2022年2022年红外测温系统设计与实现 .pdf

第 37 卷第 5 期应用科技Vol. 37， . 52010 年 5 月AppliedScienceandTechnologyMay 2010doi： 10.3969/j. issn.1009 671X. 2010.05. 006红外测温系统设计与实现李智伟 ， 冯驰（ 哈尔滨工程大学信息与通信工程学院， 黑龙江 哈尔滨 150001）摘要： 针对高温环境下的实时监测问题， 红外测温系统采用比色测温法进行测量. 红外测温系统的核心技术是光学设计与光电转换， Labview系统作为数据处理和界面显示的平台， 实时地给出直观的数据图形和表格. 系统工作性能稳定， 最大程度地降低辐射率对测温精度的影响， 使得测量结果更加接近物体真实温度， 可以满足对高温环境的温度测量工作.关键词 ： 比色测温 ； Labview； 光纤束 ； 光电转换 ； 红外测温系统中图分类号 ： TH811； TP212文献标识码 ： A文章编号 ： 1009 671X （ 2010）05 0024 05Design and implementationof infraredtemperature measurement systemLI Zhi-wei， FENG Chi（ Collegeof Information and CommunicationEngineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）Abstract ：Infrared temperaturemeasurementsystemis an effective meansfor real-time monitoring of high-tempera-ture environments. To reduce the impact of metal radiation on the temperature measurementaccuracy greatly，thesystem usesColorimetry method，which makesmeasurementscloser to the true object temperature. Optical designand photoelectric conversionare the core technologiesof infrared temperaturemeasurementsystem. Data processingand display platform are realized by Labview，real-time datais given on visual graphics and tables. The stable per-formance of the systemcan satisfy temperature measurementin high-temperaturedenvironment.Keywords ：colorimetry；Labview；fibre bundle；photo-electric conversion ； infrared thermometry收稿日期 ： 2009-10-26.作者简介 ： 李智伟（ 1984 -） ，男， 硕士研究生， 主要研究方向： 视觉传感与信息处理， E-mail：lzwlzw00163. com.在工业生产中有许多高温环境，如金属冶炼、发电厂大型锅炉 、 化工生产等 . 为保证生产设备安全及产品的品质 ， 对这些高温环境进行准确实时的监测十分必要 . 目前 ， 红外测温是一种最有效的监测方法， 广泛应用的红外辐射式测温仪主要采用全辐射测温法和亮度测温法， 测温精度往往受到水汽、 杂质尘埃等因素的影响， 增大测温误差 . 比色测温法和多光谱测温法 1精度高 、 相对易实现等优点受到广泛关注 . 根据比色测温原理设计硬件系统， 通过 PXI 数据采集卡以完成数据采集， 以 Labview 做软件处理 ，实现了一套功能稳定界面友好测量范围在550 1000 K 的比色测温系统.1测温方法简介高温环境测量方法主要分为接触式测量和非接触式测量.接触测温大多数等待热平衡时才能正确测定温度， 测量过程会受被测对象特性及传热方式的影响，使测定温度与真实温度可能不一致. 