CN103344343A - 一种基于微机械热电堆的非接触式红外测温系统 - Google Patents

Abstract

一种基于微机械热电堆的非接触式红外测温系统。其包括光阑、陶瓷衰减片、传感器、模拟电路、数据采集卡和计算机；本发明提供的基于微机械热电堆的非接触式红外测温系统适合于远距离目标、高速运动目标、带电目标以及其他不可接触目标的温度测量，尤其是在一些危险环境下。与传统的热电偶以及温度计等测温仪相比，红外测温不需与被测物体接触，可以实现远距测温；同时由于物体微小的温度波动会产生较大的辐射能量的变化，故红外测温仪的灵敏度很高，微机械热电堆红外测温仪最小可测的温差可达0.01℃。另外，本系统具有结构设计合理、简单、成本低且测温精确度高等优点。

Description

一种基于微机械热电堆的非接触式红外测温系统

技术领域

本发明属于红外探测技术领域，特别是涉及一种基于微机械热电堆的非接触式红外测温系统。

背景技术

目前，瞬态表面温度的测量方法多种多样，归纳起来可以分为两大类：即接触式测温和非接触式测温。接触式测温不适用于高温测量中，因为其易损坏传感器，非接触式测温则不必与温度源直接接触，通过其产生的辐射间接地测量其温度，可实现远距离测温，不易受周围环境的影响。

非接触式测温基于热辐射原理或电磁原理，测温时，感温元件不直接与被测介质接触，通过辐射实现热交换，达到测温的目的，例如，红外测温仪、光学高温计等。非接触式测温方法包括辐射测温﹑激光测温及红外热成像等。

微机械红外热电堆探测器则属于非接触式红外辐射测温装置，其测量高温在理论上是成立的。热电堆是由许多热电偶串联组成，在相同的红外辐射下，其可以提供更大的输出热电势。与微加工技术结合，更增添了这种器件的优越性：体积小、质量轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异、多功能集成、可以批量生产等。简单实用的结构，使热电堆探测器实现小型化、低成本、高精度成为可能，并且能够完成许多光电型探测器所不能完成的任务。其利用光-热-电转化探测原理，通过电压信号来测得温度，可以有效弥补高温条件下热电偶测量存在的问题。

热电堆红外测温是辐射测温，其将辐射引起的温度变化转换为热电势来测定目标温度，同其它热探测器一样，也存在着热平衡问题。但是同传统的直接接触式测温方法相比，其显示出一定的优越性：在测量物体表面温度时不会引起物体温度场的改变，也不会在测量前受空气或环境温度(热)变化的影响，尤其适用于测量一些远距离、运动的和有危险性的物体。因此，这项技术一直以来都是本领域技术人员关注的重点。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于微机械热电堆的非接触式红外测温系统。

为了达到上述目的，本发明提供的基于微机械热电堆的非接触式红外测温系统包括：光阑、陶瓷衰减片、传感器、模拟电路、数据采集卡和计算机；其中：光阑为一中部带有圆孔的档光板，其位于待测热源的前端，用以规范待测热源的热辐射面积；

陶瓷衰减片为氧化锆陶瓷衰减片,放置于光阑与传感器之间，使传感器接受来自待测热源的红外辐射；

传感器为微机械热电堆红外传感器，其输出端与模拟电路相连接；

模拟电路由低通滤波器和低噪声放大器构成，其输出端与数据采集卡相连接；

数据采集卡为与计算机配合工作的数据采集器，其与计算机相连接；

计算机为通用PC计算机，用于控制本测试系统完成对测试数据的采集、存储和显示。

所述的光阑上的圆孔直径连续可调。

所述的传感器和模拟电路采用内部集成了信号处理电路的热电堆传感器模块A2TPMI。

所述的数据采集卡采用PCI8602数据采集卡。

本发明提供的基于微机械热电堆的非接触式红外测温系统适合于远距离目标、高速运动目标、带电目标以及其他不可接触目标的温度测量，尤其是在一些危险环境下。与传统的热电偶以及温度计等测温仪相比，红外测温不需与被测物体接触，可以实现远距测温；同时由于物体微小的温度波动会产生较大的辐射能量的变化，故红外测温仪的灵敏度很高，微机械热电堆红外测温仪最小可测的温差可达0.01℃。另外，本系统具有结构设计合理、简单、成本低且测温精确度高等优点。

附图说明

图1为本发明提供的基于微机械热电堆的非接触式红外测温系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的基于微机械热电堆的非接触式红外测温系统进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的基于微机械热电堆的非接触式红外测温系统包括：光阑1、陶瓷衰减片2、传感器3、模拟电路4、数据采集卡5和计算机6；其中：光阑1为一中部带有圆孔的档光板，其位于待测热源7的前端，用以规范待测热源7的热辐射面积；

