便攜式紅外測溫系統(tǒng)的設(shè)計【文獻綜述】

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計開題報告</b></p><p><b>　　測控技術(shù)與儀器</b></p><p>　　便攜式紅外測溫系統(tǒng)的設(shè)計</p><p><b>　　1前言部分</b></p><p>　　隨著科學(xué)的發(fā)展與社會的進步以及人民生活水平的提高，對非接

2、觸式紅外測溫儀的需求越來越大，特別是在 2003 年的非典期間，這種需求達到了高峰。非接觸式紅外測溫儀不需要接觸物體即可測得物體的溫度，它的這個特點使得在一些比較危險的行業(yè)進行測溫成為最好的選擇。2003年的非典也使對非接觸式紅外測溫儀的研制開發(fā)達到了頂峰。由于需求量的增大，使得人們希望能有測溫性能穩(wěn)定，測溫距離較遠而價格又很便宜的非接觸式紅外測溫儀投入市場以滿足社會的需求。</p><p><b>　

3、　2主題部分</b></p><p>　　2.1紅外測溫的原理</p><p>　　紅外測溫系統(tǒng)是利用物體的輻射能量與溫度有關(guān)的原理而組成測溫的系統(tǒng)。將普朗克公式在探測器工作波長范圍內(nèi)積分可以得出目標(biāo)輻射率的大小與目標(biāo)溫度間存在著固定的對應(yīng)關(guān)系，用紅外探測器測出目標(biāo)的熱輻射功率，就能計算出目標(biāo)的表面溫度，這就為紅外測溫奠定了理論基礎(chǔ)。</p><p>&

4、lt;b>　　(1)普朗克定律</b></p><p>　　黑體的光譜輻射出射度是波長和黑體溫度的函數(shù)，即：</p><p><b>　?。?—1）</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p><b>　　—第一輻射常數(shù)，</b><

5、;/p><p><b>　　；</b></p><p>　　—第二輻射常數(shù)， </p><p><b>　??；</b></p><p><b>　　其中：</b></p><p><b

6、>　　K—玻耳茲曼常數(shù)；</b></p><p><b>　　h—普朗克常數(shù)；</b></p><p>　　c—電磁波在真空中的傳播速度。</p><p>　　圖1-1表示了不同溫度下黑體輻射的頻譜分布，從圖中可以看出:黑體總的輻射能量隨溫度的增高而增加，這是單波段測溫儀的依據(jù)。隨著溫度升高輻射峰所在的波長向短波方向移動，其規(guī)

7、律符合維恩位移定律。顯然高溫測溫儀適用于較短的工作波長，低溫測溫儀宜選用較長的工作波段；短波長處輻射能量隨溫度增加比長波長處快，這意味著短波長處比長波長處測溫靈敏度高。</p><p>　　(2)斯蒂芬一玻耳茲曼定律</p><p>　　將普朗克公式1-1對所有波長積分，便可得到描述單位面積黑體輻射到半球空間的總輻射功率，即</p><p><b>　?。?/p>

8、1—2）</b></p><p>　　式中，，稱為斯蒂芬一玻耳茲曼常數(shù)。</p><p>　　(3)實際物體溫度的計算</p><p>　　式（1—1）,（1—2）中的T均為絕對溫度。計算實際物體的輻射出射度只需在式（1—1）,（1—2）中乘以發(fā)射率即可。物體的輻射出射度與輻射的溫度T和發(fā)射率有關(guān)。只要測出物體的輻射出射度又以知物體的發(fā)射率即可求出溫度T

9、。實際上物體的測量是通過輻射量的測量得到的。</p><p>　　2.2 紅外測溫技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　1800年，英國物理學(xué)家F.W赫胥爾發(fā)現(xiàn)了紅外輻射，其占據(jù)的波段為0.76～1000，反映了一定溫度物體的熱特性，從此開辟了人類應(yīng)用紅外技術(shù)的廣闊道路。</p><p>　　紅外輻射測溫技術(shù)的發(fā)展主要從兩方面來看：一是紅外輻射測溫儀器的發(fā)展；二是紅外

