CN106500853A - 一种基于多传感器的宽范围高精度红外双色测温仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多传感器的宽范围高精度红外双色测温仪，包括信号检测和信号处理两个部分，其中：信号检测部分包括双层硅传感器、双层铟镓砷传感器和一个半透镜，该两个双层红外传感器分别获取50％的红外能量，并将其转换为电信号，分别通过运放芯片实现信号放大，然后通过两片多路开关将两路相邻波长的红外信号输入信号处理部分；信号处理部分包括A/D转换芯片和FPGA，A/D转换芯片接收所述红外信号并进行模数转换后输入FPGA，FPGA将两个波长的数字信号进行处理后计算出物体温度，FPGA将温度送液晶显示，同时将数据传给D/A转换芯片，通过4‑20mA工业电流标准实现温度数据的远距离传输。本发明数据处理速度快、应用范围广、测温精度高，可用于各种工业恶劣环境。
Description
技术领域
本发明涉及分析及测量控制技术领域，特别是一种基于多传感器的宽范围高精度红外双色测温仪。
背景技术
在自然界中，一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。根据基尔霍夫定律、普朗克定律、维恩公式三大辐射定律，物体红外辐射能量的大小与其表面温度密切相关。因此可以通过测量物体自身辐射红外能量的大小来确定物体表面温度，这就是红外辐射测温的基本原理。红外测温广泛应用于冶金、铸造、化工、水泥、玻璃、光伏等各种工业场合。这些工业应用场合由于生产工艺的要求，生产线温度高低不同，一般最低300摄氏度，最高近3000摄氏度，而且大部分工业生产现场环境恶劣，存在大量水汽、灰尘，由于红外辐射能量的衰减会导致普通红外测温仪出现较大的测温误差。红外双色测温仪又称比色测温仪，它是选择两个典型的波长区段，计算两个波段红外辐射能量的比值，比值与温度成线性关系，从而得出物体温度。当出现灰尘、水汽等干扰时，所测得的两个波段范围信号同时下降，相除以后，比值不变，从而实现精确测温。
专利申请号为201210481635.9的文献中给出了“火车轴温测量专用双色红外测温仪”，其通过三角形的反射镜将检测到的红外线分成上下两部分，分别送到上下两个红外传感器，将上下两个波长的信号进行比值运算从而得到火车轴的温度。此方法使用两个单波长传感器，由于传感器加工工艺一致性问题，会导致测温误差，并且光路复杂，测温范围较窄。
专利申请号为201310263400.7的文献中给出了“红外测温仪数据分析处理平台及其方法”，以ARM芯片为核心，以TFT为人机界面，对红外图像数据进行校正、编码等分析处理，主要是对图像数据的软件分析运算、视频显示，对红外测温范围、精度并无明显改善作用。
授权公告号为CN 102162752 B的文献中给出了“阵列式红外测温仪”，该装置介于红外测温仪与红外热成像仪之间，能够测量物体表面多点的温度。采用的多晶硅传感器根据其所描述的生产工艺应为单波长红外传感器，阵列仅是为了实现多点区域测温，依然属于红外单色测温，因此容易受到水汽、灰尘的干扰，测温精度不够，并且测温范围为500至2000摄氏度，很多工业应用场合无法使用。
授权公告号为CN 103424192 B的文献中给出了“一种红外测温仪温度漂移补偿的方法”，通过在机芯和挡板上分别设置温度传感器，利用数学方法进行线性拟合，从而对温度漂移进行补偿，提高测温精度。该方法的基本思想是首先会产生温飘，然后采用数学方法进行补偿，测温精度取决于拟合算法的精确性，当测温范围和环境温度改变时，拟合算法未必能够完全解决温度漂移问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种数据处理速度快、应用范围广、测温精度高、抗水汽干扰能力强基于多传感器的宽范围高精度红外双色测温仪，以适用于冶金、化工、水泥、光伏等各种工业恶劣环境，并能够对运动物体实现非接触测温。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于多传感器的宽范围高精度红外双色测温仪，包括信号检测和信号处理两个部分，其中：
