本科畢業(yè)設計（論文）摘 要紅外線測溫儀以其響應速度快、準確、便捷、使用壽命較長等優(yōu)勢，在冶金、電子、石化、食品等行業(yè)得到廣泛應用，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。本課題是受某公司委托進行研究。一方面揭示規(guī)律，另外建立實驗系統(tǒng)。通過課題研究鍛煉科學研究能力，同時培養(yǎng)光、機、電綜合能力。鋁的溫度測量，注重研究紅外測溫的原理，紅外傳感器的特性，在此基礎上，制作溫度測量儀。溫度測量儀分為信號采集，信號放大，信號處理，信號傳輸四個部分。選用OTP-537F2紅外探測器為系統(tǒng)的傳感器；以STC12C5A60S2為主控芯片； RS232協(xié)議傳輸、顯示測量結果；選用ICL7650和CD4051進行程控放大；選用OP07進行信號的放大。 關鍵詞：紅外輻射；發(fā)射率；中低溫測量；信號放大 第1章 緒 論在大量的科研與工業(yè)中，離不開測溫，非接觸式測溫有快速、準確、便捷、使用壽命長等優(yōu)勢，正被越來越多的人們所認識，在冶金、電子、石化、交通、能源、橡膠、食品等行業(yè)得到廣泛應用，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。非接觸式測溫主要是利用任何物體都會發(fā)出紅外輻射的原理來測量的，隨著現(xiàn)代紅外技術的不斷成熟和日益完善，利用紅外檢測的遠距離、不接觸、準確、實時、快速等特點發(fā)展起來的紅外檢測技術由于在不停電、不取樣、不解體的情況下能快速實時地在線監(jiān)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。1.1 課題背景及研究的目的和意義溫度是確定物質(zhì)狀態(tài)的最重要參數(shù)之一,它的測量與控制在國防、軍事、科學實驗及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有十分重要的作用。特別是高溫測量在航天、材料、能源、冶金等領域中占有極重要的地位。本課題是受某公司委托進行研究。一方面揭示規(guī)律，另外建立實驗系統(tǒng)。通過課題研究鍛煉科學研究能力，同時培養(yǎng)光、機、電綜合能力。1.2 紅外測溫及其相關理論的發(fā)展概況紅外線是電磁波長位于0.76m1000m之間的電磁波，它存在于自然界的每一個角落。1.2.1紅外輻射基本知識一切物體在溫度高于絕對零度時都在不停地輻射紅外線。紅外線是從物質(zhì)內(nèi)部發(fā)射出來的，物質(zhì)的運動是產(chǎn)生紅外線的根源。眾所周知，物質(zhì)是由分子、原子組成的，它們按照一定的規(guī)律運動著，其運動狀態(tài)也在不斷地發(fā)生變化，因而不斷地向外輻射能量，這就是熱輻射現(xiàn)象。紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射，這種輻射的量主要由物體的溫度和材料本身的性質(zhì)決定。特別是，熱輻射的強度及光譜成分取決于輻射體的溫度，也就是說，溫度對熱輻射現(xiàn)象起著決定性的作用。溫度是反映物體冷熱程度的物理量，在一切物體的運動過程和生產(chǎn)過程中，幾乎可以說熱和溫度的變化無處不在。據(jù)統(tǒng)計，工業(yè)生產(chǎn)中 50%以上的檢測量是溫度?？梢院敛豢鋸埖卣f，溫度的檢測是現(xiàn)代工業(yè)的命脈。測量溫度的方法可以分為接觸式和非接觸式測溫。1.2.2紅外測溫分類溫度的測量方法大致可分為兩種:接觸法和非接觸法。在接觸測溫法中,熱電偶和熱電阻溫度計應用最為廣泛,該方法的優(yōu)點是設備和操作簡單,測得的是物體的真實溫度等,其缺點是動態(tài)特性差,由于要接觸被測物體,故對被測物體的溫度分布有影響,且不能應用于甚高溫測量。目前非接觸測溫法仍以輻射測溫法為主,在過去相當長的時間里,輻射測溫法的可靠性和抗干擾性都不太高,且測量范圍往往僅限于較高溫度。但近二十多年,由于電子技術的飛快發(fā)展,半導體材料的進步及計算機技術的發(fā)展與應用,又由于輻射溫度計具有無測量上限,響應速度快及不接觸被測對象,因而不影響被測溫場等特點,輻射測溫技術得到長足的進步和發(fā)展。儀器的制造水平、性能指標已有了顯著提高,輻射真溫測量研究、標定技術研究及應用技術研究方面亦取得了豐碩成果。輻射測溫儀從儀器的工作方式上分,可分為: (1) 亮度(單色) 溫度計; (2) 比色(雙色) 溫度計; (3) 寬帶(全波長或紅外) 溫度計; (4) 多波長高溫計等。從儀器的使用方式上分,可分為:(1) 便攜式; (2) 掌上(手持) 式; (3) 固定安裝式等。從能量傳輸方式上分又可分為:光纖式、接觸式和一般光學式等。從目標的多少又可分成:單目標、線目標和面目標等。 本課題研究鋁表面溫度的測量。屬于亮度溫度計、固定安裝溫度計，另外本課題研究的鋁溫度測量一直是世界性難題，主要是因為其發(fā)射率太低。1.3 紅外測溫儀的發(fā)展輻射測溫儀在早期是以光學高溫計為代表的亮度法測溫儀表。光學高溫計的出現(xiàn)和不斷完善，使高溫溫標的傳遞以及工業(yè)生產(chǎn)中接觸法測溫不能用的問題，得到了一定程度的解決。 但是，由于光學高溫計是亮度平衡方法，靠人眼判斷，所以不能進行自動測量，這就使得光學高溫計不能夠實現(xiàn)溫度的自動化測量、記錄與控制，在生產(chǎn)現(xiàn)場的應用受到限制。后來，人們利用光電檢測元代替人眼，發(fā)展了光電高溫計、紅外測溫儀、全輻射測溫儀等輻射溫度計。這些輻射溫度計克服了光學高溫計的上述缺點，但都由于存在著發(fā)射率無法消除的問題，測得的溫度不是真實溫度，而是物體的亮度或輻射溫度。 輻射測溫法測量真實溫度的最大障礙是受到被測對象發(fā)射率的影響。為減少這個影響，多年來研究過許多辦法。例如發(fā)射率修正法、逼近黑體法、測量反射率法、偏振光法、反射信息法等，這些方法在實際應用中都存在著各局限性，均不能從根本上解決消除發(fā)射率的影響。 比色法在一定程度上解決了發(fā)射率的影響。