10、輻射測溫技術(shù)的發(fā)展。</p><p>　　2.3紅外輻射測溫儀器的分類及發(fā)展</p><p>　　利用紅外輻射的原理進行溫度測量的儀器是從簡單到復(fù)雜逐漸發(fā)展而成的。早期的紅外測溫儀僅限于檢測物體的某一點的溫度，而后可以測量一條線的溫度，而不能顯示物體的形狀和表面上的溫度分布。直到了20世紀(jì)五六十年代，由于紅外探測器的改進和快速靈敏的光子探測器的問世，才導(dǎo)致了實驗性、原理性熱成像系統(tǒng)的誕生。

11、發(fā)展到目前的熱成像系統(tǒng)，它己經(jīng)是窄禁帶半導(dǎo)體技術(shù)、精密光學(xué)、精密機械、微電子學(xué)、特殊紅外工藝、新型紅外光學(xué)材料與系統(tǒng)工程學(xué)的產(chǎn)物。</p><p>　　根據(jù)紅外測溫的方式，紅外測溫儀器可以分為全場分析探測系統(tǒng)和逐點分析探測系統(tǒng)兩種。全場分析是用紅外成像鏡頭把物體的溫度分布圖像成像在傳感器陣列上，從而獲得物體空間溫度場的全場分布，全場分布探測系統(tǒng)稱為紅外熱像儀。逐點分析是把物體一個局部區(qū)域的熱輻射聚焦到單個探測器上

12、，并通過己知物體的發(fā)射率，將輻射功率轉(zhuǎn)化為溫度，逐點分析系統(tǒng)常稱為紅外測溫儀。紅外測溫儀包括紅外點溫儀、紅外熱電視、紅外行掃儀。</p><p>　　六十年代我國研制成功第一臺紅外測溫儀。我國最早開發(fā)應(yīng)用的是紅外光電測溫儀，它相當(dāng)于一個自動光學(xué)高溫計，響應(yīng)時間不快，測溫精度不高，己經(jīng)被淘汰。</p><p>　　進入九十年代，我國的紅外測溫儀采用當(dāng)今國際上通用的工作原理，由反射式、折射式或

13、干涉式光學(xué)系統(tǒng)收集被測物發(fā)出的紅外輻射，經(jīng)濾光片選取一定波長范圍的輻射，射入紅外探測器，探測器輸出的電信號經(jīng)過放大，線性化處理后送入數(shù)字電壓表顯示被測物體的溫度。并且陸續(xù)生產(chǎn)了小目標(biāo)、遠距離、適合工業(yè)生產(chǎn)特點的測溫儀器，如西光IRT-1200D型、HCW-III型、HCW- V型；YHCW-9400型；WHD4015型(雙瞄準(zhǔn)，目標(biāo)直徑為40mm時，測距可達15m)、WFHX330型(光學(xué)瞄準(zhǔn)，目標(biāo)直徑為50mm，測距可達30m )。&

14、lt;/p><p>　　九十年代末期，我國也產(chǎn)生了用光纖束作為光學(xué)系統(tǒng)的測溫儀，用單板機或單片機作信號處理和線性化及數(shù)字顯示的測溫儀。</p><p>　　2.4紅外輻射測溫技術(shù)的分類及發(fā)展</p><p>　　到二十世紀(jì)初，輻射法測溫的理論準(zhǔn)備已基本完善。又經(jīng)過了幾十年的努力，應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的紅外測溫儀，已有了三種類型的傳統(tǒng)形式。即全輻射測溫儀、單色測溫儀和比色測溫儀

