基于单片机的双波长红外测温结构设计

基于单片机的双波长红外测温结构设计

关国坚1,2，甘志银1,2

（华中科技大学机械科学与工程学院1，湖北武汉430074；

广东昭信半导体装备制造有限公司2，广东佛山528200）

摘要

为了解决双波长测温不同波长的变换和精确定位测量的问题，设计了一种基于单片机的变换结构，利用电机匀速反馈控制电路和单片机周期捕获功能，准确跟踪和定位采样位置。同时基于这种结构提出了一种双波长测温法的暗电流电压修正方法，大大提高了测量的精度。最后通过实验使用设计的测量结构拟合出双波长温度测量函数，测量精度在1℃之内。

关键词：双波长测温波长变换结构反馈控制单片机暗电流修正

中图分类号：TH811 文献标志码：A

Structural Design of Dual-wavelength Colorimeter Based on the Single

Chip

GUAN Guo-jian1,2,GAN Zhi-yin1,2

(School of Mechanical Science and Engineer, Huazhong University of Science and Technology 1, Wuhan 430074;

Guangdong RealFaith Semiconductor Equipment Co.,Ltd2, Foshan 528200)

Abstract

Aimed at solving the problem of wavelength changing and position locating for dual-wavelength colorimeter, a wavelength changing-over design with high precise position using motor feedback control circuit and Programmable Counter Array circle(PCA) capture based on the single chip is proposed. Meanwhile, a dark circuit correction algorithm is analyzed, with which the measurement precision is greatly improved. Finally, the function of the measurement is completed by experiment, with precision within 1℃.

Key words: dual-wavelength colorimeter dual-wavelength changing-over mechanism feedback control single chip dark circuit correction algorithm

0引言

红外辐射测温法具有无损害、快速、高灵敏度、高精度和广测量范围等优良特点[1]广泛应用到医学、国防、科研和工农业等领域中。根据红外辐射理论，绝大多数物体都是非黑体，用红外测温法测量得到的温度理论上与实际温度都有偏差。双波长测温法由于本身对发射率进行了一次修正补偿，所以最接近实际温度，误差最小，受被测物体的发射率、接收光面积、测量距离和光路介质特性影响较小，是红外测温法中较为理想的测温法[2]。双波长测温的关键技术是要能够准确地测量两个波段的光辐射能。同时，对于红外光敏传感器这种微弱信号电路来说，传感器的温度变化会引起传感器暗电流电压的漂移，影响测量的精度。如果要做到恒温控制往往又需要较为复杂的电路和控制，成本很高。目前的双波长测温仪器没有一种很可靠简单的结

基金项目：2010年广东省重大科技专项（2010A080802006）

构，并且没有进行暗电流修正，精度和可靠性不高。本文设计的基于单片机的双波段变换机构简单可靠，精度在1℃之内。

1双波长红外测温法原理

1.1 双波长测温理论

物质都会发出热辐射，这种热辐射的能量与物质的温度及其材料的辐射系数有关。单位面积黑体在半球方向、单位时间的辐射通量(单色辐射度)由普朗克公示给出：

11025(,)[exp(/)1]C M T C T λλλ-=- (1)

式中，λ为物体的辐射波长，T 为物体绝对温度，

1C 和2C 分别成为第一与第二辐射常数。

2

16

2

1222 3.7141810;1.438810C hc Wm hc C mK

k

π--==⨯==⨯

一般物体的辐射能比理想“黑体”小，其辐射能是黑体辐射能乘以物体的发射率()ελ，

0(,)()(,)M T M T λελλ=⨯，0()1ελ<<

红外测温法分为全辐射测温和亮度测温和比色测温。双波长测温法是根据物体在两种相邻的波长下的辐射度之比来确定物体的温度。根据（1）式，两种波长的辐射功率之比为

51111122222221

(,)()11

()()exp[()](,)()M T d d C R T M T d d T λλελλλλλελλλλλ=

=-

式中，()R T 为辐射功率之比，1λ、2λ为选择的两个中心波长，12d d λλ和为带宽，选取两波长带宽相等，12d d λλ=，有

2212112[(1)(1)]ln ()5ln()ln()

C T R T λλλλεε-=

-- (2)

根据发射率理论，两个相近的波段的发射率看成近似相等[3]，即12εε≈，将（2）式化简有 ln ()a T R T b

=

+ (3) 全辐射和亮度红外测温法无法实现发射率的实

时测量，因此造成较大的测量误差，无法准确反应被测对象的温度[4]。目前市面上的红外测温产品，LayTec 公司的EpiTT 和Veeco 公司的RealTemp200都是采用修正发射率的亮度测温法。这种方法虽然在修正了发射率之后能够提高测温精度[5]，但是这种方法仍受到测量距离、测量面积和测量介质等很多因素的制约。双波长测温法通过两种波长的光辐射强度之比来测温，通过比值运算把影响辐射能量的距离、面积和介质常数的影响降低，抗干扰能力强，标定和安装的要求难度大大降低。 1.2双波长测温法的光路架构

双波长测温法的核心关键是测量两个波段的能量值，得到双波长能量值的比值。双波长测温法结构如图1所示：

1-分光镜 2,6,8-反射镜 3-窄带滤光片a 4-光敏传感器5-电机和调制盘 7-窄带滤光片b 9-透镜

图1 双波长测温架构

目前的双波长测温结构存在以下的问题： （1）测量定位问题：为了提高测量频率，波长变换结构的切换时间必须非常短，这样对快速运动的变换结构定位是双波长测温结构的难题。

（2）温度漂移问题：传感器由于温度漂移会产生一定的暗电流漂移，目前的双波长测温结构没有对暗电流电压进行测量，会引入测量误差。

本文基于以上目前双波长测温结构优缺点，提

出了一种基于单片机的结构，此结构有以下几点优点：

（1）能够实时测量传感器温度漂移电压，进行算法修正；

（2）不同波长的切换时间很短，而且波段的采样点