只要兩個波長選擇適當，許多物體的比色溫度接近真實溫度。為了進一步減少發(fā)射率影響，人們又發(fā)展了三波長甚至更多波長的測溫儀。當物體的發(fā)射率與波長成線性關系時，三波長法克測得物體的真實溫度。 80 年代以來，各國科學家對多波長溫度計進行了大量的研究。分別針對不同的測量對象，研制開發(fā)了三波長、四波長、六波長輻射溫度計，多波長測溫理論與技術取得了發(fā)展。這些發(fā)展在一定程度上解決了真溫測量以及熱物體測量的問題，而且較好地解決了動態(tài)快速的測量問題。 多波長輻射溫度計的出現(xiàn)是輻射測溫技術的一個重要研究、發(fā)展方向，因而得到了國外同行的高度重視。90 年代初，與羅馬大學合作研制成功國際首創(chuàng)的棱鏡分光式 35 波長高溫輻射溫度計，已經(jīng)成功地用于燒蝕材料及發(fā)射率的測量。 多波長輻射測溫理論是基于測量多個波長的輻射信號，輔以對象發(fā)射率的背景知識，計算出目標的溫度值，針對特定的對象可以減少或消除發(fā)射率的影響，但從理論上也沒能根本上解決消除發(fā)射率的影響問題。實際應用中，在一些情況下仍會產(chǎn)生較大誤差。 目前，輻射溫度計的測溫范圍通常為-503000，這個范圍覆蓋了一般的工業(yè)需求。特殊場合的使用的溫度計，其溫度上限和下限都超出了該范圍，例如等離子火焰的等效溫度為 20005000；火藥爆炸的溫度在 3500左右；原子彈爆炸的等效溫度在 50000左右；最低溫度可測到-170,甚至有的試驗裝置可到10K 左右。 在靈敏度方面，有的基準或標準光電高溫計在金點溫度達到 0.0001K，工業(yè)儀表可達到 0.1K。在反應時間方面，最快的可達到微秒級。最小可測目標直徑為0.5mm，顯微測溫儀則可達 0.01mm。 總之，目前輻射測溫儀表正在向高準確度、高靈敏度、快速、超高溫、超低溫、圖像掃描、微小目標測量、智能化等方面發(fā)展。隨著測溫理論的發(fā)展和技術水平的提高，新的測溫理論、方法和測溫儀表會不斷出現(xiàn)，輻射測溫技術將會不斷得到推動。1.4 本文的主要研究內(nèi)容本文在大量的理論、實踐的基礎上研究低發(fā)射率、高反射率的鋁溫度測量研究，學習紅外測溫理論，掌握測溫儀設計的基本流程，學習軟硬件開發(fā)設計，掌握工程調(diào)試經(jīng)驗。1.5 測溫儀的技術指標1) 測溫范圍：-40-500；2) 距離系數(shù)：50:1或100:1；3) 精度：1；4) 測溫波長：814；5) 響應時間：0.1s;6) -20-50環(huán)境溫度自動補償。1.6 本章小結本章介紹了紅外測溫的基礎理論知識、課題研究的主要內(nèi)容、紅外測溫技術的發(fā)展、紅外測溫儀的分類。第2章 非接觸測溫基本理論2.1引言溫度檢測是現(xiàn)代工業(yè)的命脈，測量溫度的方法可以分為接觸式和非接觸式測溫。傳統(tǒng)溫度測量以接觸方式為主，主要以熱敏電阻、熱電偶、半導體傳感器測溫為主要手段。傳統(tǒng)的接觸式測溫由于其反應速度慢、測溫時間長、影響物體的溫度場等缺點使其應用范圍受到限制。非接觸式克服了以上的缺點。2.2非接觸式測溫方法目前，非接觸式測溫方式主要以紅外測溫為主，紅外測溫主要有以下幾種方法:(1)全輻射測溫法它是根據(jù)測量波長從零到無限大整個光譜范圍物體的總輻射功率用黑體定標的儀器來確定物體的溫度。其總輻射功率的大小與被測對象溫度之間的關系是由斯蒂芬一波爾茲曼定律來描述的。此類測溫方法的優(yōu)點是結構簡單，成本較低，容易實現(xiàn);缺點是測量精度受物體發(fā)射率和外界環(huán)境因素影響較大，需要進行環(huán)境補償。(2)亮度測溫法它是根據(jù)測量給定波長凡附近一窄光譜范圍的輻射用黑體定標的儀器來確定物體的溫度，適用于高溫場合物體溫度測量。此類測溫方法的優(yōu)點是不需環(huán)境溫度補償，發(fā)射率誤差較小，測量精度高;缺點是只能工作于短波區(qū)，只適于高溫測量。(3)雙波段測溫法它是根據(jù)測量兩個給定波長和的輻射功率之比，用黑體定標儀器來確定物體的溫度，適合測量發(fā)射率變化或未知的物體，但只適合于測量輻射能量密度大的高溫物體。此類測溫方法的優(yōu)點是光學系統(tǒng)可局部遮擋，受煙霧灰塵影響小，測量誤差小;缺點是必須選擇適當波段，使波段的發(fā)射率相差不大。(4)多波段測溫法依次取多個波段，通過計算這些波段的輻射功率之間的復雜關系來確定物體的溫度。此類測溫方法的優(yōu)點是測量結果與發(fā)射率無關，精度高;缺點是測溫系統(tǒng)結構復雜，要選擇適當波段。(5)最大波長測溫法由維恩位移定律，黑體輻射峰值波長與絕對溫度之積為一常數(shù)，通過測量值波長來計算溫度。此法常用測量極高溫(大于2000)此測溫系統(tǒng)結構簡單僅用于測量極高溫。課題研究的是非接觸常溫測量，此測溫方法適用于工業(yè)現(xiàn)場的常低溫非接觸動態(tài)測溫場合，即當溫度接近于常溫，且物體為動態(tài)的場合。比較以上各種紅外測溫法的優(yōu)缺點，本課題選擇全輻射測溫法。為了獲得調(diào)制的紅外輻射，達到測溫的目的，在全輻射測溫方法的基礎上，課題采用了致冷參比溫度測量方法，設計了自主采樣式熱釋電探測器，并采用數(shù)學算法的軟件設計對溫度進行補償。2.3紅外測溫原理2.3.1紅外輻射與紅外熱效應任何物質(zhì)(體)，其內(nèi)部的帶電粒子都是處于不斷的運動狀態(tài)的。當物體具有一定的溫度，即物體溫度高于熱力學溫度0時(攝氏溫度-273時)，它就會不斷地向周圍進行電磁輻射。物體的自發(fā)輻射能與溫度有關，在常溫下主要是紅外輻射。紅外輻射俗稱紅外線或紅外光，它是人眼看不見的光線，具有強烈的熱作用，故又稱熱輻射。物體的熱輻射特性主要由物體的溫度決定，故又稱為溫度輻射。物體的溫度輻射特性是光學溫度傳感和光電傳感的基礎。物體在常溫下，發(fā)射紅外線;當溫度升高至500左右，便開始發(fā)射部分暗紅的可見光;當溫度繼續(xù)升高，物體會向外輻射可見光，且隨著溫度的升高其波長會變短。紅外線是位于可見光中紅色光外的一種光線，是一種人眼看不見的光線。但這種光和其他任何光一樣，也是一種客觀存在的物質(zhì)。