当介质在腐蚀性 、高温条件下工作时 ， 测量元件的使用期限缩短， 测量准确度也会相应降低 . 铂铑热电偶测温是一种比较典型的接触式测温方法 2.非接触式测温以普朗克辐射定律为理论基础， 利用热辐射进行测温 ， 其优点是响应快、 寿命长 、 非消耗性的， 可实现实时连续测量 ， 但受被测物体的发射率和测量环境等因素的影响大， 抗干扰性差 . 辐射光受烟雾、 水蒸气 、 尘埃影响 ， 可能导致测量误差增大. 使用比色法测温， 如果避开选择性吸收气体的吸收峰， 选用合适的波段， 所受的影响可以大大减小 . 比色测温法几乎不受被测物体光谱发射率的影响 3.名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - 2红外测温系统设计2. 1硬件结构设计首先 ， 根据光电器件的转换能力进行估算光纤束中 应 传 递多 少能 量， J16Si 双 色 光 电 管 转 换 出1 A电 流 对 不 同 波 长 分 别 约 需 要 2. 2 W 和1. 82W的能量，既透镜耦合到光纤中的能量不能少于 2. 2 W. 根据斯特潘 -玻尔兹曼定理 ：J = T4.（ 1）式中 ：斯 特 潘-玻 尔 兹 曼 常 数 =5. 670 410 8W/（ m2K4） ， 是物体的辐射率， 黑体的值为1， 实际值小于1， 与物体的温度和材料等有关. 物体辐射出能量密度与热力学温度的4 次方成正比 . 根据式 （ 1） 可知直径5 cm 面积 500 K， 表面辐射能力约为 6. 955 W. 探头设计距离为1 m， 物体辐射能量分散在半球面上， 距离越远单位面积上的能量也越少. 红外光经过透镜和光纤束传输会存在一定的损耗， 由于是短距离传输光纤中的损耗非常小， 其总损耗量通常小于能量的5 %. 当镜头的口径为5 mm时， 面积远远小于辐射能量所在的半球的面积， 近似计算镜头受光面积与半球表面积比F = 3. 125 106， 从而可以估算出进入镜头的能量约为M = J F = 6. 955W 3. 125 10 6= 21. 734 W. 远大于2. 2 W， 满足设计要求 .红外测温是通过测定物体辐射出的能量来计算温度的 ， 如果被测的物体太小或者太远， 物体的像将不能覆盖整个待测物体. 距离系数 5对辐射高温计测量距离与待测物体直径做了限定：K = L/D.（ 2）式中 ： L 为探头到待测物体的距离， D 为辐射区域直径. 增大距离系数接收的能量就会减少， 如果不增加探头口径很难把距离系数做的很大， 目前， 红外测温仪的距离系数一般在2 300 之间 ， 可根据需要来设计， 本系统距离系数取20. 即镜头距被测目标1 m，可测量直径为5 cm 辐射区域 .透镜选择首先需要参考2 个重要的参数， 数值孔径 N 和有效焦距E， 光束直径为D：D = 2 N E.（ 3）采用直径为5 mm 的光线束 ， N 值与透镜的透光率有关， N值越大透镜的透光率越好，但是其值越大成本将也越高， 而且 N 值增大 ， 视场宽度与工作距离都会相应地变小. 同时应选择透镜设计波长， 即透镜镀膜所对应的最佳透过波长， 总之透镜选择应根据需要综合考虑.比色测温法硬件结构示意图如图1 所示 .图 1硬件结构示意图待测物体辐射区域辐射能量经过透镜聚焦到光纤束上 ， 经光纤束传输 ， 照射在 two-color 光电管 （ 双色光电管 ） 敏感面上 ， two-color 光电管有 2 层的滤光片， 2 个滤光层分别对2 个不同波长的光具有良好的透过性 ， 热辐射能量转换为2 路电信号输出 ， 分别对 2 路信号进行直流放大.采用 J16Si 双色光电管可以有效地提高系统集成度， 但是由于不同波段光信号能量转换率不同， 需要进行补偿 . 与单模或者多模光纤相比光纤束的使用不仅降低了对准的难度， 而且传输光信号的能量更强， 有助于后续光电转换的实现.2. 2光电转换将辐射区域所辐射出的光能量转换成电信号，是红外测温硬件系统中最核心的部分， 其中放大器设计非常关键 . 第一级运放尤为重要， 由于探头测量的辐射区域较小， 辐射能量有限， 尤其在温度较低的区域能量更低 . 经过透镜和光纤束的传输也存在一定的能量损耗 ， 光电管转换输出的电流信号十分微弱， 提供给运放的输入电流只有几个微安级甚至更低. 既要保证对信号放大， 同时避免在第一级放大器引入较大的噪声， 影响后续信号处理，应采用低输入电压噪声的运放. 