信号检测部分，包括两个双层红外传感器和一个半透镜，所述两个双层红外传感器分别是双层硅传感器和双层铟镓砷传感器，利用半透镜的能量半透射半反射原理，50％的红外能量透射到双层硅传感器，50％的红外能量反射到双层铟镓砷传感器；该两个双层红外传感器将物体发出的红外辐射能量转换为电信号，分别通过运放芯片实现信号放大，由两片多路开关实现四个不同红外波段信号的二选一操作，然后将两路相邻波长的红外信号输入信号处理部分；
信号处理部分，包括A/D转换芯片和FPGA，A/D转换芯片接收所述两路相邻波长的红外信号并进行模数转换，FPGA接收A/D转换芯片输出的两个波长的数字信号进行比值运算、滤波处理后计算出物体温度，FPGA将温度送液晶显示，同时将数据传给D/A转换芯片，通过4-20mA工业电流标准实现温度数据的远距离传输。
进一步地，所述双层硅传感器的测量温度为1600到3000摄氏度，双层铟镓砷传感器的测量温度200到1600摄氏度。
进一步地，所述半透镜在近红外波段0.3～2.1μm，透射T:反射R＝50％:50％，物体发出的红外辐射入射角度为45°，所述两个双层红外传感器距离该半透镜中心的距离均为25mm。
进一步地，所述信号检测部分的两个双层红外传感器、半透镜和运放芯片封装于金属腔体内，将金属腔体密封后在其外表面设置半导体制冷块和数字温度传感器，由所述FPGA通过数字温度传感器检测金属腔体温度，并控制半导体制冷块将金属腔体加热或制冷，使金属腔体内的两个双层红外传感器保持恒温。
进一步地，所述金属腔体的材料为铜。
进一步地，所述半导体制冷块的工作电源由开关电源芯片提供，开关电源芯片的输出电压VOUT＝VREF*(1+R1/R2)，其中VREF＝1.22V，固定电阻R1＝10K欧姆，R2即数字电位器为100K欧姆的可调电阻，开关电源芯片和半导体制冷块之间设有继电器；
所述FPGA通过数字温度传感器检测到金属腔体温度后，与设定温度比较，调节数字电位器的阻值，越接近设定温度数字电位器的输出阻值R2越大，输出电压VOUT也就越低，半导体制冷块工作电流越小，从而平滑恒温。
进一步地，所述信号处理部分的FPGA包括时钟分频模块、A/D转换驱动模块、温度计算模块、液晶显示驱动模块、D/A转换驱动模块、恒温腔体测温驱动模块、加热制冷控制模块、数字电位器驱动模块，其中：
时钟分频模块的输入时钟来自50M的有源晶振，时钟输出端CLKA连接到A/D转换驱动模块、温度计算模块、液晶显示驱动模块、D/A转换驱动模块的时钟输入端，另一个时钟输出端CLKB是恒温部分即加热制冷控制模块、数字电位器驱动模块的工作时钟；
A/D转换驱动模块的作用是产生A/D转换芯片所需要的片选信号ACS、串行时钟ASCLK、串行数据ASDI，根据A/D转换芯片转换完成的数字信号ASDO，解析出两个红外波长的数字信号InfrA[23..0]和InfrB[23..0]，A/D转换驱动模块的输入时钟为CLKA，来自时钟分频模块，频率为2MHz；
温度计算模块根据来自A/D转换驱动模块的红外波长的数字信号InfrA[23..0]和InfrB[23..0]，来自时钟分频模块的输入时钟CLKA，计算出物体当前温度ObjTem[15..0]；
液晶显示驱动模块根据来自时钟分频模块的输入时钟CLKA，以及来自温度计算模块的温度数据ObjTem[15..0]，输出TFT液晶的控制信号DB[15..0]、LCDCS、LCDRST、LCDWR、LCDRD，将物体温度在液晶上显示；
D/A转换驱动模块根据来自时钟分频模块的输入时钟CLKA，以及来自温度计算模块的温度数据ObjTem[15..0]，输出驱动D/A转换芯片的时钟DACLK、数据DAData和锁存信号DALatch，将温度数据通过4-20mA工业电流标准实现远距离传输；
恒温腔体测温驱动模块的作用是产生所述金属腔体外表面数字温度传感器所需要的片选信号FCS、串行时钟FSCLK、串行数据FDIN，根据数字温度传感器检测到的串行温度数据FDOUT，解析出恒温金属腔体当前温度EnviTem[15..0]，恒温腔体测温驱动模块的输入时钟为CLKB，来自时钟分频模块，频率为10MHz；
加热制冷控制模块根据来自恒温腔体测温驱动模块的温度数据EnviTem[15..0]，来自时钟分频模块的输入时钟CLKB，将EnviTem[15..0]和金属腔体内的双层红外传感器所设定温度进行比较，若高于设定温度，加热制冷控制模块的输出引脚HCSet为高电平，控制半导体制冷块制冷；若低于设定温度，输出引脚HCSet为低电平，控制继电器使半导体制冷块直流电源反转，从而工作于加热状态；