紅外線與可見光、紫外線、X射線、射線和微波等無線電磁波一起構成了一個無限連續(xù)的電磁波譜。在光譜中的位置如圖2.1所示圖2.1 電磁波譜在電磁波譜中，經(jīng)常將波長范圍為0.75100m的區(qū)域稱為紅外光譜區(qū)。紅外線與可見光、無線電波一樣，在真空中傳播速度也是以光的速度 (2.997925、1010cm/s)傳播。在紅外技術中，為便于對不同波長的紅外光進行研究，一般將紅外輻射分為四個區(qū)域:近紅外(=0.753m)，中紅外(=36m)，中遠紅外(=620m)，遠紅外(=201000m)。所謂遠或近，是指紅外輻射在電磁波譜中距離可見光的遠、近，靠近可見光的為近紅外區(qū)。紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射。熱輻射的程度主要由物體的溫度所決定。溫度越高，輻射出的紅外線越多，紅外輻射的能量越強?？茖W研究表明，太陽光譜各種單色光的熱效應從紫色光到紅色光的熱效應是逐漸增大的且最大的熱效應出現(xiàn)在紅外輻射的頻譜范圍內(nèi)，因而，有人又將紅外輻射稱為熱輻射或者是熱射線。試驗表明，波長在(0.11000) m范圍內(nèi)的電磁波被物體吸收時，可以顯著地將電磁能轉變?yōu)闊崮?。紅外輻射與其它輻射一樣，能在其射程范圍內(nèi)被物體吸收并轉換為熱能。即使在高度真空里，通過熱輻射也能進行能量的傳遞。紅外輻射和可見光、無線電磁波一樣，是以波的形式在空間(同一介質(zhì))進行直線傳播的，并遵循逆二次方定律，也能反射、折射、散射、干涉和偏振。它在真空中傳播的速度等于光在真空中的傳播速度。即 ,及 （2.1）紅外輻射的波長（cm）;紅外輻射在真空中1cm的長度內(nèi)所包含的波長個數(shù);紅外輻射的頻率（）；光在真空中的傳播速度，;熱輻射的另一個特點是輻射光譜呈連續(xù)性，在電磁波譜中由于不同波譜的波長相差很大。紅外輻射和電磁波傳播一樣也存在被傳輸介質(zhì)吸收和散射等現(xiàn)象，使輻射能在傳輸過程中會逐漸衰減。2.3.2黑體熱輻射及基本定律絕對黑體是在任何情況下對一切波長的入射輻射吸收率都等于1的物體。由于實際物體的紅外輻射情況較為復雜，所以在研究其輻射規(guī)律時，以黑體這種簡單的模型入手。顯然，因為自然界中實際存在的任何物體對不同波長的入射輻射都有一定的反射，即吸收率不等于1。所以，黑體只是理論研究者抽象出來的一種理想化物體模型。在自然界中完全的黑體是不存在的，為了表示某一物體與黑體輻射的偏離，用發(fā)射率表征。它表示實際物體輻射功率與黑體輻射功率之比，=l，即為理想黑體;當=0，即為完全透明體。發(fā)射率是與物體的材料、表面幾何形狀以及溫度和表面加工程度有關的一個參數(shù)。黑體熱輻射的三個基本規(guī)律是紅外線研究及應用的基礎，它揭示了黑體發(fā)射的紅外熱輻射隨溫度及波長變化的定量關系。同樣，也是研究紅外測溫技術的基本出發(fā)點。三大定律是:(l)輻射的光譜分布規(guī)律普朗克輻射定律;(2)輻射光譜的移動規(guī)律維恩位移定律;(3)輻射功率隨溫度的變化規(guī)律斯蒂芬一玻爾茲曼定律普朗克輻射定律:一個絕對溫度為的黑體的單位表面積，在波長附近單位波長間隔內(nèi)向整個半球空間發(fā)射的輻射功率(簡稱光譜輻射度)，與波長、溫度滿足以下關系： （2.2）真空中的光速 普朗克常數(shù) 波爾茨曼常數(shù)第一輻射常數(shù)， 第二輻射常數(shù)，普朗克輻射定律給出了黑體在時的輻射光譜分布特征，以不同的溫度有公式（2.2）可計算出黑體在不同溫度下發(fā)射輻射的光譜分布曲線如圖2.2.圖2.2 不同溫度下的黑體光譜輻射度從圖2.2中可看出隨著溫度升高，黑體輻射曲線全面提高，即在任一指定波長幾處，與較高溫度相應的光譜輻射度也較大。由于每種波長的輻射都隨溫度升高而增加，所以黑體單位表面積發(fā)射所有波長的全部輻射功率曲線下包圍的面積，也隨著溫度升高而迅速增加。維恩位移定律:揭示了黑體光譜輻射度極大值相對應的波長 (峰值輻射波長)隨溫度的變化關系。即 （2.3）該關系式表明黑體輻射光譜分布的峰值波長禮隨其絕對溫度T成反比移動。由公式(2.3)可計算出在一般室溫27(300K)下的黑體，其輻射峰值為9.7。斯蒂芬玻爾茲曼定律:描述的是黑體單位表面積向整個半球空間發(fā)射的所有波長的總輻射功率隨其溫度的變化規(guī)律，即 （2.4）斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，關系式(2.4)表明凡是溫度高于開氏零度的物體，都會自發(fā)地向外發(fā)射紅外熱輻射，且黑體單位表面積發(fā)射的總輻射功率與其開氏溫度的四次方成正比。因而，當溫度有小變化時，就會引起物體發(fā)射的輻射功率有很大的變化，因此紅外檢測是非常靈敏的。2.4被測物體發(fā)射率2.4.1 各種發(fā)射率的引入由于發(fā)射率可能隨測量方向而變化，所以必須定義幾種不同的發(fā)射率。（1）半球發(fā)射率半球發(fā)射率是輻射體單位面積向半球空間的輻射通量(即輻射出射度)與同溫度下黑體的輻射出射度之比。它表征了輻射體在半球空間內(nèi)的發(fā)射接近黑體發(fā)射的程度。其中又可分為全量和光譜量兩種。a. 半球全發(fā)射率或半球積分發(fā)射率定義為式中實際物體的全輻射出射度;黑體在與物體相同溫度下的全輻射出射度;半球全發(fā)射率。半球全發(fā)射率氣表征物體向半空間內(nèi)在0到的整個波長范圍內(nèi)的發(fā)射能力。b.半球光譜發(fā)射率定義為式中實際物體的光譜輻射出射度;黑體在與物體相同溫度下的光譜輻射出射度;半球光譜發(fā)射率。是波長的函數(shù)，它表征物體在某一溫度下，波長兄處向半球空間的發(fā)射接近黑體發(fā)射的程度。(2)方向發(fā)射率方向發(fā)射率，也叫定向發(fā)射率或角比輻射率，它是在與輻射表面法線方向成角的小立體角內(nèi)測量的發(fā)射率。角為零時的發(fā)射率，稱為法向發(fā)射率。由于大多數(shù)紅外系統(tǒng)都是探測輻射源在規(guī)定方向上的一個小立體角內(nèi)的輻射通量，因而方向發(fā)射率和法向發(fā)射率是很重要的。