由于是微弱信号放大， 输入与输出端要做好屏蔽， 避免对输入信号产生干扰. 此外 ，选择运放的增益带宽积应满足要求， 对于运放的零点漂移 、 谐波失真的参数也应该进行综合考虑.反馈电阻可以采用多个电阻串联的方式， 这样可以最大限度的消除寄生电容 6， 采用高性能的电源供电 ， 纹波只有 3 5 mV.光电管通常采用加反偏电压的方式， 可以提高52第 5 期李智伟 ， 等： 红外测温系统设计与实现名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - 光电管的线性度， 同时可以提高它的频率响应， 从而提高它的通带宽度； 但是， 同时也会带来暗电流和噪声， 反偏电压越大暗电流也越强.需要注意反偏电压不会提高光电管所产生感应电流的强度， 感应电流的强度仅与光电管敏感面所接收到的光强有关. 采用反偏电压连接光电管时应特别注意光电管所能承受的最大反偏电压， 同时， 要使用限流电阻保护光电管.运放反馈电阻的阻值选择也是非常关键的， 应该选择几欧姆的还是应该用几兆欧的， 一般的来说普通的应用中阻值在1 100k 是比较合适的. 高速应用中阻值在100 1 k， 但他们会增大电源的消耗.便携设计中阻值通常在1 10 M，但是他们将增大系统的噪声. 电路采用 1 k的反馈电阻 .光辐射强度转换为电压强度时， 信号中有大量直流分量 ， 运放级间的耦合应采用直流耦合.以下是 2 种典型的微弱信号放大装置： 图 2 输出电压 Vout= ISRF， RF为反馈电阻 ， IS为光电管感应电流 . 电路的动态范围可由式（ 4） 计算 ， CD由 2 部分组成光电管结电容和输入电容组成， 通带宽度为100 K 时取值约为29 F. 反馈电容可由式（ 5） 求出为 40 nF.f3dB=GBP2 RFC槡D，（ 4）12 RFCF=GBP4RFC槡D.（ 5）图 2光电转换电路1OPA846 的增益带宽积为1 750 MHz， 极低的输入噪声槡1. 2 nv/Hz， 12. 6 mA 的低功耗等特点， 适合于做光电转换放大器. 图 2 中电路理论带宽为f3dB= 100 kHz， 采用 1k的传输电阻 ， 将光电管转换出的电流放大1 000 倍， 由于网络匹配较难实现， 未作实际测量，通常实际放大倍数与理论值相差不大.实验以红外发光管模拟物体红外辐射， 通过信号源以正弦波加直流偏置的方式提供信号.测得通带宽度为 102 kHz， 示波器读出静态纹波为5 mV， 低纹波噪声能够满足红外测温系统的要求. 以滨松C8366模块作为光电转换电路的性能参考， 测量结果如下 .信号源提供 3. 2 V 的峰峰值的正弦信号， 经过光学系统传输 ， 光电转换及放大得到输出电压100 mV峰峰值的正弦信号. 以相同的信号测得滨松C8366输出电压为 106 mV 峰峰值 ， 其静态纹波为5 mV.62应用科技第 37 卷名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - - - - - - - - - 图 3 输出电压Vout= Is*RL（ 1 +RFR） ， Is为光电管输入电流 ， RF为反馈电阻 ， RL为负载电阻 . 2 种电路不同在于 ， 电路 2 是通过负载将电流信号先转换成电压信号 ， 之后对电压信号进行1 +RFR倍放大 ， 即对电流放大11 000 倍， 通带宽度等其他参数设计与电路 2 计算方法相同 . 提供相同的测试信号， 输出信号为峰峰值 995 mV 的正弦信号 ， 静态纹波为 5 mV，通带范围为110 kHz.光电管转换的电信号未经放大时信号十分微弱， 无法直接读出光电转换电路运放输入端信号. 采用的红外发光管和接收管带宽均远大于信号带宽，可认为红外接收管能够接收到完整的发射信号， 加载到红外发射管信号频率为100 kHz， 如图 3 所示 .图 3光电转换电路2图 4激励信号波形图 4 从上到下依次为C8366、 光电转换电路2和光电转换电路1 输出的信号波形. 测试结果表明信号在通带范围内， 所采用的2 种电路与C8366 性能相近 ， 能够满足红外测温系统要求.图 5接收信号对比图2. 3光电转换电路特点1） 信号的屏蔽 ： 由于是微弱信号放大， 相对于输出信号输入电流非常微弱， 经过光电转换 ， 输入电流仅为 10 A 左右 . 