数字电位器驱动模块的作用是根据来自恒温腔体测温驱动模块的温度数据EnviTem[15..0]，来自时钟分频模块的输入时钟CLKB，产生数字电位器所需要的片选信号PCS、串行时钟PSCLK、串行数据PSDI，通过改变半导体制冷块的工作电压，从而实现对制冷、加热程度的控制。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)检测部分的光学系统基于半透镜实现，同时使用双层硅传感器和双层铟镓砷传感器，应用半导体制冷原理使红外传感器和运放核心芯片在恒温环境工作，可实现宽范围高精度红外双色测温；(2)制作导热性能良好的金属腔体，把传感器和运放芯片封装在金属腔体中，将金属腔体密封后在其外表面安装半导体制冷块和温度传感器，使红外传感器恒温在最佳工作温度，从根源上解决温飘问题，测温精度可达0.1摄氏度；(3)通过继电器控制半导体制冷块电源的正负方向，从而实现对传感器腔体的制冷或加热；使用数字电位器调整开关电源芯片的可变电阻，灵活改变制冷块工作电流，从而平滑恒温，实现制冷、加热效率的精细化控制；(4)具有数据处理速度快、应用范围广、测温精度高、抗水汽干扰能力强等特点，可用于各种工业恶劣环境，特别适用于冶金、化工、水泥、光伏等各种工业场合。
附图说明
图1是单透镜光学系统示意图。
图2是本发明检测部分半透镜光学系统示意图。
图3是本发明基于多传感器的宽范围高精度红外双色测温仪的系统框图。
图4是图3中恒温部分的结构示意图。
图5是图3中FPGA的结构示意图。
图6是图5中A/D转换的波形仿真图。
图7是图5中恒温腔体测温芯片驱动的波形仿真图。
具体实施方案
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
本发明基于多传感器的宽范围高精度红外双色测温仪，包括信号检测和信号处理两个部分，其中：信号检测部分，包括两个双层红外传感器和一个半透镜，所述两个双层红外传感器分别是双层硅传感器和双层铟镓砷传感器，利用半透镜的能量半透射半反射原理，50％的红外能量透射到双层硅传感器，50％的红外能量反射到双层铟镓砷传感器；该两个双层红外传感器将物体发出的红外辐射能量转换为电信号，分别通过运放芯片实现信号放大，由两片多路开关实现四个不同红外波段信号的二选一操作，然后将两路相邻波长的红外信号输入信号处理部分；信号处理部分，包括A/D转换芯片和FPGA，A/D转换芯片接收所述两路相邻波长的红外信号并进行模数转换，FPGA接收A/D转换芯片输出的两个波长的数字信号进行比值运算、滤波处理后计算出物体温度，FPGA将温度送液晶显示，同时将数据传给D/A转换芯片，通过4-20mA工业电流标准实现温度数据的远距离传输。
该装置中FPGA在Quartus集成开发环境中使用VHDL描述，由时钟分频模块、A/D转换驱动模块、温度计算模块、恒温腔体测温驱动模块、加热制冷控制模块、数字电位器驱动模块等部分组成。
在红外测温仪中，信号检测部分的光学系统的作用是非常重要的。可以改善光信号的分布，大大提高灵敏面上的红外光照强度，从而提高仪器的信噪比。普通红外测温仪一般使用单透镜构成透射式红外光学系统，如图1所示，这种系统结构简单，加工方便，得到了广泛的应用。
本装置使用半透镜构成红外测温仪的光学系统，如图2所示。利用半透镜的能量半透射半反射原理，50％的红外能量透射到双层硅传感器，50％的红外能量反射到双层铟镓砷传感器，通过合理安装两个红外传感器，实现宽范围测温。所述双层硅传感器的测量温度为1600到3000摄氏度，双层铟镓砷传感器的测量温度200到1600摄氏度。所述半透镜在近红外波段0.3～2.1μm，透射T:反射R＝50％:50％，物体发出的红外辐射入射角度为45°，所述两个双层红外传感器距离该半透镜中心的距离均为25mm。
在物体的红外探测过程中，由红外传感器实现物体的红外辐射功率信号到电信号的转换。传统红外测温仪一般使用单波长红外传感器，由于传感器加工工艺一致性问题，两个不同的红外传感器进行比值运算时会导致测温误差。