方向發(fā)射率也有全量和光譜量之分。a.方向全發(fā)射率定義式為式中實際物體在溫度時的輻射亮度;黑體在與物體同溫度下的輻射亮度;方向全發(fā)射率。因為一般與方向有關，所以以夕，初也與方向有關。它表征物體在與法線成口角方向上的輻射與黑體輻射接近的程度。b.方向光譜發(fā)射率定義式為因為物體的光譜輻射亮度既與方向有關，又與波長有關，所以，也是和波長的函數(shù)。它表征物體在特定波長處向給定方向上的輻射與黑體輻射的接近程度。從上述各種發(fā)射率的定義可以看出，對于黑體，各種發(fā)射率的數(shù)值均等于1;對于所有實際物體，各種發(fā)射率的數(shù)值均小于1。一般可把發(fā)射率分為全發(fā)射率和光譜發(fā)射率，通常所說的發(fā)射率是指全發(fā)射率，光譜發(fā)射率用表示。根據(jù)光譜發(fā)射率的變化規(guī)律，可將熱輻射體分為如下三類:（1）黑體或普朗克輻射體:黑體或普朗克輻射體的發(fā)射率、光譜發(fā)射率均等于1。（2）灰體:灰體的發(fā)射率、光譜發(fā)射率均為小于1的常數(shù)。（3）選擇性輻射體:選擇性輻射體的光譜發(fā)射率隨波長的變化而變化。2.4.2紅外輻射對實體的作用物體對于給定的入射輻射必然存在著吸收、反射和透射，而且吸收率、反射率和透射率之和必然等于1：而且，其反射和透射部分不變。因此，在熱平衡條件下，被物體吸收的輻射能量必然轉化為該物體向外發(fā)射的輻射能量。由此可斷定，在熱平衡條件下，物體的吸收率必然等于該物體在同溫度下的發(fā)射率:其實由基爾霍夫定律，我們也可以推斷出以上公式。則對于一個不透明的物體。不同物質(zhì)的，各不相同。根據(jù)上式，我們不難定性地理解影響發(fā)射率大小的下列因素:（1）不同材料性質(zhì)的影響不同性質(zhì)的材料因其對輻射的吸收或反射性能各異，因此它們的發(fā)射性能也應不同。當溫度低于300K時，金屬氧化物的發(fā)射率一般大于0.8。（2）表面狀態(tài)的影響任何實際物體表面都不是絕對光滑的，總會表現(xiàn)為不同的表面粗糙度。因此，這種不同的表面形態(tài)將對反射率造成影響，從而影響發(fā)射率的數(shù)值，這種影響的大小同時取決于材料的種類。例如，對于非金屬電介質(zhì)材料，發(fā)射率受表面粗糙度影響較小或無關。但是，對于金屬材料而言，表面粗糙度將對發(fā)射率產(chǎn)生較大影響。如熟鐵，當表面狀況為毛面，溫度為300時，發(fā)射率為0.94;當表面狀況為拋光，溫度為310時，發(fā)射率僅為0.28。另外，應該強調(diào)，除了表面粗糙度以外，一些人為因素，如施加潤滑油及其它沉積物(如涂料等)，都會明顯地影響物體的發(fā)射率。因此，我們在檢測時，應該首先明確被測物體的發(fā)射率。在一般情況下，我們不了解發(fā)射率，那么只有用相間比較法來判別故障。而對于電力設備，其發(fā)射率一般在0.85到0.95之間。(3)溫度影響溫度對不同性質(zhì)物體的影響是不同的，很難做出定量的分析，只有在檢測過程中注意。2.5影響紅外輻射的主要因素影響物體紅外輻射的主要因素有大氣的衰減及物體不同的輻射率。一般來說，大氣對可見光是透射性能良好的媒質(zhì)，但對不同波長的紅外輻射卻產(chǎn)生不同程度的衰減。造成輻射衰減的主要原因是大氣中、和等氣體的選擇性吸收，以及大氣中懸浮的各種微粒的散射所致。在接近地面的空氣中，對紅外線的衰減起主要作用的是水蒸氣和，大氣對紅外線的吸收情況見圖2.3。圖2.3大氣對紅外線的吸收由圖2.3可以看出，在(015)波長范圍內(nèi)，大致有三個紅外波段在大氣中透射較好，通常稱這些波段為大氣窗口，它們分別為03、35、814。由普朗克輻射定律可知，隨著溫度的升高，與光譜輻射度 極大值對應的波長減小。表面溫度隨著升高，黑體輻射中的短波長輻射所占比例增加。另外，在研究物體紅外輻射時，一定要注意不同的物體有不同的光譜發(fā)射率，它是衡量一個物體輻射性能好壞的一個重要物理參數(shù)。對于自然界中的任何一個物體，只要知道它在一定溫度下的比輻射率，那么這一物體在該溫度下的輻射特性就可引用有關黑體輻射定律進行研究或計算，并用該物體的發(fā)射率進行修正。這樣，對非黑體的輻射研究就較為簡單了。一般物體的發(fā)射率是一個通過相關的文獻獲得的參考值，使用時應該注意修正。2.6 本章小結本章介紹了非接觸測溫的基本原理，紅外線的基本常識，影響紅外測溫的精度因素，這些原理對儀器制作的原理分析起著重要的作用。第3章 系統(tǒng)硬件設計3.1引言系統(tǒng)由五部分組成：光學系統(tǒng)、紅外探測（傳感器）、程控放大、基于單片機的信號處理、系統(tǒng)交互界面。被測目標輻射出紅外波有效波段8-14m，光學系統(tǒng)濾除可見光，聚焦有效波段的紅外光，焦點設計在探測器的接收面上，探測器能輸出被測物體的溫度信息和探測器本身所處環(huán)境的溫度，信息經(jīng)過放大，A/D采集，單片機的處理運算，輸出被側目標的溫度。圖 3.1 鋁溫度測溫儀原理框圖 3.2 核心板設計單片機核心板是本設計的控制核心。本課題以STC12C5A60S2為主控芯片，STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉換(250K/S),針對電機控制，強干擾場合。1.增強型8051 CPU，1T，單時鐘/機器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)80512.工作電壓：STC12C5A60S2系列工作電壓：5.5V- 3.3V（5V單片機）STC12LE5A60S2系列工作電壓：3.6V- 2.2V（3V單片機）3.工作頻率范圍：0 35MHz，相當于普通8051的 0420MHz4.用戶應用程序空間8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K字節(jié).5.片上集成1280字節(jié)RAM6.