15、。全輻射測溫儀是通過測量波長從零到無窮大的整個光譜范圍內(nèi)的輻射功率來確定物體的輻射溫度。單色測溫儀是通過測量目標(biāo)發(fā)射的某一波長范圍內(nèi)的輻射功率來確定目標(biāo)亮溫的儀器。比色測溫儀是根據(jù)兩個波段輻射能量的比值與物體溫度的函數(shù)關(guān)系來測定物體色溫的。</p><p>　　1954年P(guān)yatt建議使用3個波長的比色溫度計，以得到發(fā)射率與波長的關(guān)系。</p><p>　　到70年代末80年代初興起了多光

16、譜輻射測溫技術(shù)的熱潮。</p><p>　　1979年Cashdolla研制成功了3波長高溫計，在1.8，1.9及1.0三種波長下測量火焰及爆炸粉塵的溫度，測量上限可至2000K，同時可換用濾光片方法形成4波長及6波長高溫計。同年Svet等研制成4波長高溫計用以測量物體表面真實溫度，測溫范圍為：300～3000K。Lyzenga和Ahrens于同年推出了6波長的溫度測量裝置，采用硅光電二極管作和0.48～0.8波

17、長范圍內(nèi)的檢測元件，用以測量沖擊波后的物體的真實溫度，測溫范圍為:4000～8000K，精度可至20%。</p><p>　　1981年，Gardner及Jones等研制成了6波長高溫計，工作波長為0.75～1.65，測溫范圍為1000～1600K，精度為1%。</p><p>　　1982年歐共體Babelot及美國Hoch等人繼續(xù)研究多波長高溫計，并研制成6波長高溫計，采用光導(dǎo)纖維束分

18、光，硅光電二極管，用于材料熱物性的快速動態(tài)測量，在 5000K時分辨率為5K，并擬向10000K方向繼續(xù)發(fā)展。同年Cashdollar在3色高溫計基礎(chǔ)上推出了6波長高溫計，用于測量粉塵爆炸過程中粉塵粒子及氣體的溫度，使用PbSe探測器，6個工作波長分別為：1.57，2.30，3.84，4.42，4.57，5。</p><p>　　1986年歐共體及美國聯(lián)合課題組的Hiernaut等人研制成功了亞毫秒級6波長高溫計

19、，用于2000～5000K溫區(qū)內(nèi)真溫和光譜發(fā)射率的同時測量，溫度測量精度為0.5%，發(fā)射率測量精度為1～5%。</p><p>　　1992年Levendis等人研制成了3色輻射溫度計，工作波長分別為0.65，0.8和0.95，并用于燃燒粒子瞬態(tài)響應(yīng)測量，在數(shù)據(jù)處理上，采用比色思想，3個比色結(jié)果在2500K時相差小于100K。1992年Cezairliyan等人亦報導(dǎo)了亞毫秒級6波長高溫計的研制情況，采用光導(dǎo)纖維

20、束分光方法，6個工作波長分別為0.5，0.6，0.65，0.7，0.8和0.9，在脈沖加熱下測量了鈮金屬試樣的亮度溫度。</p><p>　　1984年北京武漢光學(xué)技術(shù)研究所研制成功3波長HDW-1型紅外測溫儀。1988年北京聯(lián)大提出了多光潛溫度自動檢測法。1989年王瑞才研制成功4波長高溫計并應(yīng)用于電弧加熱下燒蝕材料的溫度測量。但都沒有應(yīng)用多波長測溫理論中的數(shù)據(jù)擬合法，而還只是停留在比色、單色高溫計處理思想上，

21、多個通道數(shù)據(jù)只是為了相互校驗。</p><p>　　1991年戴景民與羅馬大學(xué)G.Ruffino教授合作研制成功國際首創(chuàng)的棱鏡分光式35波長高溫計，并成功地用于燒蝕材料真溫及發(fā)射率測量。1999年他又研制成功6目標(biāo)8波長高溫計并應(yīng)用于固體火箭發(fā)動機羽焰溫度和發(fā)射率的同時測量。2001年又成功地研究紅外多波長輻射溫度計用于導(dǎo)彈發(fā)射車的隱身測量。近年來，多波長輻射測溫理論亦有了相應(yīng)的發(fā)展。</p>&l