本装置采用双层红外传感器作为红外测温仪的核心检测元件，双层红外传感器也称为复合红外传感器，它是热探测器的一种，制造时将两个传感器叠加在一起，采用PN形式结合，封装在一个传感器壳体中。双层硅传感器就是将硅传感器A叠加到硅传感器B上面，传感器A和传感器B分别响应不同的红外辐射波段，且传感器A可透过传感器B所响应的波段，由传感器A和传感器B分别引出两条信号线，再由后续电路实现进一步运算处理。双层硅传感器选择的两个红外波长分别是0.3-1.0um、1.0-1.1um，双层铟镓砷传感器的红外波长是1.3-1.7um、1.7-1.9um，可以看出铟镓砷传感器响应波长较长，适合测量低温区域。
本装置采用两个双层红外传感器，双层铟镓砷传感器测量200到1600摄氏度，双层硅传感器测量1600到3000摄氏度，测温范围扩展一倍，从而实现200至3000摄氏度宽范围双波长测温。
本装置的整体工作情况如图3所示，测温仪通过双层红外传感器将物体发出的红外辐射能量转换为微弱的电信号，由高速运算放大器实现信号放大，由两片多路开关芯片实现四个不同红外波段信号的二选一操作，然后将两路相邻波长的红外信号送到高精度A/D转换芯片实现模数转换，FPGA接收两个波长的数字信号进行比值运算、滤波处理后计算出物体温度，FPGA将温度送液晶显示，同时将数据传给D/A转换芯片，通过4-20mA工业电流标准实现温度数据的远距离传输。
前向通道也就是模拟处理电路对于保证测温精度也是非常重要的，下面对本装置前向通道主要芯片作一简单介绍。
本装置中运放芯片使用MAX4491，该芯片可响应10MHz高速信号、高压摆率、满摆幅输入输出、采用超小SC70封装，放大性能优良、单芯片8引脚内包含双路运放、占用空间小，适合与传感器一起封装到恒温腔体中。
本装置中多路开关芯片使用ADG839，它是一款低压CMOS二选一多路开关，内置一个单刀双掷开关，该器件具有小于0.6Ω的超低导通电阻，额定电源电压为1.8V、2.5V和3.3V。
A/D转换芯片型号为CS5532，它是一种具有极低噪音的、双通道Δ-Σ型模拟/数字转换器，由于其采用电荷平衡技术和可编程增益的斩波稳定测量放大器，可得到高达24位分辨率的输出结果，检测精度可达0.3uV，高精度、宽动态范围，是其它类型模数转换器所无法比拟的。
为了解决温度漂移问题，提高测温精度，所述信号检测部分的两个双层红外传感器、半透镜和运放芯片封装于金属腔体内，将金属腔体密封后在其外表面设置半导体制冷块和数字温度传感器，由所述FPGA通过数字温度传感器检测金属腔体温度，并控制半导体制冷块将金属腔体加热或制冷，使金属腔体内的两个双层红外传感器保持恒温，红外传感器恒温在最佳工作温度，从根源上解决温飘问题，测温精度可达0.1摄氏度，恒温部分工作原理如图4所示，所述金属腔体的材料为铜。
恒温部分核心是半导体制冷，所述半导体制冷块的工作电源由开关电源芯片提供，开关电源芯片的输出电压VOUT＝VREF*(1+R1/R2)，其中VREF＝1.22V，固定电阻R1＝10K欧姆，R2即数字电位器为100K欧姆的可调电阻，开关电源芯片和半导体制冷块之间设有继电器；所述FPGA通过数字温度传感器检测到金属腔体温度后，与设定温度比较，调节数字电位器的阻值，越接近设定温度数字电位器的输出阻值R2越大，输出电压VOUT也就越低，半导体制冷块工作电流越小，从而平滑恒温。
所述半导体制冷的工作原理是P型半导体材料和N型半导体材料组成热电堆，接通直流电源后会在一端制冷一端散热，将制冷面安装在恒温腔体上，散热面通过风扇和散热片将多余热量散发出去，改变直流电的极性即可实现对恒温腔体加热。半导体制冷具有无制冷剂、加热制冷灵活、体积小等优点，应用在红外测温仪中是非常适宜的。
使用数字温度传感器ADT7301检测恒温腔体温度，这是一种13位的数字温度转换器，检测范围-40到+150摄氏度，精度和测温范围满足恒温部分工作要求；ADT7301使用6引脚SOT-23封装，体积小巧；它配有一个灵活的串行接口，由FCS、FSCLK、FDIN及FDOUT四线构成，与FPGA通信方便。