通用I/O口（36/40/44個），復位后為：準雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口） 可設置成四種模式：準雙向口/弱上拉，推挽/強上拉，僅為輸入/高阻，開漏 每個I/O口驅動能力均可達到20mA，但整個芯片最大不要超過55mA7. ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器 可通過串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片8.有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM無內(nèi)部EEPROM)9. 看門狗10.內(nèi)部集成MAX810專用復位電路（外部晶體12M以下時，復位腳可直接1K電阻到地）11.外部掉電檢測電路:在P4.6口有一個低壓門檻比較器 5V單片機為1.32V，誤差為+/-5%,3.3V單片機為1.30V，誤差為+/-3%12.時鐘源：外部高精度晶體/時鐘，內(nèi)部R/C振蕩器(溫漂為+/-5%到+/-10%以內(nèi)) 1用戶在下載用戶程序時，可選擇是使用內(nèi)部R/C振蕩器還是外部晶體/時鐘 常溫下內(nèi)部R/C振蕩器頻率為：5.0V單片機為：11MHz15.5MHz 3.3V單片機為： 8MHz12MHz 精度要求不高時，可選擇使用內(nèi)部時鐘，但因為有制造誤差和溫漂，以實際測試為準。13.共4個16位定時器 兩個與傳統(tǒng)8051兼容的定時器/計數(shù)器,16位定時器T0和T1，沒有定時器2，但有獨立波特率發(fā)生器 做串行通訊的波特率發(fā)生器 再加上2路PCA模塊可再實現(xiàn)2個16位定時器。14. 2個時鐘輸出口，可由T0的溢出在P3.4/T0輸出時鐘，可由T1的溢出在P3.5/T1輸出時鐘。15.外部中斷I/O口7路,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,并新增支持上升沿中斷的PCA模塊， Power Down模式可由外部中斷喚醒， INT0/P3.2, INT1/P3.3, T0/P3.4, T1/P3.5, RxD/P3.0, CCP0/P1.3(也可通過寄存器設置到P4.2 ), CCP1/P1.4 (也可通過寄存器設置到P4.3)16. PWM(2路)/PCA（可編程計數(shù)器陣列,2路） -也可用來當2路D/A使用 -也可用來再實現(xiàn)2個定時器 -也可用來再實現(xiàn)2個外部中斷(上升沿中斷/下降沿中斷均可分別或同時支持)17.A/D轉換, 10位精度ADC，共8路，轉換速度可達250K/S(每秒鐘25萬次)18.通用全雙工異步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定時器或PCA軟件實現(xiàn)多串口19. STC12C5A60S2系列有雙串口，后綴有S2標志的才有雙串口，RxD2/P1.2(可通過寄存器設置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通過寄存器設置到P4.3)圖 3.2 STC12C5A60S2芯片圖核心板由單片機最小系統(tǒng)、下載程序電路、與其他部分的接口三個部分組成如圖2所示。其最小系統(tǒng)包括晶振電路和復位電路。STC12C5A60S2是通過串口進行程序下載的。而且還可以串口和上位機進行通信，所以本設計中使用了TTL轉RS232電平轉化芯片MAX232。MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標準串口設計的單電源電平轉換芯片,使用+5v單電源供電。圖3.3 MAX232芯片圖MAX芯片有以下幾個特點：（1）符合所有的RS-232技術標準。（2）只需單一+5V電源供電。（3）片載電荷泵具有升壓、電壓極性反轉能力，能夠產(chǎn)生+10V和-10V電壓。（4）功耗低，典型供電電流5mA。（5）內(nèi)部集成2個RS-232C驅動器。（6）內(nèi)部集成2個RS-232C接收器。（7）高集成度，片外最低只需4個電容。3.3 紅外探測器的選擇紅外探測器實質(zhì)上就是對目標發(fā)射的紅外輻射進行探測及顯示處理的過程。在該過程中，物體發(fā)射的紅外輻射，經(jīng)大氣傳輸和衰減后，由探測儀器光學系統(tǒng)接收并聚焦到紅外探測器上，在此，把目標的紅外輻射信號功率轉換成便于直接處理的電信號，進一步經(jīng)放大處理后，以數(shù)字或二維熱圖像的形式顯示出來。由此可見，在物體的紅外探測過程中，最關鍵的環(huán)節(jié)是光學系統(tǒng)對紅外輻射接收，并聚焦到紅外探測器上，再把物體的紅外輻射功率信號轉換成電信號，而這種轉換功能是由紅外探測器完成的。 紅外探測器是紅外測溫儀中微弱信號采集的重要組成部分，它的主要功能是測定紅外輻射的大小并將其轉變?yōu)槠渌问降哪芰浚ǘ鄶?shù)情況是轉變?yōu)殡娔埽┮员銘?。一個完整的紅外探測器包括紅外敏感元件、紅外輻射入射窗口、外殼、電極引出線以及按需要而加的光闌、冷屏、光錐、浸沒透鏡和濾光片等，在低溫工作的探測器還包括社瓦瓶，有的還包括前置放大器。3.3.1 熱釋電探測器分類按探測器的物理機理，紅外探測器可分為兩類：一類是入射輻射熱效應引起某一電氣特性變化，它的效應正比于所吸收的能量，這類探測器稱為熱釋電探測器：另一類為光電探測器，即入射光子流和探測材料的電子直接相互作用引起某一電氣特性變化，它的響應正比于吸收的光子數(shù)。本課題采用的光電探測器。 （1） 光電型探測器：光電型探測器是利用探測器材料的“光電效應”制成的檢測元件，所謂“光電效應”是指探測材料在受到光輻射照射后，材料中的電子吸收輻射能改變了運動狀態(tài)使材料的電學性質(zhì)發(fā)生變化取決于材料內(nèi)部電子的運動狀態(tài)，隨著電子運動狀態(tài)的改變，材料的電學性質(zhì)也相應的改變。因此，光電型探測器的物理過程就是光輻射的照射直接引起電學性質(zhì)的改變。由于電子運動狀態(tài)的改變過程相當快，因而光電型探測器的響應速度也非?？?