;缺点是测温系统结构复杂，要选择适当波段。
(5)最大波长测温法
由维恩位移定律，黑体辐射峰值波长max λ与绝对温度T 之积为一常数，通过测
量值波长max λ来计算温度T 。此法常用测量极高温(大于2000℃)此测温系统结构简
单仅用于测量极高温。
课题研究的是非接触常温测量，此测温方法适用于工业现场的常低温非接触动态测温场合，即当温度接近于常温，且物体为动态的场合。比较以上各种红外测温法的优缺点，本课题选择全辐射测温法。
为了获得调制的红外辐射，达到测温的目的，在全辐射测温方法的基础上，课题采用了致冷参比温度测量方法，设计了自主采样式热释电探测器，并采用数学
算法的软件设计对温度进行补偿。
2.3红外测温原理
2.3.1红外辐射与红外热效应
任何物质(体)，其内部的带电粒子都是处于不断的运动状态的。当物体具有一定的温度，即物体温度高于热力学温度0K时(摄氏温度-273℃时)，它就会不断地向周围进行电磁辐射。物体的自发辐射能与温度有关，在常温下主要是红外辐射。红外辐射俗称红外线或红外光，它是人眼看不见的光线，具有强烈的热作用，故又称热辐射。
物体的热辐射特性主要由物体的温度决定，故又称为温度辐射。物体的温度辐射特性是光学温度传感和光电传感的基础。物体在常温下，发射红外线;当温度升高至500℃左右，便开始发射部分暗红的可见光;当温度继续升高，物体会向外辐射可见光，且随着温度的升高其波长会变短。红外线是位于可见光中红色光外的一种光线，是一种人眼看不见的光线。但这种光和其他任何光一样，也是一种客观存在的物质。红外线与可见光、紫外线、X射线、γ射线和微波等无线电磁波一起构成了一个无限连续的电磁波谱。在光谱中的位置如图2.1所示
图2.1 电磁波谱
在电磁波谱中，经常将波长范围为0.75~100μm的区域称为红外光谱区。红外线与可见光、无线电波一样，在真空中传播速度也是以光的速度(2.997925、1010cm/s)传播。在红外技术中，为便于对不同波长的红外光进行研究，一般将红外辐射分为四个区域:近红外(λ=0.75~3μm)，中红外(λ=3~6μm)，中远红外(λ=6~20μm)，远红外(λ=20~1000μm)。所谓远或近，是指红外辐射在电磁波谱中距离可见光的远、近，靠近可见光的为近红外区。
红外辐射的物理本质是热辐射。热辐射的程度主要由物体的温度所决定。温度越高，辐射出的红外线越多，红外辐射的能量越强。科学研究表明，太阳光谱各种单色光的热效应从紫色光到红色光的热效应是逐渐增大的且最大的热效应出现在红外辐射的频谱范围内，因而，有人又将红外辐射称为热辐射或者是热射线。试验表明，波长在(0.1~1000) μm范围内的电磁波被物体吸收时，可以显著地将电磁能转变为热能。红外辐射与其它辐射一样，能在其射程范围内被物体吸收并转换为热能。即使在高度真空里，通过热辐射也能进行能量的传递。红外辐射和可见光、无线电磁波一样，是以波的形式在空间(同一介质)进行直线传播的，并遵循逆二次方定律，也能反射、折射、散射、干涉和偏振。它在真空中传播的速度等于光在真空中的传播速度。即
γλ?=c ,及λ
σ1= （2.1） λ——红外辐射的波长（cm ）;
σ——红外辐射在真空中1cm 的长度内所包含的波长个数;
γ——红外辐射的频率（Z H ）；
c ——光在真空中的传播速度，s m c 8100.3?=;
热辐射的另一个特点是辐射光谱呈连续性，在电磁波谱中由于不同波谱的波长相差很大。红外辐射和电磁波传播一样也存在被传输介质吸收和散射等现象，使辐射能在传输过程中会逐渐衰减。
2.3.2黑体热辐射及基本定律
绝对黑体是在任何情况下对一切波长的入射辐射吸收率都等于1的物体。由于实际物体的红外辐射情况较为复杂，所以在研究其辐射规律时，以黑体这种简单的模型入手。显然，因为自然界中实际存在的任何物体对不同波长的入射辐射都有一定的反射，即吸收率不等于1。所以，黑体只是理论研究者抽象出来的一种理想化物体模型。在自然界中完全的黑体是不存在的，为了表示某一物体与黑体辐射的偏离，用发射率ε表征。它表示实际物体辐射功率与黑体辐射功率之比，ε=l ，即为理想黑体;当ε=0，即为完全透明体。发射率ε是与物体的材料、表面几何形状以及温度和表面加工程度有关的一个参数。
黑体热辐射的三个基本规律是红外线研究及应用的基础，它揭示了黑体发射的红外热辐射随温度及波长变化的定量关系。同样，也是研究红外测温技术的基本出发点。三大定律是:
(l)辐射的光谱分布规律—普朗克辐射定律;
(2)辐射光谱的移动规律—维恩位移定律;
(3)辐射功率随温度的变化规律—斯蒂芬一玻尔兹曼定律
普朗克辐射定律:一个绝对温度为()K T 的黑体的单位表面积，在波长λ附近单位波 长间隔内向整个半球空间发射的辐射功率(简称光谱辐射度)()T B M λ，与波长λ、温度T 满足以下关系： ()()[]1251521exp 1exp 12--T =-T ?=λλλ
πλC C k hc hc M B （2.2）
c ——真空中的光速 h ——普朗克常数 k ——波尔茨曼常数
1C ——第一辐射常数，212hc C π= 2C ——第二辐射常数，k hc C =2
普朗克辐射定律给出了黑体在()K T 时的辐射光谱分布特征，以不同的温度有公式（2.2）可计算出黑体在不同温度下发射辐射的光谱分布曲线如图2.2.