半导体制冷块工作电流需要1A以上，普通的线性稳压电源芯片如LM317、LT1084等，它们工作时需要将多余的功率转换为热量通过散热管脚散发出去。当工作电流1A时，线性稳压芯片工作所需的散热块尺寸会达到芯片自身大小的数十倍甚至上百倍，无法实现产品小型化。本装置选用开关电源芯片TPS5430作为半导体制冷块的工作电源，TPS5430是一款性能优越的DC/DC开关电源转换芯片，输入电压范围5.5V到30V，输出电压最低可调至1.22V，输出峰值电流为4A；该开关芯片使用固定500KHz转换频率，转换效率可达95％；采用高度可靠的散热增强型8引脚HSOIC封装，体积小，散热性能优良。
TPS5430输出电压VOUT＝VREF*(1+R1/R2)，其中VREF＝1.22V，固定电阻R1＝10K欧姆，R2为100K欧姆的可调电阻，当R2在3.3K欧姆到100K欧姆变化时，TPS5430输出电压VOUT为1.342V到4.92V，直流电加到半导体制冷块，工作电流从几十mA到2A之间变化，电压越高会导致电流越大，半导体制冷块的加热制冷速度也就越快。
为实现可调电阻R2的程序控制，采用100K的数字电位器AD5160作为电阻R2，数字电位器是一种代替传统机械电位器的CMOS芯片。AD5160提供SPI兼容引脚PCS、PSCLK、PSDI，FPGA通过这几个引脚对AD5160设置，使其产生3.3K欧姆到100K欧姆的可变电阻，从而调节开关电源芯片TPS5430的输出电压VOUT。
在TPS5430和半导体制冷块之间加上继电器，FPGA通过数字温度传感器ADT7301检测到恒温腔体温度后，与最佳工作温度25摄氏度比较，控制继电器线圈高低电平。若高于25摄氏度，半导体制冷块对恒温腔体制冷；若低于25摄氏度，则半导体制冷块对恒温腔体加热。根据与最佳温度的接近程度，调节数字电位器AD5160的阻值，越接近25摄氏度，AD5160的输出阻值R2越大，开关芯片TPS5430输出电压VOUT也就越低，半导体制冷块工作电流越小，从而平滑恒温，实现制冷、加热效率的精细化控制。
本装置中，核心功能温度测量、恒温控制均由500万门的大容量FPGA芯片EP4CE22F17C8N实现，其内部功能如图5所示，所述信号处理部分的FPGA包括时钟分频模块、A/D转换驱动模块、温度计算模块、液晶显示驱动模块、D/A转换驱动模块、恒温腔体测温驱动模块、加热制冷控制模块、数字电位器驱动模块，其中：
①时钟分频模块的主要功能是输入50M时钟，产生25分频时钟2MHz和5分频时钟10MHz。时钟分频模块的输入时钟CLK50M来自50M的有源晶振，时钟输出端CLKA连到A/D转换驱动模块、温度计算模块、液晶显示驱动模块、D/A转换驱动模块的时钟输入端。时钟分频模块根据50M晶振上升沿工作，每出现一次上升沿，五位计数总线加一，加到24后计数总线清零，计数总线最高位就是所需要的时钟CLKA。
CLKA＝CLK50M/25＝2MHz
时钟分频模块的另一个时钟输出端CLKB是恒温部分各芯片的工作时钟，产生方法与CLKA类似。
CLKB＝CLK50M/5＝10MHz
②A/D转换驱动模块的作用是产生A/D转换芯片CS5532所需要的片选信号ACS、串行时钟ASCLK、串行数据ASDI，根据CS5532转换完成的数字信号ASDO，解析出两个红外波长的数字信号InfrA[23..0]和InfrB[23..0]，A/D转换驱动模块的输入时钟为CLKA，来自时钟分频模块，频率为2MHz。
A/D转换驱动模块的工作过程描述如下：首先以CLKA为时钟，进行模60计数，产生计数总线CLKACount[5..0]；接下来判断CLKACount[5..0]的数值，当CLKACount[5..0]>＝10且CLKACount[5..0]<50时，片选信号ACS为0，其余任何计数状态ACS均为1，这样保证在每60个CLKA时钟周期内，有40个CLKA时钟周期可以进行A/D转换。片选信号ACS反相后与输入时钟CLKA进行与运算，就可以产生A/D转换串行时钟ASCLK。
ASCLK＝CLKA and(not ACS)
FPGA通过ASDI引脚对A/D转换芯片CS5532的配置寄存器进行设置，串行数据ASDI写一次0x80，通道一进行模数转换，ASDI写一次0x90，通道二进行模数转换，下面以通道二为例说明如何产生ASDI和解析ASDO。