，它們的響應時間一般小于毫秒級，最短可達微秒級。此外，為了使材料內(nèi)部的電子改變運動狀態(tài)，入射輻射的光子能量 hv 必須足夠大，即光子的頻率必須大于某一定值。從波長的角度而言，就是能夠引起光電效應的熱輻射有一個最大的波長值存在?？梢?，光電型探測器具有選擇性的光譜響應特性，屬于選擇性探測器。然而，本科采用的就是比色測溫的原理，就是需要兩個特定的波段，所以，光電型探測器恰好滿足本課題的要求。（2） 熱釋電探測器：它利用某些物質(zhì)對溫度的敏感特性來探測紅外輻射能量。利用熱探測器探測紅外輻射的基本原理包含兩個主要過程：首先熱釋電探測器吸收紅外輻射能量以后隨溫度隨之升高，并且伴隨著入射輻照功率的變化，元件的溫度也隨之發(fā)生相應的變化。然后，探測器利用元件的某種溫度特性把溫度變化轉換為相應的電信號（例如熱電堆和熱釋電探測器），或者利用元件的某種溫度敏感特性來調(diào)制電路中電流強度的大小，從而得到相應的電信號（例如測輻射熱計）。熱釋電探測器的熱效應與入射輻射的波長無關，所以熱電型探測器的光譜響應率基本不隨入射輻射的波長而變化，屬于無選擇性的探測器。3.1.2 紅外探測器的主要參數(shù)（1） 響應率：響應率表示紅外輻射能轉變?yōu)殡娦盘柕哪芰?，它等于輸出電?Vs 和輸入紅外輻射能量 E 之比，常以符號 R 表示，有定義可得：（2） 光譜響應曲線：探測器的響應率與入射熱輻射的波長有關，將光譜響應率隨波長的變化情況繪制成曲線，此曲線稱為探測器的光譜響應曲線。 （3） 噪聲等效功率：當入射熱輻射在探測器中產(chǎn)生的信號電壓 Vs 等于探測器本身的噪聲電壓 Vn 時，這入射輻射的功率 E 就叫做噪聲等效功率，用符號 NEP表示，單位是 W，可以寫成下式：（4） 探測率：由于大多數(shù)探測器的與探測器的靈敏面積 A 的平方根和帶寬的平方根成比例關系，采用很難對不同靈敏面積的探測器進行比較，因此，通過對面積進行歸一化處理，引進另一個質(zhì)量指標：探測率。它用符號 表示，定義式如下：從式中可以看出，實質(zhì)上就是探測器的靈敏面積為單位面積、測量線路帶寬為 1Hz 時，單位功率的熱輻射所能獲得的信號與噪聲之比，即信噪比。 （5） 響應時間：響應時間用來描述探測器對入射熱輻射能響應的快慢。它通常用符號 表示，單位是秒（或微妙）， 有兩種不同的定義方法：一種是當功率為 E 的熱輻射突然入射到探測器靈面積時，需經(jīng)過一段時間才能達到恒定值如圖 3-5a 所示，從光照開始，探測器輸出電壓上升到恒定的 0.63 時所需的時間被定義為響應時間。另一種方法指在較低的頻率范圍內(nèi)，探測器具有平均的光譜響應曲線，即響應率與頻率無關，但是隨頻率升高，響應率下降（如圖3-5b），響應率下降到平坦部分數(shù)值的 0.707 倍時所對應的頻率為 ，響應時間定義為：根據(jù)光譜響應率與波長的關系，可把探測器分為兩類：一類是無選擇性的探測器，它在一定的波長范圍內(nèi)具有平坦的光譜響應曲線（如圖 3-4a 所示），即與波長 無關，它不存在峰值波長和截止波長。另一類是選擇性探測器，它具有選擇性的光譜響應特性（如圖 3-4b）。存在響應峰值，與響應峰值相對應的波長叫峰值波長 ，與 對應的波長稱為截止波長 。圖 3.4 光譜響應曲線很顯然，NEP 越小，探測器所能探測的最低入射輻射功率就越小，因而 NEP 是用以表征探測器探測微弱熱輻射能力的一個質(zhì)量指標。 由此可見，好的探測器具有短的響應時間，因而能夠探測快速變化的紅外熱輻射。圖 3.5 響應時間曲線3.3.3 硅光電二極管的選用信號調(diào)理部分最核心的部分是紅外探測器，探測器選用OTP-537F2，測量波長5-14微米，溫度與輸出電壓線性度較好，而且芯片內(nèi)部集成了測環(huán)境溫度的部分，可以方便地進行溫度的補償。3.4信號調(diào)理設計 由于紅外傳感器輸出信號在低于25為負信號，單片機不能識別，因此對這個范圍的信號采取反向放大，使信號變?yōu)檎盘?，這樣單片機就能識別。在100以下信號都比較微小小到微伏級，對此信號采用低噪聲，高增益的運算放大器進行放大。ICL7650和CD4051（選擇不同阻值的反饋電阻來實現(xiàn)）構成同向程控放大。OP07高精度、低噪聲放大器構成反向放大電路。3.4.1 CD4051介紹CD4051 相當于一個單刀八擲開關，開關接通哪一通道，由輸入的 3 位地址碼ABC 來決定。此外，CD4051 還設有另外一個電源端 VEE，以作為電平位移時使用，從而使得通常在單組電源供電條件下工作的 CMOS 電路所提供的數(shù)字信號能直接控制這種多路開關，并使這種多路開關可傳輸峰峰值達 15V 的交流信號。例如，若模擬開關的供電電源 VDD=5V，VSS=0V，當 VEE=5V 時，只要對此模擬開關施加 05V 的數(shù)字控制信號，就可控制幅度范圍為5V5V 的模擬信號。本系統(tǒng)的中的 CD4051 的用法是：VDD=+12V，VSS=VEE=0V，INH=0,這樣可控制輸入信號電壓范圍為 0+12V。在使用 CD4051 是必須注意的幾點如下33： 1、 使用單電源時，CD4051 的 VEE 可以和 GND 相連。 2、 強烈建議 A，B，C 三路片選端要加上拉電阻。 3、 CD4051 的公共輸出端不要加濾波電容（并聯(lián)到地），否則不同通道轉換后的電壓經(jīng)電容沖放電后會引起極大的誤差4、 禁止輸出端（INH）為高電平時，所有輸出切斷，所以在應用時此端接地。表 3.1作音頻信號切換時，最好在輸入輸出端串入隔直電容。 CD4051 導通電阻小，CD4051 在常溫下的導通電阻為幾百歐姆.供電電壓范圍較寬，速度相對較快，控制簡單，適合作為量程轉換模塊中選擇放大反饋回路的開關。但是，多路模擬開關也有其不利的地方。其導通電阻不恒定，隨電源電壓的增大而減??；控制信號電平也隨電源電壓增大而增大，在使用時需根據(jù)現(xiàn)場實際情況綜合考慮，添加必要的外圍電路，保證其工作正常。在電源電壓的選擇上要結合實際需要，適當增大。