图2.2 不同温度下的黑体光谱辐射度
从图2.2中可看出随着温度升高，黑体辐射曲线全面提高，即在任一指定波长几处，与较高温度相应的光谱辐射度()T B M λ也较大。由于每种波长的辐射都随温度升高而增加，所以黑体单位表面积发射所有波长的全部辐射功率曲线下包围的面积，也随着温度升高而迅速增加。
维恩位移定律:揭示了黑体光谱辐射度极大值相对应的波长m λ (峰值辐射波长)随 温度的变化关系。即
K m T m ?=μλ8.2897 （2.3） 该关系式表明黑体辐射光谱分布的峰值波长礼随其绝对温度T 成反比移动。由公式(2.3)可计算出在一般室温27℃(300K)下的黑体，其辐射峰值为9.7m μ。
斯蒂芬—玻尔兹曼定律:描述的是黑体单位表面积向整个半球空间发射的所有波长的总辐射功率()T M b 随其温度的变化规律，即
()()()[]40
25101e x p T T C d C d T M T M b b σλλλλλ=-==??∞∞ （2.4）
σ——斯蒂芬-波尔兹曼常数，42
4
4115C T C ?=πσ 关系式(2.4)表明凡是温度高于开氏零度的物体，都会自发地向外发射红外热辐射， 且黑体单位表面积发射的总辐射功率与其开氏温度的四次方成正比。因而，当温度有小变化时，就会引起物体发射的辐射功率有很大的变化，因此红外检测是非
常灵敏的。
2.4被测物体发射率
2.4.1 各种发射率的引入
由于发射率可能随测量方向而变化，所以必须定义几种不同的发射率。
（1）半球发射率
半球发射率是辐射体单位面积向半球空间的辐射通量(即辐射出射度)与同温度下黑体的辐射出射度之比。它表征了辐射体在半球空间内的发射接近黑体发射的程度。其中又可分为全量和光谱量两种。
a. 半球全发射率或半球积分发射率定义为 =h εb
M M 式中M ——实际物体的全辐射出射度;
b M ——黑体在与物体相同温度下的全辐射出射度;
h ε——半球全发射率。
半球全发射率气表征物体向半空间内在0到∞的整个波长范围内的发射能力。 b.半球光谱发射率定义为
()=λεh λ
λb M M 式中λM ——实际物体的光谱辐射出射度;
λb M ——黑体在与物体相同温度下的光谱辐射出射度;
()λεh ——半球光谱发射率。
()λεh 是波长的函数，它表征物体在某一温度下，波长兄处向半球空间的发射接近黑体发射的程度。
(2)方向发射率
方向发射率，也叫定向发射率或角比辐射率，它是在与辐射表面法线方向成θ角的小立体角内测量的发射率。θ角为零时的发射率，称为法向发射率n ε。由于大多数红外系统都是探测辐射源在规定方向上的一个小立体角内的辐射通量，因而方向发射率和法向发射率是很重要的。方向发射率也有全量和光谱量之分。 a.方向全发射率
定义式为
()()()
φθφθφθε,,,b L L = 式中()φθ,L ——实际物体在温度T 时的辐射亮度;
()φθ,b L ——黑体在与物体同温度下的辐射亮度;
()φθε,—方向全发射率。因为T 一般与方向有关，所以以夕，初也与方向有关。它表征物体在与法线成口角方向上的辐射与黑体辐射接近的程度。
b.方向光谱发射率
定义式为
()()()
λφθλφθλφθελλ,,,,,,b L L = 因为物体的光谱辐射亮度λL 既与方向有关，又与波长有关，所以，()λφθε,,也是θ和波长λ的函数。它表征物体在特定波长处向给定方向上的辐射与黑体辐射的接近程度。从上述各种发射率的定义可以看出，对于黑体，各种发射率的数值均等于1;对于所有实际物体，各种发射率的数值均小于1。一般可把发射率分为全发射率和光谱发射率，通常所说的发射率ε是指全发射率，光谱发射率用λε表示。 根据光谱发射率的变化规律，可将热辐射体分为如下三类:
