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2020年03月04日 | 一种高精度红外测温系统的设计
2020-03-04 来源：elecfans
温度测量主要有两种方式：一种是传统的接触式测量，另一种是以红外测温为代表的非接触式测量。传统的温度测量不仅反应速度慢，而且必须与被测物体接触。红外测温以红外传感器为核心进行非接触式测量，特别适用于高温和危险场合的非接触测温，得到了广泛的应用。本文将详细介绍如何设计基于SOC级微处理器的高精度红外测温系统，及其在电力温度检测、设备故障诊断方面的应用。
1．红外测温仪的工作原理
自然界一切温度高于绝对零度的物体，都在不停地向外发出红外线。物体发出的红外线能量大小及其波长分布同它的表面温度有密切关系，物体的辐射能量与温度的 4 次方成正比，其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合普朗克定律。因此我们通过测量物体辐射出的红外能量的大小就能测定物体的表面温度。微小的温度变化会引起明显的辐射能量变化，因此利用红外辐射测量温度的灵敏度很高。实际物体的辐射度除了依赖于温度和波长外，还与构成该物体的材料性质及表面状态等因素有关。只要引入一个随材料性质及表面状态变化的辐射系数，则就可把黑体的基本定律应用于实际物体。这个辐射系数，就是发射率ε，或称之为比辐射率，其定义为实际物体与同温度黑体辐射性能之比，该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度，其值在0和1的数值之间。
红外测温仪的工作原理如图 1所示：被测物体辐射出的红外能量通过空气传送到红外测温仪的物镜，物镜把红外线汇聚到红外探测器上，探测器将辐射能转换成电信号，又通过前置放大器、主放大器将信号放大、整形、滤波后，经过A／D转换电路处理后输入微处理器。微处理器进行环境温度补偿，并对温度值进行校正后驱动显示电路显示温度值。同时，微处理器还发出相应的报警信号，并且接受按键输入的发射率以完成发射率设定。
2．系统硬件设计
本红外线温度检测系统主要由传感器 A2PTMI﹑LM358有源滤波电路﹑AD转换电路﹑微处理器﹑显示电路等几个部分组成。因为传感器输出的信号为0-5V，刚好满足 AD转换的要求，故在本设计中省略了放大电路，只对传感器的信号进行了滤波处理。另外，本系统还有信号变换电路输出4～20mA、1～5V等模拟信号，并有RS232、RS485接口输出数字信号来与上位机通信。
2．1传感器A2PTMI原理及其应用
PerkinElmer A2TPMI 是一种内部集成了专用信号处理电路以及环境温度补偿电路的多用途红外热电堆传感器，这种集成红外传感器模块将目标的热辐射转换成模拟电压。该传感器自带距离系数 D：S=8：1的光学系统，通过该透镜接收空气中的红外辐射，然后转换成相应的电压信号，该信号通过一个 8 bit分辨率的可编程放大器放大。根据热电堆温度测量原理，热电堆电压可能是正或者负，取决于目标温度是否高于或者低于 A2TPMI 的环境温度。为了使负电压信号能在单电源系统处理，所有的内部信号都连接到 1.255 V内部电压参考(Vref)，作为虚拟模拟地信号。为了热电堆放大电路偏置电压的调整，放大器上带了一个能产生有 8 bit 分辨率偏置电压的可编程调整部分。此外， A2TPMI 内部还集成有温度传感器来探测环境温度，这个信号被放大后匹配热电堆放大信号曲线的反向特性，进行信号处理。为了温度补偿，放大的热电堆信号和温度参考信号相加于一个放大器。经过温度补偿放大后的信号输出到 VTobj 脚，温度参考信号或者参考电压输出到 Vtamb脚。A2TPMI的工作特性由一个内部随机存取寄存器进行配置，所有的参数 /配置永久地存在并行 E2PROM 内。控制单元提供的两线、双向同步串口 (SDAT, SCLK)，可以访问所有寄存器的 A2TPMI内部参数。A2TPMI 传感器通常不需要使用串口， SDAT，SCLK 引脚被内部连到 VDD。
2．2滤波电路设计
A2TPMI放大器采用斩波放大器技术，由于这种技术本身具有的特性，输出信号 VTobj 和 VTamb 中包含了大约10 mV 峰值、 250 kHz 的交流信号。这些交流信号能被一个电子低通滤波电路或者类似的软件滤波抑制掉。在高阻抗负载应用中，象 LM358 这样的rail to rail 运算放大器电路，可以作为输出信号的滤波器。
在本设计中采用第二种滤波电路，因为集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出阻抗又低，所以有源滤波电路有一定的电压放大和缓冲作用，滤波效果好，提高了传感器信号的准确度。
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