为避免输出信号对输入信号的影响应当进行有效的屏蔽.2） 元器件布局 ： 未滤波的电路会对输入信号有干扰， 电源部分与信号放大部分应保持合适距离， 信号区域与电源区域应该有20 mm 以上的距离 .3） 较大的动态响应范围； 适应不同频率信号的放大.4）提高输出电阻功率：输出端的功率较大，如果用单个电阻可能会发热甚至烧断， 采用输出端电阻并联 .5） 高信噪比设计： 采用高质量低纹波电源可以减小电源噪声 ， 以及合理的布局尽可能降低电路中的噪声 .6） 阻抗匹配 ： 为适应后续放大级间耦合输出采用 50 的阻抗匹配 .3数据处理与界面显示红外测温模块的硬件系统将红外辐射的光信号转换为电信号输出， 通过 PCI-6024E 数据采集卡将模拟电信号采集到计算机中. 选择 DAQmx Assistant后， 可直接设置其中的AnalogInput（ 模拟输入）通道， 选择设置通道名称、 测量范围 、 信号连接方式、 标度、 采样率 、 时钟等进行设置， 同时将任务保存在MAX 中. 按照比色原理进行数据处理， 得到 2 路信号的比值 ， 最后经过温度标定算法修正输出温度值.72第 5 期李智伟 ， 等： 红外测温系统设计与实现名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 5 页 - - - - - - - - - 图 6图形界面方便直观地将待测物体温度信息表示出来十分重要 . 将采集来的数据经过处理后转换成直观的图形和数据输出. 采用表格 、 图形等表示方法， 给出物体较全面的温度信息，选择不同的选项可以清晰的看到所要关注的信息.通过Iabview图形化编程可以很好的满足上述要求. 图形界面如图6 所示 .4结束语完成了红外测温系统的光学以及光电转换电路的设计.重点分析了光电转换电路的设计方法以及参数指标 ， 实现了比色法红外测温系统， 以及 Lab-view 图形界面的显示. two-color 光电管的使用， 取代了分光镜和滤光片等光学器件， 大大提高了系统的集成度 .采用光纤束作为传光介质， 与多模或单模光纤相比具有传输能量更强， 容易对准等诸多优点. 实验结果表明所研究的比色红外测温系统系统是稳定可靠的 ， 经过黑体炉标定后即可在实际中应用.基于比色测温原理的红外测温系统， 能够抵消辐射率对测温精度的影响， 使得测量结果更加接近待测物体表面真实温度. 将该红外测温系统的探头等机械结构稍加修改， 即可将比色测温系统应用于其他不同的环境中， 如大型发电机 ， 航空用小型机载涡轮的叶片温度测量， 特种钢材冶炼等， 具有巨大的实际应用价值 . 比色测温法是目前人们研究的热点，在实际应用中还有许多需要完善的地方. 如高温计探头的机械灵活性和恶劣环境适应性， 数据算法精度的提高 ， 显示界面更加人性化， 测量精度的进一步提高等 .参考文献 ： 1COATES P B. Multi-wavelength pyrometry J . metrolo-gia， 1981， 17： 103-109. 2 王魁汉 ， 侯素兰 ， 吴玉锋 . 热电偶高温计检定方法初探 J . 仪器仪表标准化与计量， 2003， 4： 38-41. 3 李兵. 基于黑体空腔的光纤高温计的研制 D . 武汉 ：武汉理工大学 ， 2006： 41-46. 4 李科杰 . 新编传感器技术手册 M . 北京 ： 国防工业出版社， 2002： 863， 876-888， 141-142. 5 王魁汉 . 温度测量实用技术 M . 北京 ： 机械工业出版社， 2007： 254-255. 6 冈村迪夫 . OP放大电路设计 M . 北京 ： 科学出版社，2004： 18-22， 43-48， 83-91， 103-113. 7 RAISUTISR R，JASIUNIE E，SLITERIS R. The review ofnon-dstructive testing techniques suitable for inspection ofthe wind turbine blades J . ULTRAGARS-AS （ ULTRA-SOUND） ，2008，63（ 1） ： 26-30.82应用科技第 37 卷名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 5 页 - - - - - - - - -