首先将CLKACount总线延迟半个时钟周期，产生CLKACount2计数总线；接下来当CLKACount2[5..0]＝10或13时，串行数据ASDI为1，其余任何计数状态ASDI均为0，这样当计数总线CLKACount2[5..0]从10到17时，ASDI的串行比特流就是10010000，也就是十六进制的0x90。
A/D转换芯片CS5532收到0x90命令后，当计数总线CLKACount2[5..0]从18到41时，将模拟电压转换成数字信号在ASDO数据线上依次串行出现。FPGA使用条件译码语句判断ASDO数据，为保证运行稳定，采用同步电路，在时钟ASCLK上升沿时判决数据ASDO，工作过程描述如下：
当CLKACount2[5..0]＝18时，InfrBS(23)＝ASDO(并行码最高位)；
当CLKACount2[5..0]＝19时，InfrBS(22)＝ASDO；
当CLKACount2[5..0]＝20时，InfrBS(21)＝ASDO；
以此类推，
当CLKACount2[5..0]＝41时，InfrBS(0)＝ASDO(并行码最低位)；
由于根据计数总线值提取数据存在转换过程，并行码InfrBS[23..0]在不断变化，因此在计数总线CLKACount2[5..0]＝42时将其锁存，产生最终的波长数据InfrB[23..0]，另一路波长数据InfrA[23..0]的产生过程类似。
图6是A/D转换的波形仿真图，非常清晰的描述了A/D转换信号生成过程。FPGA根据输入时钟CLKA，从图6中可以看出，当计数总线CLKACount2[5..0]从10到17时，串行数据线ASDI上出现0x90数据；计数总线CLKACount2[5..0]从18到41时，ASDO上依次出现串行比特流110010010000110000000011，转换完成的波长数据并行码InfrB[23..0]＝13175811，两者完全一致。根据CS5532满量程5V，24位分辨率，对应的红外模拟电压为3926.6977mV。
③温度计算模块是根据来自A/D转换驱动模块的波长数据InfrA[23..0]和InfrB[23..0]，来自时钟分频模块的输入时钟CLKA，计算InfrA/InfrB，将比值结果滤波处理，在200至3000摄氏度温度范围进行线性运算，最终计算出物体当前温度ObjTem[15..0]。
④液晶显示驱动模块是根据来自时钟分频模块的输入时钟CLKA，以及来自温度计算模块的温度数据ObjTem[15..0]，输出TFT液晶的控制信号DB[15..0]、LCDCS、LCDRST、LCDWR、LCDRD，将物体温度在液晶上显示。
⑤D/A转换驱动模块是根据来自时钟分频模块的输入时钟CLKA，以及来自温度计算模块的温度数据ObjTem[15..0]，输出可以驱动D/A转换芯片的时钟DACLK、数据DAData和锁存信号DALatch，将温度数据通过4-20mA工业电流标准实现远距离传输。
⑥恒温腔体测温驱动模块的作用是产生数字温度传感器ADT7301所需要的片选信号FCS、串行时钟FSCLK、串行数据FDIN，数字温度传感器ADT7301用于检测恒温腔体温度，根据ADT7301检测到的串行温度数据FDOUT，解析出恒温腔体当前温度EnviTem[15..0]，恒温腔体测温驱动模块的输入时钟为CLKB，来自时钟分频模块，频率为10MHz。
恒温腔体测温驱动模块的工作过程描述如下：首先以CLKB为时钟，进行模64计数，产生计数总线CLKBCount[5..0]；接下来判断CLKBCount[5..0]的数值，当CLKBCount[5..0]>20且CLKBCount[5..0]<37时，片选信号FCS为0，其余任何计数状态FCS均为1，这样保证在每64个CLKB时钟周期内，有16个CLKB时钟周期可以进行温度检测。片选信号FCS反相后与输入时钟CLKB进行与运算，就可以产生ADT7301的工作时钟FSCLK。
FSCLK＝CLKB and(not FCS)
当片选信号FCS低电平有效时，数字温度传感器ADT7301将检测到的温度在FDOUT数据线上依次串行出现，FPGA使用条件译码语句判断FDOUT数据，描述如下：
当CLKBCount[5..0]＝21时，EnviTem(15)＝FDOUT(并行码最高位)；
当CLKBCount[5..0]＝22时，EnviTem(14)＝FDOUT；
