熱釋電傳感器的非接觸式測控系統設計

摘要：介紹了利用熱釋電紅外傳感器進行非接觸式測溫的基本原理、紅外測溫系統結構和信號處理電路的組成。以此為基礎，設計了一套非接觸式紅外測溫裝置，用該裝置測定了移動目標表面溫度。在模擬實際場景應用時，實現了對較遠距離的運動行人體溫的準確測量；裝置還增加了高溫報警電路和藍牙無線通信模塊，豐富了使用功能。
關鍵詞：單片機；測控系統；熱釋電傳感器；非接觸式測溫計；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用。從軍事上的紅外線制導飛彈、紅外成像夜視儀，到包含高新尖端技術的紅外氣象衛星，從工業上普遍應用的紅外光電計數器、紅外測溫儀、紅外氣體分析儀，到民用的波動式紅外防盜報警器、人體紅外自動照明開關等，紅外傳感技術已在空間、工農業、民用等各個領域得到廣泛應用。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域得到重要發展的一種新型熱探測器。據報導這種探測器可以廣泛地用於輻射溫度測量、紅外光譜測量、雷射參數測量、非接觸式溫度測量、T業過程自動監控、安全警戒、紅外攝像與空間技術等方面。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導，這種探測器和以往常用的測輻射熱計、溫差熱電堆等熱探測器比較，具有以下特點：
①頻率特性好。其他熱探測器都是在熱平衡後輸出最大，工作時輻照時間必須大於熱平衡的時間常數(一般為數ms至數十ms)。而熱釋電探測器，是在非熱平衡狀態下工作的，熱平衡時反而沒有輸出，因此工作時輻照時間必須小於熱平衡時間常數(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於其等效電容和後續電路。
②在室溫下工作，不需製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，在熱探測領域中佔有十分重要的位置。

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，自然界中一切高於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繫，物體的溫度越高，所發出的紅外輻射能力越強。黑體處於溫度T時，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，元件兩個表面做成電極，當傳感器監測範圍內溫度有△T的變化時，熱釋電效應會在兩個電極上產生電荷，即在兩電極之間產生微弱電壓△V。熱釋電探測器檢測到變化的溫度，經光電轉換後，變成一個交流電壓信號供信號處理電路進行處理。可由普朗克公式推導出輻射體溫度的公式：

其中，T1為測目標的溫度；T2為環境溫度；ε1為被測目標輻射率；ε2為環境的輻射率；σ為斯忒藩-玻耳茲曼常數，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，定標時一般取1；α為與大氣衰減距離有關的常數。

2 測溫系統整體設計
紅外測溫儀的系統主要由光學系統、光電轉換、信號處理、顯示輸出等部分組成。光學系統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換成電信號，經過放大、濾波後進行模／數轉換，並送至單片機進行信號處理，液晶顯示單元顯示出被測目標的溫度值。

3 信號處理電路設計
3．1 信號放大電路
當光信號經過熱釋電傳感器後，就變為交變的脈衝信號，熱釋電傳感器接收到的人體輻射信號很微弱，只有微伏或納微伏數量級，故需要放大後才能進行信號處理。
本系統把信號的放大電路分為前置放大電路和後級放大電路進行處理。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放大到一定電平，以便進一步再作處理，低噪聲是為了保持儘可能高的信噪比。
放大電路採用低失調精密運算放大晶片LM358，其內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器，適合於電源電壓範圍很寬的單電源使用，也適用於雙電源工作模式。系統的信號放大電路如圖1所示。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/159297.htm

集成運放LM358特點是低失調、低噪聲、低漂移，廣泛用於精密儀器放大器、傳感放大器等場合。紅外傳感信號由LM358的引腳3埠進入放大電路，圖中電容C1用於濾除信號中的直流信號，電路可調電位器Rv1用來對傳感器輸出信號的增益進行調節。引腳7埠將放大後的紅外傳感信號送往信號採集電路單元進行模／數轉換。

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