熱釋電傳感器的非接觸式測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：介紹了利用熱釋電紅外傳感器進(jìn)行非接觸式測溫的基本原理、紅外測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和信號(hào)處理電路的組成。以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一套非接觸式紅外測溫裝置，用該裝置測定了移動(dòng)目標(biāo)表面溫度。在模擬實(shí)際場景應(yīng)用時(shí)，實(shí)現(xiàn)了對較遠(yuǎn)距離的運(yùn)動(dòng)行人體溫的準(zhǔn)確測量；裝置還增加了高溫報(bào)警電路和藍(lán)牙無線通信模塊，豐富了使用功能。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；測控系統(tǒng)；熱釋電傳感器；非接觸式測溫計(jì)；無線通信

引言
紅外線的輻射波長約0．77～1 000 pm，紅外輻射的不同波段有不同的應(yīng)用。從軍事上的紅外線制導(dǎo)導(dǎo)彈、紅外成像夜視儀，到包含高新尖端技術(shù)的紅外氣象衛(wèi)星，從工業(yè)上普遍應(yīng)用的紅外光電計(jì)數(shù)器、紅外測溫儀、紅外氣體分析儀，到民用的波動(dòng)式紅外防盜報(bào)警器、人體紅外自動(dòng)照明開關(guān)等，紅外傳感技術(shù)已在空間、工農(nóng)業(yè)、民用等各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。熱釋電紅外探測器簡稱熱釋電探測器，是近十年來在熱探測領(lǐng)域得到重要發(fā)展的一種新型熱探測器。據(jù)報(bào)道這種探測器可以廣泛地用于輻射溫度測量、紅外光譜測量、激光參數(shù)測量、非接觸式溫度測量、T業(yè)過程自動(dòng)監(jiān)控、安全警戒、紅外攝像與空間技術(shù)等方面。我國在這方面的研究，雖然起步晚些，但近年來也有重要研究成果報(bào)道，這種探測器和以往常用的測輻射熱計(jì)、溫差熱電堆等熱探測器比較，具有以下特點(diǎn)：
①頻率特性好。其他熱探測器都是在熱平衡后輸出最大，工作時(shí)輻照時(shí)間必須大于熱平衡的時(shí)間常數(shù)(一般為數(shù)ms至數(shù)十ms)。而熱釋電探測器，是在非熱平衡狀態(tài)下工作的，熱平衡時(shí)反而沒有輸出，因此工作時(shí)輻照時(shí)間必須小于熱平衡時(shí)間常數(shù)(一般為0．1～1 s)。也就是說它的工作速度不受熱平衡的限制，其頻率的上限主要取決于其等效電容和后續(xù)電路。
②在室溫下工作，不需制冷即能獲得很高的靈敏度，可與低溫下高靈敏度的測輻射熱計(jì)相媲美。
③輸出阻抗是純電容性的，直流阻抗極高。
④體積小、重量輕、堅(jiān)固。
因此，熱釋電探測器是一種很理想的紅外輻射探測器，在熱探測領(lǐng)域中占有十分重要的位置。

1 測量原理
紅外測溫儀的測溫原理是黑體輻射定律。眾所周知，自然界中一切高于絕對零度的物體都在不停向外輻射能量，物體向外輻射能量的大小及其波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的聯(lián)系，物體的溫度越高，所發(fā)出的紅外輻射能力越強(qiáng)。黑體處于溫度T時(shí)，在波長為λ處的
單色輻射出度由普朗克公式確定，即

熱釋電紅外傳感器由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，元件兩個(gè)表面做成電極，當(dāng)傳感器監(jiān)測范圍內(nèi)溫度有△T的變化時(shí)，熱釋電效應(yīng)會(huì)在兩個(gè)電極上產(chǎn)生電荷，即在兩電極之間產(chǎn)生微弱電壓△V。熱釋電探測器檢測到變化的溫度，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后，變成一個(gè)交流電壓信號(hào)供信號(hào)處理電路進(jìn)行處理?？捎善绽士斯酵茖?dǎo)出輻射體溫度的公式：

其中，T1為測目標(biāo)的溫度；T2為環(huán)境溫度；ε1為被測目標(biāo)輻射率；ε2為環(huán)境的輻射率；σ為斯忒藩-玻耳茲曼常數(shù)，且σ=5．670 3×10-8W·m-2·K-4；K為表示探測器的靈敏度，且有
K=R·α·ε·σ1R
其中，R表示揮測器的靈敏度；ε為輻射體的輻射率，定標(biāo)時(shí)一般取1；α為與大氣衰減距離有關(guān)的常數(shù)。

2 測溫系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
紅外測溫儀的系統(tǒng)主要由光學(xué)系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)完成視場大小的確定，熱釋電探測器用將聚焦在探測器上的紅外能量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過放大、濾波后進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換，并送至單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理，液晶顯示單元顯示出被測目標(biāo)的溫度值。

3 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)
3．1 信號(hào)放大電路
當(dāng)光信號(hào)經(jīng)過熱釋電傳感器后，就變?yōu)榻蛔兊拿}沖信號(hào)，熱釋電傳感器接收到的人體輻射信號(hào)很微弱，只有微伏或納微伏數(shù)量級(jí)，故需要放大后才能進(jìn)行信號(hào)處理。
本系統(tǒng)把信號(hào)的放大電路分為前置放大電路和后級(jí)放大電路進(jìn)行處理。前置放大器必須是高增益和低噪聲的，高增益是用來把微弱信號(hào)放大到一定電平，以便進(jìn)一步再作處理，低噪聲是為了保持盡可能高的信噪比。
放大電路采用低失調(diào)精密運(yùn)算放大芯片LM358，其內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式。系統(tǒng)的信號(hào)放大電路如圖1所示。

集成運(yùn)放LM358特點(diǎn)是低失調(diào)、低噪聲、低漂移，廣泛用于精密儀器放大器、傳感放大器等場合。紅外傳感信號(hào)由LM358的引腳3端口進(jìn)入放大電路，圖中電容C1用于濾除信號(hào)中的直流信號(hào)，電路可調(diào)電位器Rv1用來對傳感器輸出信號(hào)的增益進(jìn)行調(diào)節(jié)。引腳7端口將放大后的紅外傳感信號(hào)送往信號(hào)采集電路單元進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換。