（1）黑体或普朗克辐射体:黑体或普朗克辐射体的发射率、光谱发射率均等于1。
（2）灰体:灰体的发射率、光谱发射率均为小于1的常数。
（3）选择性辐射体:选择性辐射体的光谱发射率随波长的变化而变化。
2.4.2红外辐射对实体的作用
物体对于给定的入射辐射必然存在着吸收、反射和透射，而且吸收
率α、反射率ρ和透射率τ之和必然等于1：
1=++τρα
而且，其反射和透射部分不变。因此，在热平衡条件下，被物体吸收的辐射能量必然转化为该物体向外发射的辐射能量。由此可断定，在热平衡条件下，物体的吸收率必然等于该物体在同温度下的发射率:
)()(T =T εα
其实由基尔霍夫定律，我们也可以推断出以上公式。
()()()T =T T 0M M α
()()T =T αε
()()()T T =T 0M M ε
则对于一个不透明的物体。 ()()T -=T ρε1
不同物质的ε，τ，ρ各不相同。
根据上式，我们不难定性地理解影响发射率大小的下列因素:
（1）不同材料性质的影响
不同性质的材料因其对辐射的吸收或反射性能各异，因此它们的发射性能也应不同。当温度低于300K 时，金属氧化物的发射率一般大于0.8。
（2）表面状态的影响
任何实际物体表面都不是绝对光滑的，总会表现为不同的表面粗糙度。因此，这种不同的表面形态将对反射率造成影响，从而影响发射率的数值，这种影响的大小同时取决于材料的种类。
例如，对于非金属电介质材料，发射率受表面粗糙度影响较小或无关。但是，对于金属材料而言，表面粗糙度将对发射率产生较大影响。如熟铁，当表面状况为毛面，温度为300K 时，发射率为0.94;当表面状况为抛光，温度为310K 时，发射率仅为0.28。
另外，应该强调，除了表面粗糙度以外，一些人为因素，如施加润滑油及其它沉积物(如涂料等)，都会明显地影响物体的发射率。
因此，我们在检测时，应该首先明确被测物体的发射率。在一般情况下，我们不了解发射率，那么只有用相间比较法来判别故障。而对于电力设备，其发射率一般在0.85到0.95之间。
(3)温度影响
温度对不同性质物体的影响是不同的，很难做出定量的分析，只有在检测过程中注意。
2.5影响红外辐射的主要因素
影响物体红外辐射的主要因素有大气的衰减及物体不同的辐射率。一般来说，大气对可见光是透射性能良好的媒质，但对不同波长的红外辐射却产生不同程度的衰减。造成辐射衰减的主要原因是大气中O H 2、2CO 、3O 、CO 和4CH 等气体的选择性吸收，以及大气中悬浮的各种微粒的散射所致。在接近地面的空气中，对红外线的衰减起主要作用的是水蒸气和2CO ，大气对红外线的吸收情况见图2.3。
图2.3大气对红外线的吸收
由图2.3可以看出，在(0~15)m μ波长范围内，大致有三个红外波段在大气中透 射较好，通常称这些波段为大气窗口，它们分别为0m μ~3m μ、3m μ~5m μ、8m μ~14m μ。由普朗克辐射定律可知，随着温度的升高，与光谱辐射度()T B M λ 极大值对应的波长减小。表面温度随着升高，黑体辐射中的短波长辐射所占比例增加。
另外，在研究物体红外辐射时，一定要注意不同的物体有不同的光谱发射率ε，它是衡量一个物体辐射性能好坏的一个重要物理参数。对于自然界中的任何一个物体，只要知道它在一定温度下的比辐射率ε，那么这一物体在该温度下的辐射特性就可引用有关黑体辐射定律进行研究或计算，并用该物体的发射率ε进行修正。这样，对非黑体的辐射研究就较为简单了。一般物体的发射率ε是一个通过相关的文献获得的参考值，使用时应该注意修正。
2.6 本章小结
本章介绍了非接触测温的基本原理，红外线的基本常识，影响红外测温的精度因素，这些原理对仪器制作的原理分析起着重要的作用。