当CLKBCount[5..0]＝23时，EnviTem(13)＝FDOUT；
以此类推，
当CLKBCount[5..0]＝36时，EnviTem(0)＝FDOUT(并行码最低位)；
图7是恒温腔体测温芯片驱动的波形仿真图，从图7中可以清楚看出在片选信号FCS低电平有效期间，包含16个FSCLK时钟周期，这时计数总线CLKBCount[5..0]从21到36变化。串行温度数据FDOUT为0000001111000000，转换为十进制为960，ADT7301的分辨率为0.03125摄氏度，因此当前温度为960*0.03125＝30摄氏度，与EnviTem[15..0]引脚波形仿真的结果完全一致。
⑦加热制冷控制模块是根据来自恒温腔体测温驱动模块的温度数据EnviTem[15..0]，来自时钟分频模块的输入时钟CLKB，以CLKB为同步电路基准时钟，将EnviTem[15..0]和红外传感器最佳工作温度25摄氏度比较，若高于25摄氏度，加热制冷控制模块的输出引脚HCSet为高电平，控制半导体制冷块制冷；若低于25摄氏度，输出引脚HCSet为低电平，控制继电器，使半导体制冷块直流电源反转，从而工作于加热状态。
⑧数字电位器驱动模块的作用是根据来自恒温腔体测温驱动模块的温度数据EnviTem[15..0]，来自时钟分频模块的输入时钟CLKB，产生数字电位器AD5160所需要的片选信号PCS、串行时钟PSCLK、串行数据PSDI。
FPGA通过PCS、PSCLK、PSDI引脚对AD5160设置，使其产生3.3K欧姆到100K欧姆的可变电阻，从而调节开关电源芯片TPS5430的输出电压VOUT。根据与最佳工作温度25摄氏度的接近程度，FPGA输出不同数据调节数字电位器AD5160的电阻值，越接近25摄氏度，AD5160的输出阻值R2越大，开关芯片TPS5430输出电压VOUT也就越低，半导体制冷块工作电流越小，从而平滑恒温，实现制冷、加热效率的精细化控制。数字电位器AD5160是SPI接口，控制程序实现过程与A/D转换芯片CS5532完全类似，只需要开始处加一段当前温度EnviTem[15..0]与最佳工作温度的差值运算程序即可。
本具体实施方式光学系统基于半透镜实现，同时使用双层硅传感器和双层铟镓砷传感器，应用半导体制冷原理使红外传感器和运放核心芯片在恒温环境工作，可实现宽范围高精度红外双色测温。
因此，本发明具有数据处理速度快、应用范围广、测温精度高、抗水汽干扰能力强等特点，可用于各种工业恶劣环境，特别适用于冶金、化工、水泥、光伏等各种工业场合。
Claims (7)
1.一种基于多传感器的宽范围高精度红外双色测温仪，其特征在于，包括信号检测和信号处理两个部分，其中：
信号检测部分，包括两个双层红外传感器和一个半透镜，所述两个双层红外传感器分别是双层硅传感器和双层铟镓砷传感器，利用半透镜的能量半透射半反射原理，50％的红外能量透射到双层硅传感器，50％的红外能量反射到双层铟镓砷传感器；该两个双层红外传感器将物体发出的红外辐射能量转换为电信号，分别通过运放芯片实现信号放大，由两片多路开关实现四个不同红外波段信号的二选一操作，然后将两路相邻波长的红外信号输入信号处理部分；
信号处理部分，包括A/D转换芯片和FPGA，A/D转换芯片接收所述两路相邻波长的红外信号并进行模数转换，FPGA接收A/D转换芯片输出的两个波长的数字信号进行比值运算、滤波处理后计算出物体温度，FPGA将温度送液晶显示，同时将数据传给D/A转换芯片，通过4-20mA工业电流标准实现温度数据的远距离传输。
2.根据权利要求1所述的基于多传感器的宽范围高精度红外双色测温仪，其特征在于，所述双层硅传感器的测量温度为1600到3000摄氏度，双层铟镓砷传感器的测量温度200到1600摄氏度。
3.根据权利要求1所述的基于多传感器的宽范围高精度红外双色测温仪，其特征在于，所述半透镜在近红外波段0.3～2.1μm，透射T:反射R＝50％:50％，物体发出的红外辐射入射角度为45°，所述两个双层红外传感器距离该半透镜中心的距离均为25mm。