陶瓷衰减片2为氧化锆陶瓷衰减片，由于陶瓷材料对红外/毫米波的衰减作用实质上是介质微粒对入射波的吸收和散射共同作用的结果,选择氧化锆作为隔热和衰减用材料,放置于光阑1与传感器3之间，使传感器3可接受来自待测热源7的红外辐射；

传感器3为微机械热电堆红外传感器，其输出端与模拟电路4相连接，红外热电堆的工作原理塞贝克效应(Setback Effect),与热电偶的工作原理相同,将几个热电偶串联起来便组成了热电堆来检测红外辐射的强弱；当红外线照射到热电偶热端时，该端温度升高，而冷端温度保持不变。此时在热电偶回路中将产生热电势，热电势的大小便反应了热端吸收红外辐射的强弱；

模拟电路4由低通滤波器和低噪声放大器构成，其输出端与数据采集卡5相连接，模拟电路4首先采用低通滤波器对输入的采集信号进行滤波，然后采用低噪声放大器进行放大，最后将满足数据采集卡5输入要求的信号传送给数据采集卡5；低噪声放大器采用斩波放大器技术,传感器的输出信号中包含交流信号,因此,在低阻抗负载的应用中采用低通滤波器电路来消除交流信号；

数据采集卡5为与计算机6配合工作的数据采集器，其与计算机6相连接；处理后的电流信号通过数据采集卡5进行采集,采样频率及触发模式均可随意设置,模拟信号采用单端输入的方式进行连接；

计算机6为通用PC计算机，用于控制本测试系统完成对测试数据的采集、存储和显示。

所述的光阑1上的圆孔直径连续可调；在测试中应保持其孔径不变，使得在数据分析时不需考虑由孔径大小所带来的变化；

所述的传感器3和模拟电路4采用内部集成了信号处理电路的热电堆传感器模块A2TPMI，其是一种内部集成了专用信号处理电路以及环境温度补偿电路的多用途红外热电堆传感器，这种集成红外传感器模块将目标的热辐射转换成模拟电压。

所述的数据采集卡5采用PCI8602数据采集卡，采集模式采用内触发的方式，当输入信号超过设定的阈值，则从此节点开始对模拟信号进行转换，PCI8602在所测温度达到稳定后，采集就可结束，采集到的数据自动保存在PCI8602内部的存储器中；从存储器中读出采集数据，就可以绘制成一条波形图，以便进一步分析。

本发明提供的基于微机械热电堆的非接触式红外测温系统的工作原理是：传感器3吸收通过光阑1中圆孔透过且经陶瓷衰减片2衰减后的待测热源7发出的辐射光，经光电转换后由模拟电路4进行滤波和放大，然后通过数据采集卡5对其转换后的信号进行采集存储，采集结束后，将其数据读取出来，并绘制成曲线，利用陶瓷衰减片2的衰减倍数、模拟电路4的放大倍数以及传感器3本身的特性，计算出所测温度的实测值，并与原理值进行对比，通过对不同温度范围的温度进行测量，来分析不同温度的精确度。

本发明提供的基于微机械热电堆的非接触式红外测温系统主要是对热电堆传感器温度测量系统中数据采集进行研究，数据处理便是为了一定的目的，按照一定的规则和方法对测试数据进行收集、加工的过程，进而将测试数据所代表的事物内在规律提炼出来，得出正确的结果。从测量数据中可以找出所测温度与电压之间的数据关系，可通过公式直接计算出温度值，无需查传感器的数位表。还可从获取的波形看出热源在各温度范围内变化的快慢，以及在此区间内传感器的响应速率，对今后测温中传感器的选择有一定的参考价值。

Claims (4)

1.一种基于微机械热电堆的非接触式红外测温系统，其特征在于：所述的非接触式红外测温系统包括：光阑（1）、陶瓷衰减片（2）、传感器（3）、模拟电路（4）、数据采集卡（5）和计算机（6）；其中：光阑（1）为一中部带有圆孔的档光板，其位于待测热源（7）的前端，用以规范待测热源（7）的热辐射面积；

陶瓷衰减片（2）为氧化锆陶瓷衰减片,放置于光阑（1）与传感器（3）之间，使传感器（3）接受来自待测热源（7）的红外辐射；

传感器（3）为微机械热电堆红外传感器，其输出端与模拟电路（4）相连接；

模拟电路（4）由低通滤波器和低噪声放大器构成，其输出端与数据采集卡（5）相连接；

数据采集卡（5）为与计算机（6）配合工作的数据采集器，其与计算机（6）相连接；

计算机（6）为通用PC计算机，用于控制本测试系统完成对测试数据的采集、存储和显示。

2.根据权利要求1所述的非接触式红外测温系统，其特征在于：所述的光阑（1）上的圆孔直径连续可调。

3.根据权利要求1所述的非接触式红外测温系统，其特征在于：所述的传感器（3）和模拟电路（4）采用内部集成了信号处理电路的热电堆传感器模块A2TPMI。

4.根据权利要求1所述的非接触式红外测温系统，其特征在于：所述的数据采集卡（5）采用PCI8602数据采集卡。

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