双色红外测温仪的设计与改进

发布时间：2020-04-02 01:44

【摘要】：工业生产温度测量在科学研究、、军事等领域都有重要的应用。目前,非接触式测温法在逐渐取代传统的接触式测温法。而在非接触式测温法中,红外测温法由于其不干扰温场、响应速度快等优点,应用最为广泛。随着红外探测技术的发展,红外测温仪也日渐向高精度、普适性等方向发展。其中,双色测温仪因性价比高、测量范围大、抗干扰能力强等优点,在红外测温仪中逐渐占据重要地位。相比国外而言,国内的相关研究起步较晚,在双色测温仪的准确度和抗干扰能力上还和国外有一定差距。本文着眼于研究提高双色红外测温精度的方法。在传统双色测温法的理论基础上,分析了滤波片带宽对测温精度的影响。结合传统的标定方法,引入了发射率、温度和波长三者之间的函数关系,并对标定方法进行改进。此外,重点分析了坡度和背景温度对双色测温精度的影响,并提出了坡度补偿和背景温度补偿方法。本文主要内容是设计双色红外测温仪。在仪器设计中,根据需求分析提出了仪器的总体设计方案和相应的光学、硬件和软件设计方案。在光学设计部分,采用双通道非调制光路系统和InGaAs光电探测器,并通过合理的选择双波长来规避大气衰减的影响,最终确定了1.2μm和1.55μm的双波长。在硬件设计部分,以提高测温精度和抗干扰能力为主要目标,在芯片选型和电路设计中重点考虑了噪声和温漂特性的影响,围绕嵌入式微处理器设计了I-V转换、低通滤波和50Hz陷波滤波、A/D转换的模拟电路以及人机交互、通讯和环境温度采集的数字电路,并在电磁隔离和降噪上进行优化。在软件设计部分,基于C语言编写了嵌入式程序和PC上位机程序,并对比和分析了最小二乘法拟合和样条曲线拟合的误差。最后是测温仪的标定和各项性能参数的分析。利用黑体炉对测温仪进行标定,并分析不确定度和重复性。实验结果表明,在500~1200℃的测温范围内,仪器的精度在0.5%以内,重复性在0.1%以内,实现了预期设计目标。另外,进一步分析了系统主要的误差来源,并提出相应的解决方法。
【图文】：

红外测温仪,德国

a) 美国Raytek红外测温仪 b) 德国Optris红外测温仪 c) 德国SensorTherm红外测温仪a) Raytek IR thermometer b) Optris IR thermometer c) SensorTherm IR thermometer图 1-2 现有的红外测温仪Fig.1-2 Infrared thermometer in existence国外在红外测温领域的研究水平较高。据调查，目前国际上主要的红外测温仪厂商有美国的 Raytek、Fluke，德国的 Optris、SensorTherm 等，如图 1-2 所示。

曲线,普朗克,曲线,体辐

图 2-1 黑体的普朗克曲线Fig.2-1 Planck curve of blackbody体辐射曲线，，反映了不同温度和不同波段下黑出一些特性：下，辐射出度 MT 随波长而变化，每条曲线
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH811

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