4.根据权利要求1所述的基于多传感器的宽范围高精度红外双色测温仪，其特征在于，所述信号检测部分的两个双层红外传感器、半透镜和运放芯片封装于金属腔体内，将金属腔体密封后在其外表面设置半导体制冷块和数字温度传感器，由所述FPGA通过数字温度传感器检测金属腔体温度，并控制半导体制冷块将金属腔体加热或制冷，使金属腔体内的两个双层红外传感器保持恒温。
5.根据权利要求4所述的基于多传感器的宽范围高精度红外双色测温仪，其特征在于，所述金属腔体的材料为铜。
6.根据权利要求4所述的基于多传感器的宽范围高精度红外双色测温仪，其特征在于，所述半导体制冷块的工作电源由开关电源芯片提供，开关电源芯片的输出电压VOUT＝VREF*(1+R1/R2)，其中VREF＝1.22V，固定电阻R1＝10K欧姆，R2即数字电位器为100K欧姆的可调电阻，开关电源芯片和半导体制冷块之间设有继电器；
所述FPGA通过数字温度传感器检测到金属腔体温度后，与设定温度比较，调节数字电位器的阻值，越接近设定温度数字电位器的输出阻值R2越大，输出电压VOUT也就越低，半导体制冷块工作电流越小，从而平滑恒温。
7.根据权利要求6所述的基于多传感器的宽范围高精度红外双色测温仪，其特征在于，所述信号处理部分的FPGA包括时钟分频模块、A/D转换驱动模块、温度计算模块、液晶显示驱动模块、D/A转换驱动模块、恒温腔体测温驱动模块、加热制冷控制模块、数字电位器驱动模块，其中：
时钟分频模块的输入时钟来自50M的有源晶振，时钟输出端CLKA连接到A/D转换驱动模块、温度计算模块、液晶显示驱动模块、D/A转换驱动模块的时钟输入端，另一个时钟输出端CLKB是恒温部分即加热制冷控制模块、数字电位器驱动模块的工作时钟；
A/D转换驱动模块的作用是产生A/D转换芯片所需要的片选信号ACS、串行时钟ASCLK、串行数据ASDI，根据A/D转换芯片转换完成的数字信号ASDO，解析出两个红外波长的数字信号InfrA[23..0]和InfrB[23..0]，A/D转换驱动模块的输入时钟为CLKA，来自时钟分频模块，频率为2MHz；
温度计算模块根据来自A/D转换驱动模块的红外波长的数字信号InfrA[23..0]和InfrB[23..0]，来自时钟分频模块的输入时钟CLKA，计算出物体当前温度ObjTem[15..0]；
液晶显示驱动模块根据来自时钟分频模块的输入时钟CLKA，以及来自温度计算模块的温度数据ObjTem[15..0]，输出TFT液晶的控制信号DB[15..0]、LCDCS、LCDRST、LCDWR、LCDRD，将物体温度在液晶上显示；
D/A转换驱动模块根据来自时钟分频模块的输入时钟CLKA，以及来自温度计算模块的温度数据ObjTem[15..0]，输出驱动D/A转换芯片的时钟DACLK、数据DAData和锁存信号DALatch，将温度数据通过4-20mA工业电流标准实现远距离传输；
恒温腔体测温驱动模块的作用是产生所述金属腔体外表面数字温度传感器所需要的片选信号FCS、串行时钟FSCLK、串行数据FDIN，根据数字温度传感器检测到的串行温度数据FDOUT，解析出恒温金属腔体当前温度EnviTem[15..0]，恒温腔体测温驱动模块的输入时钟为CLKB，来自时钟分频模块，频率为10MHz；
加热制冷控制模块根据来自恒温腔体测温驱动模块的温度数据EnviTem[15..0]，来自时钟分频模块的输入时钟CLKB，将EnviTem[15..0]和金属腔体内的双层红外传感器所设定温度进行比较，若高于设定温度，加热制冷控制模块的输出引脚HCSet为高电平，控制半导体制冷块制冷；若低于设定温度，输出引脚HCSet为低电平，控制继电器使半导体制冷块直流电源反转，从而工作于加热状态；
数字电位器驱动模块的作用是根据来自恒温腔体测温驱动模块的温度数据EnviTem[15..0]，来自时钟分频模块的输入时钟CLKB，产生数字电位器所需要的片选信号PCS、串行时钟PSCLK、串行数据PSDI，通过改变半导体制冷块的工作电压，从而实现对制冷、加热程度的控制。
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Granted publication date: 20190507 Termination date: 20201009 |
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