带距离补偿的红外辐射温度传感器电路设计与调试

常州刘国钧高等职业技术学校

毕业论文

编号

论文名称带距离补偿的红外辐射温度传感器电路设计与调试

系部机电工程系

专业机电一体化

班级 0961

姓名闫瑞阳

学号 15

指导教师盛希宁

2014年 05 月 04 日

温度检测是现代工业的命脉，测量温度的方法可以分为接触式和非接触式测温。传统的接触式测温仪因其响应速度慢，测温时间长等缺点，在某些应用领域逐渐被红外非接触测温系统代替。目前，红外测温系统是最主要的非接触测温方式之一，其响应速度快、测量范围宽、灵敏度高等优点，被广泛应用于各行各业。但由于红外测温仪的测量精度很容易受到环境温度，测量距离等外界因素的影响，导致其测量误差增大，因此，减少外界因素对红外测温仪的测量精度影响是具有十分重要的意义。

本课题主要是以降低距离因素以及环境温度因素对红外测温仪测量精度的影响为目的，阐述了红外测温原理及方法，详细的描述了ATmega16单片机、红外测温硬件的系统结构以及硬件的设计与调试，并且主要针对距离因素对红外测温的影响做了相关实验，通过三种成品化的红外测温仪以及本课题中所设计的红外测温系统测量数据分析对比，具有距离补偿以及精确的环境温度补偿的红外测温系统有效的降低了距离、环境温度的外界因素影响，具有低功耗、响应速度快、灵敏度高、准确性高等优点，能够适用于不同环境温度下、测量距离偏长的应用场合。

关键词：距离补偿、红外辐射、温度传感器、测温

第一章红外辐射测温原理 (1)

1.1 红外辐射的理论基础 (1)

1.2 影响红外辐射的因素 (2)

第二章红外辐射测温方法与红外测温仪的结构组成 (3)

2.1 红外测温的方法 (3)

2.2 红外测温仪的结构组成 (3)

第三章距离因素对红外辐射测温仪的影响 (5)

3.1 DT-811红外辐射测温仪的温度测量值 (5)

3.2 GM300红外辐射测温仪的温度测量值 (6)

3.3 AR320红外辐射测温仪的温度测量值 (7)

第四章带距离补偿的红外辐射测温硬件电路设计 (9)

4.1 硬件总体设计 (9)

4.2 OTP-538U传感器的工作原理和性能 (9)

4.3 目标温度的电信号处理电路 (11)

4.4 超声波测距电路 (13)

4.5 数字化处理及显示电路 (14)

第五章电路标定与调试 (16)

5.1 固定测量距离（3cm），改变被测目标温度时，红外辐射测温系统测量结果 (16)

5.2 固定被测目标温度（40℃），改变测量距离时，红外辐射测温系统测量结果 (16)

5.3 固定被测目标温度（40℃），补偿测量距离，红外辐射测温系统的测量结果 (17)

总结 (19)

致谢辞 (20)

参考文献 (21)

第一章红外辐射测温原理

1.1红外辐射的理论基础

任何物质(体)，其内部的带电粒子都是处于不断的运动状态的。当物体具有一定的温度，即物体温度高于热力学温度0 K时(摄氏温度-273℃时)，它就会不断地向周围进行电磁辐射。物体在常温下，发射红外线；当温度升高至500℃左右，便开始发射部分暗红的可见光；当温度继续升高，物体会向外辐射可见光，且随着温度的升高其波长会变短。红外线是位于可见光中红色光外的一种光线，是一种人眼看不见的光线。但这种光和其他任何光一样，也是一种客观存在的物质。红外线与可见光、紫外线、X射线、γ射线和微波等无线电磁波一起构成了一个无限连续的电磁波谱。在光谱中的位置如图1-1所示。

图1-1 光谱分布

红外辐射的物理本质是热辐射。热辐射的程度主要由物体的温度所决定。温度越高，辐射出的红外线越多，红外辐射的能量越强。科学研究表明，太阳光谱各种单色光的热效应，从紫色光到红色光的热效应是逐渐增大的，且最大的热效应出现在红外辐射的频谱范围内。因而，有人又将红外辐射称为热辐射或者是热射线。试验表明，波长在(0.1~1000)μm范围内的电磁波被物体吸收时，可以显著地将电磁能转变为热能。红外辐射与其它辐射一样，能在其射程范围内被物体吸收并转换为热能。即使在高度真空里，通过热辐射也能进行能量的传递。红外辐射和可见光、无线电磁波一样，是以波的形式在空间(同一介质)进行直线传播的，并遵循逆二次方定律，也能反射、折射、散射、干涉和偏振。它在真空中传播的速度等于光在真空中的传播速度。即

c=λ*γ，及σ=1/λ

式中,λ——红外辐射的波长(cm)；

γ——红外辐射的频率(Hz)；

σ——红外辐射在真空中1cm的长度内所包含的波长个数；

C——光在真空中的传播速度,c~3.0×1010cm/s。

热辐射的另一个特点是辐射光谱呈连续性，在电磁波谱中由于不同波谱的波长相差很大。红外辐射和电磁波传播一样也存在被传输介质吸收和散射等现象，使辐射能在传输过程中会逐渐衰减。

1.2影响红外辐射的因素

影响物体红外辐射的主要因素有大气的衰减及物体不同的辐射率。一般来说，大气对可见光是透射性能良好的媒质，但对不同波长的红外辐射却产生不同程度的衰减。造成辐

射衰减的主要原因是大气中H

2O、CO

2

、0

3

、CO和 CH

4

等气体的选择性吸收，以及大气中悬

浮的各种微粒的散射所致。在接近地面的空气中，对红外线的衰减起主要作用的是水蒸气和CO

2

，大气对红外线的吸收情况见图1-2。

图1-2 大气对红外线的吸收

由图1-2可以看出，在(0~15)μm波长范围内，大致有三个红外波段在大气中透射较好，通常称这些波段为大气窗口,它们分别为0μm~3μm、3μm~5μm、8μm~14μm。利用这三个透明窗口，即使没有一丝可见光线或雾气较重，同样能观测到清晰的红外图像。远红外受散射的影响较小，相对近红外线更适合全天候和远距离传播，从而避免天气状况引起的测量误差。