3.4.2 ICL7650 介紹ICL7650 是Intersil 公司利用動態(tài)校零技術和CMOS 工藝制作的斬波穩(wěn)零式高精度運放,它具有輸入偏置電流小、失調(diào)小、增益高、共模抑制能力強、響應快、漂移低、性能穩(wěn)定及價格低廉等優(yōu)點。圖 3.6 ICL7650的管腳圖3.4.3 OP07 介紹OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對于OP07A最大為25V），所以OP07在很多應用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低（OP07A為2nA）和開環(huán)增益高（對于OP07A為300V/mV）的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號等方面。圖 3.7 OP07管腳圖3.5電源模塊的管理 本系統(tǒng)中所用到的電壓種類一共有三種：+12V、-12V、+5V。 電源設計方案的選擇： （1） 低電壓線形穩(wěn)壓芯片（LDO）：線形穩(wěn)壓芯片是一種最簡單的電源轉換芯片，基本上不用外圍元件。但是傳統(tǒng)的線形穩(wěn)壓器，如 78xx 系列都要求入電壓要比輸出電壓高 2V-3V 以上，否則不能正常工作。 （2） 自己設計開關電源：開關電源也是實現(xiàn)電源轉換的一種方法，效率很高，但設計要比使用線形穩(wěn)壓器復雜得多。但對于大電流高功率的設計，建議采用開關電源。但是功耗太大，必須加很大的散熱片，很不合適。 （3） 直接采用電源模塊：考慮到開關電源設計的復雜性，一些公司推出了基于開關電源技術的低電壓輸出電源模塊，可靠性和效率都很高，電磁輻射小，而且許多模塊可以實現(xiàn)電源的隔離。用戶只需要加很少的外圍的元件即可使用，而且紅外探測器中集成的光敏電阻與電阻分壓，通過讀取分壓值即可知道紅外傳感器此時的溫度環(huán)境。電源模塊的價格也不是很貴。 為了合理的選擇本課題需要的電源，特對三種電源方案作了比較，比較結果如表所示。表 3.2考慮到現(xiàn)場所能提供的工作條件和自身設計的需要，在本課題中采用 AC/DC轉換模塊直接給系統(tǒng)供電，這樣給系統(tǒng)的設計和現(xiàn)場的測試帶來極大的便利。 本課題所采用的電源模塊特性如下： 1、 低輸出紋波； 2、 寬輸入電壓范圍； 3、 高效率、高精度； 4、 運行溫度范圍：-1070；5070按曲線降載； 5、 保存溫度：-40+105; 6、 輸出電壓精度：V1：3%，V2: 5%； 7、 輸入電壓 1 源效應：0.5%； 8、 輸入電壓頻率：4760Hz； 9、 輸出電壓 1 負載效應：0.5%； 10、 輸出電壓紋波：1%； 11、 溫漂系數(shù)：0.003%/。 12、 保護特征：短路保護、過熱保護。3.6 輸出轉換設計本課題所采用的 D/A 轉換器是 ADI 公司生產(chǎn)的，它具有高精度、低功耗全數(shù)字電流環(huán)輸出的特點。AD420 的輸出信號可以是電流信號，也可以是電壓信號。其中電流信號的輸出范圍為 4mA20mA，0mA20mA 或 0mA24mA，具體可通過引腳 RANGE SELECT1，RANGE SELECT2 進行配置，如表 3-2 所示。當需要輸出電壓信號時，它也能從一個隔離引腳提供電壓輸出，這時需外接一個緩沖器，可輸出 0V5V，0V10V，5V 或10V 電壓。 表 3.3AD420 具有靈活的串行數(shù)字接口（最大速率可達 3.3Mb/s），使用方便、性價比高、抑制干擾能力強，非常適合用于高精度遠程控制系統(tǒng)。AD420 與單片機的接口方式有兩種：3 線制和異步制。單片機系統(tǒng)通過 AD420 可實現(xiàn)連續(xù)的模擬量輸出。其主要特點如下： 寬泛的電源電壓范圍為 12V32V，輸出電壓范圍為 0V2.5V； 帶有 3 線模式的 SPI 或 Microwire 接口，可采集連續(xù)的模擬輸入信號，采用異步模式時僅需少量的信號線； 數(shù)據(jù)輸出引腳可將多個 AD420 器件連接成菊鏈型； 上電初始化時，其輸出最小值為 0mA，4mA 或 0V； 具有異步清零引腳，可將輸出復位至最小值（0mA、4mA 或 0V）； BOOST 引腳可連接一個外部晶體管來吸收回路電流，降低功耗； 只需外接少量的外部器件，就能達到較高的精度。3.7 本章小結本章詳細介紹了測溫儀的硬件設計，對應用的芯片有一個比較詳細的介紹。 第4章 系統(tǒng)軟件設計本系統(tǒng)中主機的工作主要包括： （1） 控制 A/D 模塊的 A/D 轉換； （2） 控制串并轉換和其數(shù)據(jù)傳輸； （3） 數(shù)據(jù)處理、發(fā)射率的計算和物體真溫的計算； （4） 串口輸出和被測目標溫度的顯示； （5） 控制 D/A 模塊的 D/A 轉換。 本系統(tǒng)主機的軟件設計采用 C 語言編寫，使用的 MICROCHIP 公司的MPLAB 集成調(diào)試環(huán)境進行設計開發(fā)的。軟件設計采用結構化，模塊化方法，這樣可以提高系統(tǒng)的可靠性，還可以大大降低系統(tǒng)的硬件開發(fā)。主機程序流程圖如圖3-13 所示。 上位機采用的是 VB 語言編寫的，VB 作為微軟公司推出的 Windows 環(huán)境下的一種開發(fā)工具，支持面向對象的程序的設計，具有簡單、易學、高效的特點，它不但提供了良好的界面設計能力，而且在微機串口通信方面也有很強的功能。串行通信由于高效可靠、價格便宜，遵循的是統(tǒng)一標準，提供的是事件驅動通訊方式和查詢通訊方式，便于設置和使用，因而得到廣泛的應用。1主程序設計2信號采集子程序設計在硬件設計的基礎上，非接觸紅外溫度采集還需通過軟件結合實現(xiàn)。采集子程序是一個中斷服務程序，正弦波電流產(chǎn)生電路開始工作后向單片機發(fā)出中斷信號，單片機接收到中斷信號之后進入采集中斷服務程序。如圖5.2所示為紅外信號采集的程序設計。