SOC的高精度紅外測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理歸總

溫度測(cè)量主要有兩種方式：一種是傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量，另一種是以紅外測(cè)溫為代表的非接觸式測(cè)量。傳統(tǒng)的溫度測(cè)量不僅反應(yīng)速度慢，而且必須與被測(cè)物體接觸。紅外測(cè)溫以紅外傳感器為核心進(jìn)行非接觸式測(cè)量，特別適用于高溫和危險(xiǎn)場(chǎng)合的非接觸測(cè)溫，得到了廣泛的應(yīng)用。本文將詳細(xì)介紹如何設(shè)計(jì)基于SOC級(jí)微處理器的高精度紅外測(cè)溫系統(tǒng)，及其在電力溫度檢測(cè)、設(shè)備故障診斷方面的應(yīng)用。

1.紅外測(cè)溫儀的工作原理

自然界一切溫度高于絕對(duì)零度的物體，都在不停地向外發(fā)出紅外線。物體發(fā)出的紅外線能量大小及其波長(zhǎng)分布同它的表面溫度有密切關(guān)系，物體的輻射能量與溫度的 4 次方成正比，其輻射能量密度與物體本身的溫度關(guān)系符合普朗克定律。因此我們通過(guò)測(cè)量物體輻射出的紅外能量的大小就能測(cè)定物體的表面溫度。微小的溫度變化會(huì)引起明顯的輻射能量變化，因此利用紅外輻射測(cè)量溫度的靈敏度很高。實(shí)際物體的輻射度除了依賴于溫度和波長(zhǎng)外，還與構(gòu)成該物體的材料性質(zhì)及表面狀態(tài)等因素有關(guān)。只要引入一個(gè)隨材料性質(zhì)及表面狀態(tài)變化的輻射系數(shù)，則就可把黑體的基本定律應(yīng)用于實(shí)際物體。這個(gè)輻射系數(shù)，就是發(fā)射率ε，或稱之為比輻射率，其定義為實(shí)際物體與同溫度黑體輻射性能之比，該系數(shù)表示實(shí)際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，其值在0和1的數(shù)值之間。

紅外測(cè)溫儀的工作原理如圖 1所示：被測(cè)物體輻射出的紅外能量通過(guò)空氣傳送到紅外測(cè)

溫儀的物鏡，物鏡把紅外線匯聚到紅外探測(cè)器上，探測(cè)器將輻射能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，又通過(guò)前置放大器、主放大器將信號(hào)放大、整形、濾波后，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路處理后輸入微處理器。微處理器進(jìn)行環(huán)境溫度補(bǔ)償，并對(duì)溫度值進(jìn)行校正后驅(qū)動(dòng)顯示電路顯示溫度值。同時(shí)，微處理器還發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)，并且接受按鍵輸入的發(fā)射率以完成發(fā)射率設(shè)定。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本紅外線溫度檢測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器 A2PTMIpLM358有源濾波電路pAD轉(zhuǎn)換電路p微處理器p顯示電路等幾個(gè)部分組成。因?yàn)閭鞲衅鬏敵龅男盘?hào)為0-5V，剛好滿足 AD轉(zhuǎn)換的要求，故在本設(shè)計(jì)中省略了放大電路，只對(duì)傳感器的信號(hào)進(jìn)行了濾波處理。另外，本系統(tǒng)還有信號(hào)變換電路輸出4～20mA、1～5V等模擬信號(hào)，并有RS232、RS485接口輸出數(shù)字信號(hào)來(lái)與上位機(jī)通信。

2.1傳感器A2PTMI原理及其應(yīng)用

PerkinElmer A2TPMI 是一種內(nèi)部集成了專用信號(hào)處理電路以及環(huán)境溫度補(bǔ)償電路的多用途紅外熱電堆傳感器，這種集成紅外傳感器模塊將目標(biāo)的熱輻射轉(zhuǎn)換成模擬電壓。該傳感器自帶距離系數(shù) D：S=8：1的光學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)該透鏡接收空氣中的紅外輻射，然后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)一個(gè) 8 bit分辨率的可編程放大器放大。根據(jù)熱電堆溫度測(cè)量原理，熱電堆電壓可能是正或者負(fù)，取決于目標(biāo)溫度是否高于或者低于 A2TPMI 的環(huán)境溫度。為了使負(fù)電壓信號(hào)能在單電源系統(tǒng)處理，所有的內(nèi)部信號(hào)都連接到 1.255 V內(nèi)部電壓參考(Vref)，作為虛擬模擬地信號(hào)。為了熱電堆放大電路偏置電壓的調(diào)整，放大器上帶了一個(gè)能產(chǎn)生有 8 bit 分辨率偏置電壓的可編程調(diào)整部分。此外， A2TPMI 內(nèi)部還集成有溫度傳感器來(lái)探測(cè)環(huán)境溫度，這個(gè)信號(hào)被放大后匹配熱電堆放大信號(hào)曲線的反向特性，進(jìn)行信號(hào)處理。為了溫度補(bǔ)償，放大的熱電堆信號(hào)和溫度參考信號(hào)相加于一個(gè)放大器。經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償放大后的信號(hào)輸出到 VTobj 腳，溫度參考信號(hào)或者參考電壓輸出到 Vtamb腳。A2TPMI的工作特性由一個(gè)內(nèi)部隨機(jī)存取寄存器進(jìn)行配置，所有的參數(shù) /配置永久地存在并行 E2PROM 內(nèi)?？刂茊卧峁┑膬删€、雙向同步串口 (SDAT, SCLK)，可以訪問(wèn)所有寄存器的 A2TPMI內(nèi)部參數(shù)。A2TPMI 傳感器通常不需要使用串口， SDAT，SCLK 引腳被內(nèi)部連到 VDD。

2.2濾波電路設(shè)計(jì)

A2TPMI放大器采用斬波放大器技術(shù)，由于這種技術(shù)本身具有的特性，輸出信號(hào) VTobj 和 VTamb 中包含了大約10 mV 峰值、 250 kHz 的交流信號(hào)。這些交流信號(hào)能被一個(gè)電子低通濾波電路或者類似的軟件濾波抑制掉。在高阻抗負(fù)載應(yīng)用中，象 LM358 這樣的rail to rail 運(yùn)算放大器電路，可以作為輸出信號(hào)的濾波器。

在本設(shè)計(jì)中采用第二種濾波電路，因?yàn)榧蛇\(yùn)放的開(kāi)環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出阻抗又低，所以有源濾波電路有一定的電壓放大和緩沖作用，濾波效果好，提高了傳感器信號(hào)的準(zhǔn)確度。