具有无线数据传输功能的红外测温仪的设计

　　0 引言

　　温度作为一种重要的热工参数，在工业生产中的很多场合要求实现实时自动监测和控制温度。传统的接触式测温方式因反应速度慢、测温时间长、干扰物体的温度场等缺点而使其应用范围受到很大限制。随着红外技术的发展，非接触红外测温作为一门新技术迅速崛起，在工业生产、产品质量监测、设备在线故障诊断、安全保护以及节约能源等方面发挥着重要作用。

　　基于红外测温技术设计的测温仪具有非接触测量、测量范围广、测温速度快、准确度高、灵敏度高、使用方便、寿命长等特点。目前，国内外非接触红外测温技术的发展极为迅速，德国IMPAC公司生产的数字式红外测温仪IS5系列很受用户欢迎，美国雷泰公司的红外测温仪在市场上也占有很大份额。国内生产红外测温仪的厂家和研究所有：上海自动化仪表三厂、云南仪表厂、中国科学院自动化所、杭州无线电厂等，产品也都具有良好的性能。

　　1 红外测温原理

　　在自然界中，一切温度高于绝对零度的物体都不停地向周围空间发出红外辐射能。物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布都与物体表面温度有十分密切的关系。因此，可以通过测量物体自身的红外辐射能来准确测定其表面温度。这就是红外测温的理论基础。

　　普朗克定律描述了绝对黑体的辐射能力与波长和温度之间的关系。其数学表达式为：

　　

　　从式（1）可以看出只要我们测出了黑体的辐射出射度M（λ，T），对其在全波长范围内进行数学积分就可以得出黑体的温度。这就是设计红外测温仪的理论依据。

　　普朗克定律是以“黑体”作为研究对象分析得出的。但是，自然界中存在的实际物体都不是黑体，所有实际物体的辐射能量除依赖于辐射波长及物体的温度外，还与构成物体的材料性质、生产工艺以及物体表面状态、周围环境等因素有关。因此，为了使普朗克定律适用于所有实际物体，必须对其进行修正。引入比例系数（即发射率，表征实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度，它与材料性质及表面状态有关，其值为0（极光滑的镜面）～1.0（黑色）。

　　

　　2 红外测温仪

　　红外测温采用逐点分析的方式，即把物体一个局部区域的热辐射聚焦在单个探测器上，并通过己知物体的发射率，将辐射功率转化为温度。由于被检测的对象、测量范围和使用场合不同，红外测温仪的外观设计和内部结构不尽相同，但基本结构大体相似，主要包括光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成，其基本结构如图1所示。

　　

　　光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。由于该电信号十分微弱，因此要经过放大处理后再送入信号处理电路，同时为了消除环境温度的影响，增加了补偿电路，然后经仪器内部的算法和目标发射率校正后换算为被测对象的温度值，最终通过传输线路显示到输出终端。

　　2.1 光学系统设计

　　光学系统是红外测温仪的重要组成部分，其作用十分类似于用于接收目标回波的雷达天线，就是汇聚辐射能量。常用的红外光学系统有三种结构形式，即透射式光学系统、反射式光学系统、组合式光学系统（由透射式和反射式系统组合而成）。

　　

　　对大多数光学系统而言，由于加工、检测等原因球面反射镜和透镜的使用最为广泛。综合考虑各种因素本课题采用透射式红外光学系统（见图2）。同时为了消除杂散光的影响，在焦距前方安装孔径光阑，并且要保证红外探测器位于透镜焦点处。

　　2.2 红外探测器

　　红外探测器是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件，它是红外测温仪的核心组成部分。红外探测器大致可以分为热探测器和光子探测器两大类。热探测器吸收红外辐射后，探测材料由于温度升高产生温差电动势、电阻率变化；自发极化强度变化；或者气体体积与压强变化等，测量这些物理性能的变化就可以测定被吸收的红外辐射能量或功率。光子探测器吸收光子后，本身发生电子状态的改变，进而引起内光电效应和外光电效应等光子效应，通过测定光子效应的大小可以确定被吸收的光子数。

　　本系统的光电传感器采用美国雷泰公司生产的Raytek CM型红外测温头。雷泰新一代CM高性能迷你型红外测温头温度范围广、精度高、体积小、多种输出模式、性价比高，是系统集成、设备配套的最佳选择。CM型红外测温头专为工业设备用户的多种应用需求选择。测温范围-20～500℃，满足一般工业用测温仪的温度要求。光谱响应范围8～14μm，应用于工业现场的被测物的辐射波长主要在2.5～15μm之间，峰值波长在9.5μm处，其中8～14μm波段辐射能占总辐射能的半数以上。光学分辨率为13:1，响应时间150ms满足本课题的技术要求。