3溫度補償?shù)能浖崿F(xiàn)原理1000.646140.026041501.340430.031372002.247210.029282503.368110.032633004.609380.03543506.042860.031334007.545350.01618第6章 數(shù)據(jù)處理和誤差分析對測量儀表來說，來自各方面的干擾是影響測量精度的主要因數(shù)。全面、正確地分析誤差，以及合理、科學地對數(shù)據(jù)進行處理可以大大地提高系統(tǒng)的測量精度。6.1誤差來源分析 本紅外線輻射測溫儀屬于中低溫測量，從宏觀分析，其誤差主要來源于以下四個方面：一方面是來自被測物體本身的輻射特性；第二方面來自紅外探測器探測性能；其次是來自測量環(huán)境的影響；最后一個方面來自系統(tǒng)的硬件和數(shù)據(jù)處理。其中來自被測物體本身和測量環(huán)境的誤差是由物體本身的特性決定的，因此可用誤差修正的方法來盡量減少它們對測量精的影響。對于探測器的誤差來說，可以通過選擇最佳的紅外探測器方法使誤差降低到最低程度。而硬件和軟件設計帶來的誤差從某種角度而言，是最容易產(chǎn)生的，也是最易減少的。當然硬件和軟件設計引起的誤差被克服程度和設計者的設計經(jīng)驗有很大的關系。第三章介紹的軟硬件的設計方案，已經(jīng)充分考慮到了測量精度的問題。6.2 不確定性誤差 （1） 被測物體的發(fā)射率誤差：被測物體向空間輻射的輻射強度主要受自身溫度和發(fā)射率大小的影響。在本紅外線輻射測溫儀數(shù)據(jù)處理時是通過假設被測物體在兩波長下的發(fā)射率相等來確定被測物體溫度的，即假設被測物體為灰體，然而實際上被測物體不是灰體，也不存在理想的灰體，這樣就給測量結果帶來一定得誤差，我們可以通過選取非常接近的兩波長作為比色測溫的兩波長，從而可以盡量減少發(fā)射率對測量結果的影響。 （2） 環(huán)境引起的誤差：環(huán)境因素包括環(huán)境溫度、濕度、雜光影響等，對于本紅外線輻射溫度儀來說，濕度和溫度對系統(tǒng)的影響很小，因為探測器受到很好的保護措施，且被測物體溫度較高，而對探測器輸出影響最大的是雜光的影響。另外測量環(huán)境的變化還會影響前置放大電路零點的變化，因此在數(shù)據(jù)處理時用到了零點的扣除，這樣就可以減少環(huán)境引起的誤差對被測物體測量結果的影響。 （3） 外部噪聲源對系統(tǒng)的干擾：由于干擾信號可通過各種線纜侵入主機系統(tǒng)內(nèi)部而影響到測量精度，因而測控裝置的配線技術是首先要考慮的，對于靜電感應引起的噪聲，可在信號線或箱體上包一層金屬導體屏蔽層，并將屏蔽層端點接地。對于電磁感應引起的噪聲，配線時應盡量使信號線遠離強電線，以減少互感。（4） 數(shù)字電路對模擬電路的影響：在測量系統(tǒng)中，測量電路往往是模擬電路和數(shù)字電路的混合體，數(shù)字電路工作電流的變化也會影響模擬電路而產(chǎn)生噪聲，為了消除噪聲，在同一系統(tǒng)內(nèi)部應當把這兩類信號線分開走線，最后通過一點將它們連接起來。對 A/D 和 D/A 轉換電路設計時要特別注意地線的正確連接，如果A/D 轉換和采樣保持是采用獨立的芯片，則它們必須采用獨立的數(shù)字地和模擬地。 以上四方面對測量儀產(chǎn)生的誤差量化后小于 0.2%。6.3 設計誤差 設計誤差包括硬件設計誤差和軟件設計誤差，對于硬件誤差而言，主機結構比較復雜，有探測器、前置轉換和放大電路、模數(shù)轉換和基于 PIC16F877A 單片機的軟件和硬件。因此設計誤差要分多方面考慮。 （1） 紅外探測器的誤差：在本系統(tǒng)中是采用硅光電二極管作為系統(tǒng)的紅外探測器，硅光電二極管輸出光電流信號在安培之間。其量化誤差小于0.2%。 （2） 運算放大器的誤差：系統(tǒng)采用 AD820 作為前級信號轉換的運算放大器，采用 OP07 作為信號轉換后的運算放大器。運算放大器的運放誤差可分為兩類：靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差。靜態(tài)誤差包括：輸入失調(diào)電壓、輸入偏置電流、輸入失調(diào)電流、共模抑制比有限引起的誤差等。動態(tài)誤差指由于運算放大器本身的帶寬不可能無限大，以及外接無源網(wǎng)絡的寄生電容、接線電容或者是電容器的介質(zhì)吸收效應造成動態(tài)運算誤差。運放 AD820 和 OP07 的靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差都很小，通過理論計算其量化誤差小于 0.2%。（3） A/D 和 D/A 轉換模塊誤差：本系統(tǒng)設計采用的是獨立 A/D 和 D/A 轉換模塊，其中 A/D 轉換模塊理論上是 16 位，實際上位數(shù)只能達到 15 位，因為其中的最高位表示數(shù)據(jù)的符號位，D/A 也是 16 位的，它們的參考電壓均采用其內(nèi)部的參考電壓。而模數(shù)和數(shù)模轉換本身的精度與它們的位數(shù)及參考電壓的設置有關，通常位數(shù)越大精度就越高，其次合理的設置參考電壓、的值，也可以使位數(shù)較小的數(shù)模和模數(shù)轉換獲得較高的分辨率。另外在模數(shù)和數(shù)模轉換電路中，供電電源電壓的不穩(wěn)定性也要影響轉換精度。一般要求紋波電壓小于 1%，可采用膽電容或電解電容濾波。最后，當數(shù)字信號前沿很陡，頻率較高，在正確的地線接線的情況下，數(shù)字信號可通過印制板線間的分布電容和漏電耦合到模擬信號輸入端引起干擾，因此印制板布線時應使數(shù)字信號和模擬喜好遠離或者將模擬信號輸入端用地線包圍起來，以降低分布電容耦合和隔離漏電通路。A/D 和 D/A 轉換模塊的量化誤差之和小于 0.1%。（4） 數(shù)據(jù)處理帶來的誤差：在 A/D 轉換后的數(shù)據(jù)處理方式對測量精度也有影響。測量系統(tǒng)通常要進行數(shù)字濾波，然后取出中值，在代入所建立的數(shù)學模型中進行處理得到所要求的物理量。對輻射測溫來說，對 A/D 轉換后的數(shù)據(jù)如何處理要根據(jù)具體情況而定。在本紅外線輻射測溫儀的 A/D 轉后，首先對轉換后的數(shù)據(jù)進行種