智能紅外測溫儀研究

摘 要：針對普通點式紅外測溫儀自動化、智能化程度較低，不能滿足越來越高的生產需求的問題，提出一種新的結構，通過安裝CCD，結合機械云臺機構，利用圖像配準技術，對原有的普通點式紅外測溫儀系統進行改進，從而提高系統的自動化、智能化。實驗證明，該種方法不僅大大彌補了原有的缺點，滿足了生產需要，且成本低廉，利于紅外測溫技術的推廣應用。
一、引言
紅外測溫技術與傳統測溫技術相比有巨大的優越性，因此在很多工業生產過程如電力系統、冶金系統中得到了廣泛應用。紅外測溫產品有著廣闊的應用前景。
目前紅外測溫產品主要有兩類：點式紅外測溫儀和面式紅外測溫儀。面式紅外測溫儀即紅外熱像儀。現在點式紅外測溫儀就其測溫性能及其輔助功能上來說不如紅外熱像儀，主要缺點如下：
（1）遠距離、小目標難以對準，人為因素影響較大，從而影響測溫精度；
（2）測溫結果不利于保存分析，限于局部沒有全局效果，從而有時不利于發現問題；
（3）不利于遠程遙控，自動化、智能化程度較低。
由于紅外熱像儀價格昂貴，國產產品價格在20～30萬左右，進口產品價格更是在70～80萬左右， 這大大限制了它的推廣應用，而點式紅外測溫儀價格只有一兩萬元左右。就測溫精度來說，點式紅外測溫儀和紅外熱像儀相比精度相當，并且很多應用場合精度要求也不是很高。可不可以采取一定措施彌補其缺點，而又不太大的增加其成本呢？文中就力圖解決這一問題！
二、紅外測溫基本原理
物體紅外輻射能量的大小及波長的分布與其表面溫度有著十分密切的關系。因此，通過對物體自身紅外輻射的測量，便能準確地確定它的表面溫度，紅外測溫儀就是利用這一原理來檢測溫度的。
在實際測量中，由于所測量的波長范圍不同，有不同的測溫方法和測溫儀器，下面以常用的全輻射測溫法為例介紹其原理：
設物體的真實溫度為T，發射率為ε，則測量該物體的總輻射率時，儀器輸出電信號為：
Vi＝CεσT 4 （1）
C屬于儀器的系統，包括探測器的響應率、電子線路的增益；σ為波光茲曼常數。
推導出：

用此法測得的溫度T即為物體的輻射溫度，它是根據測量波長從零到無限大整個光譜范圍的物體的總輻射功率所測得的溫度。
三、系統結構圖
為實現紅外測溫儀的自動化和智能化，采用如圖1所示的結構。

（1）采用步進電機控制的機械云臺結構，適應了工業系統遠程遙控、無人值守的發展要求。這一裝置可通過上位機遠程遙控，自動將測溫系統對準被測目標，實現全方位360°自由轉動及上下俯仰角度的調整，并可將特定測溫點的位置存儲在單片機里，從而實現對該測溫點的記憶功能，以便下一次對該點能自動測溫；
（2）加上CCD結構可以將被測點及周圍圖像用監視器顯示出來，通過調整其焦距把遠距離的小目標 點拉近，用可視的方法提高光學系統與測溫點的對準度，從而提高測溫精度，同時便于提高系統的智能化及功能的拓展；
（3）信號處理結果可以通過網絡傳輸，進行遠程測溫或集中處理，利用實時監控及中央控制。
四、系統關鍵技術
1、光學系統設計
光學系統起到收集紅外輻射并將其聚焦到紅外探頭上的作用，由于紅外信號相對來說比較微弱，光學系統所收集到的紅外信號的大小直接影響著測溫結果，因此要實現測溫儀精確測溫必須設計一個光路簡單、紅外輻射損失小的光學系統。
2、信號檢測電路
由于探測器輸出的電壓信號非常低（μV級），而信號噪聲則相對較大，所以設計與探測器噪聲相匹配的低噪聲放大器及如何在低信噪比的情況下檢測出微弱信號也是實現測溫功能的前提。
3、溫度補償技術
由于紅外的輻射能受很多因素的影響，如被測物體的黑度系數、雜散光和背景光、輻射路徑及大氣的衰減等，都會影響測溫精度，所以如何進行溫度補償，提高測溫精度也是實現紅外測溫所必須解決的問題。
4、圖像配準技術
由于測溫儀有時與熱物體距離較遠，步進電機也存在丟步現象，因此完全依靠記錄的目標點的位置很難實現光學系統與目標點的對準，如何充分利用視頻信號，提高光學系統與所測目標點的對準度，也是要考慮的 問題。
五、系統邏輯原理圖
整個系統主要由單片機控制，采用了Atmel公司的8515芯片，處理速度較快，功能也比較齊全。步進電機驅動芯片采用愛立信的PBM3960和PBL3771芯片。
系統電路如圖2所示。

六、結論
系統很大程度上彌補了普通點式紅外測溫儀的不足，極大提高了系統的自動化、智能化，節約了人力資源，同時成本大大降低，有利于紅外測溫技術的推廣應用。此外在有些場合中，還可將視頻圖像記錄下來，進行遠程監控，充分發揮CCD的效用。