22、t;p>　　2.5紅外測溫的展望</p><p>　　在大量的科研與工業(yè)中，離不開測溫，紅外溫度計有快速、準(zhǔn)確、便捷、使用壽命長等優(yōu)勢，正被越來越多的人們所認(rèn)識，在冶金、電子、石化、交通、能源、橡膠、食品等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，成為企業(yè)故障檢測，產(chǎn)品質(zhì)量控制和提高經(jīng)濟效益的重要手段。利用紅外測溫的遠距離、不接觸、準(zhǔn)確、實時、快速等特點發(fā)展起來的紅外檢測技術(shù)由于在不停電、不取樣、不解體的情況下能快速實時地在線監(jiān)

23、測和診斷大多數(shù)故障，所以倍受國內(nèi)外的重視，并得到快速發(fā)展。</p><p>　　非典疫情過后，人們越來越注重公共衛(wèi)生安全。非接觸、高精度醫(yī)用紅外溫度計的研究，對于在公共場合、大流量人群的快速檢測具有重要的意義。它不僅具有巨大的商業(yè)價值，而且具有重大的社會價值。</p><p>　　隨著紅外材料及傳感器類型的不斷開發(fā)研究，新型測溫儀器正逐步替代傳統(tǒng)的測試手段。目前美、英等國正致力于加強前視紅

24、外系統(tǒng)信息處理能力(如自動人工目標(biāo)分類)，便攜式整機配個人計算機可產(chǎn)生實時、高分辨力圖像來解決研究領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域中的問題。世界上除了一些大軍工企業(yè)公司(如美國的Honeuwell公司、休斯飛機公司)之外，許多大商業(yè)公司(如三菱電氣、日本橫河電機(株)、瑞典AGA公司、法國Pyro公司、Sofradier公司、HGH紅外系統(tǒng)工程公司等)也正在積極從事紅外測溫、熱成像技術(shù)的研究及產(chǎn)品開發(fā)。在國內(nèi)，近年來隨著我國工業(yè)迅速發(fā)展和產(chǎn)品更新?lián)Q代的加

25、速，對測溫儀器的需求量越來越大，盡管熱電偶(熱電阻)一類接觸性測溫傳感器件仍然具有很大的優(yōu)勢，但非接觸性的紅外測溫儀器正日益受到各行業(yè)的關(guān)注。</p><p><b>　　3總結(jié)部分</b></p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，先進的紅外傳感器的出現(xiàn)以及高性能單片機的不斷推出，使得紅外測溫技術(shù)迅速發(fā)展并且得到了廣泛的應(yīng)用。利用紅外測溫技術(shù)制作的紅外體溫計具有非

26、接觸、響應(yīng)速度快、利于環(huán)保等優(yōu)點,在人民生活水平不斷提高的現(xiàn)代社會，必然會取代水銀溫度計成為人們的首選產(chǎn)品。</p><p>　　在歐美,熱釋電耳道式測溫儀已成功用于體溫測量，1991年后基本已經(jīng)普及。但是，我國在這方面起步較晚。2003年，由中科院物理研究所王樹鐸教授研制的“非接觸、口腔式紅外線電子體溫儀”才獲得專利授權(quán)。在此之前，完全不與人體接觸、又滿足醫(yī)療測量精度的要求的體溫計，還沒有面世。</p&g

27、t;<p>　　因此，對測量溫度范圍在24.0℃到45.0℃，精度要求為0.1℃的紅外體溫計的設(shè)計具有一定商業(yè)與社會價值。</p><p><b>　　4參考文獻</b></p><p>　?。?］范書彥.紅外輻射測量精度與誤差分析.長春理工大學(xué)</p><p>　?。?］苗玉杰.醫(yī)用紅外測溫儀及溫度補償技術(shù)的研究.燕山大學(xué)<

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