一種新型非接觸性常溫測量技術(shù)的研究

任國仲 張中興 趙冠宗

【摘 要】非接觸紅外測溫是當(dāng)前溫度測量方面主流的測量方法，由于其具有測量范圍寬、相應(yīng)速度快、精度高等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。但是采用紅外輻射法對常溫下動態(tài)物體的溫度進行測試是極其困難的。針對目前紅外測溫技術(shù)的研究現(xiàn)狀，本文在致冷參考溫度比較法的基礎(chǔ)上提出了一種新的非接觸常溫測量方法，并采用最小二乘法、模糊PID控制等軟件算法對溫度進行補償。通過模擬實驗結(jié)果表明，新型測溫方法不僅能夠克服測量溫差過小時產(chǎn)生的信噪比很小的問題，而且還能補償由于環(huán)境溫度變化等因素產(chǎn)生的測量誤差，極大提高了溫度的測量精度。

【關(guān)鍵詞】非接觸性測溫；半導(dǎo)體致冷；相關(guān)檢測；溫度補償

中圖分類號： TH811 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）16-0173-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.078

【Abstract】non-contact infrared temperature measurement is the most popular measurement method in temperature measurement. It is widely used in various fields because of its wide measurement range， high speed and high precision. However， it is extremely difficult to test the temperature of dynamic objects at room temperature by infrared radiation method. In view of the current research status of infrared temperature measurement technology， a new non-contact temperature measurement method is proposed based on the reference temperature comparison method for cooling， and the temperature is compensated by software algorithms such as least square method and fuzzy PID control.

【Key words】Non-contact temperature measurement； Semiconductor cooling； Relevant testing； Temperature compensation

0 前言

溫度的測量分為接觸性和非接觸性兩種方式，傳統(tǒng)的溫度測量如熱電偶、熱電阻測溫等都是采用接觸式測量，這些測試溫度的方法主要應(yīng)用于傳統(tǒng)的場合。隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)等行業(yè)的迅速發(fā)展，對溫度測量的要求也越來越高。在某些情況下，對溫度的測量已經(jīng)成為生產(chǎn)中的主要矛盾，比如在不停機的狀況下對電力設(shè)備、生產(chǎn)設(shè)備等進行溫度測量；發(fā)生傳染性疾病時，在機場的以及車站等重要位置需要對人體的溫度進行無接觸測量等這些都溫度的測量提出了更高要求。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，性價比更高，精度更高的非接觸溫度測試方法已經(jīng)成為人們溫度測量的主流手段。

非接觸性溫度測試多采用紅外測溫，但是現(xiàn)在的紅外測溫技術(shù)還有一定的不足，主要有以下三點：（1）一般的紅外探測器只能對動態(tài)的紅外輻射進行采集，而對恒定的輻射沒有響應(yīng)，因此技術(shù)上的缺陷限制了紅外測溫的場合。在工業(yè)生產(chǎn)過程中設(shè)備一般都是靜止的或者變化不大，所以還要對紅外輻射進行調(diào)試；（2）紅外測溫儀的測量范圍一般都是在高溫，對低溫和常溫下的物體測量極其困難；（3）光學(xué)系統(tǒng)發(fā)展的不完善限制了光學(xué)濾波和測量距離，無法滿足一些特定場合的測溫要求。針對上述紅外測溫的不足，本文研究了新型的非接觸性常溫測試方法。本方法適用于常低溫情況下非接觸動態(tài)測溫，且測量較快、測試精度高，對社會的發(fā)展具有一定的推動意義。

1 非接觸性常溫測量系統(tǒng)的硬件設(shè)置

由于現(xiàn)在的技術(shù)只能對高溫進行測量，對低溫的測量極其困難，為了獲得在工業(yè)生產(chǎn)中在低溫常溫下動態(tài)物體的溫度，本系統(tǒng)采用熱釋電紅外探測器，在致冷參比采集溫度的基礎(chǔ)上，將采集的信號導(dǎo)入到未處理器中進行數(shù)據(jù)處理，從而對低溫常溫下動態(tài)物體的溫度進行測量。非接觸性常溫測量系統(tǒng)的硬件設(shè)置主要由九個部分組成：微處理器部分；參比溫度信號收集分析部分；紅外溫度信號采集部分；紅外強弱控制部分；半導(dǎo)體致冷調(diào)控部分；鍵盤控制與信息顯示電路；電源回路；工作狀態(tài)顯示電路；E2PROM擴展環(huán)形電路。具體的工作原理為：運動零件在被檢測到后在平常溫度下進行旋轉(zhuǎn)并向外散發(fā)紅外信號，在測溫裝置的外部有一個窗口，紅外信號就從這個窗口進入到設(shè)備的內(nèi)部。半導(dǎo)體致冷設(shè)備的設(shè)置為右側(cè)極冷，均衡塊感受到左側(cè)傳來的低溫后立即向外輻射相應(yīng)的紅外信號。在整個系統(tǒng)當(dāng)中，我們將熱釋電敏感元件和聚焦透鏡進行機械連接，透鏡可以由單片機進行控制并繞著軸心作微擺運動。透射鏡在擺動的過程中正好可以使從窗口輻射進來的被測零件的常溫紅外信號和溫度均衡塊輻射來的參比溫度紅外信號輪流聚集在熱敏元件上。這樣，熱敏感元件就可以很好的對常溫下的物體紅外信號和致冷紅外信號進行對比。除此之外，系統(tǒng)的電源是由外部的電源模塊提供。整體系統(tǒng)的外殼由一個不透明的箱體，其作用主要是阻止外來的光線進入到箱內(nèi)干擾模擬黑體輻射，提高測試精度。

2 參比溫度的模糊PID控制原理與實現(xiàn)

對于PID系統(tǒng)的設(shè)計，參數(shù)的設(shè)置和選擇非常重要。當(dāng)今時代，工業(yè)生產(chǎn)中的大部分被控對象一般都具有非線性、參數(shù)時變性和模型不確定性這三個特點。如果用常規(guī)的辦法，用計算機對PID的參數(shù)進行修改和確定很難起到良好的控制效果。如果要提高PID控制器的在調(diào)整功能，就需要完善PID控制器的自適應(yīng)功能。針對這種情況我們提出了一種基于模糊算法理論和PID控制相結(jié)合，用模糊控制器對主要三個參數(shù)Kp、Ki、Kd進行規(guī)劃調(diào)整。這種控制的響應(yīng)特征強與普通的PID控制器，而且擁有很好的魯棒性。在對模糊控制器的參數(shù)調(diào)試過程中，對輸入量進行模糊化、模糊推理、解讀模糊后確定準(zhǔn)確的輸出量Kp、Ki、Kd后，使用模糊計算理論對這些輸出量調(diào)整到最佳控制效果。經(jīng)過這些調(diào)整以后，解決了PID控制器對參數(shù)自調(diào)整適應(yīng)的特點，使得PID控制器對常溫下的物體測試具有很強的適應(yīng)性，使得系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中對得到了廣泛的應(yīng)用。

3 非接觸性常溫測量系統(tǒng)的軟件設(shè)置

在對系統(tǒng)的硬件進行設(shè)置以后，為了完整的實現(xiàn)系統(tǒng)的測溫功能，對軟件進行調(diào)整設(shè)計是必不可少的。軟件主要扮演的角色主要是對溫度的信號進行數(shù)據(jù)處理、對溫度的補償進行估算、致冷參考溫度的控制、數(shù)碼管溫度的顯示、循環(huán)工作狀態(tài)指示等。所有的軟件必須經(jīng)過一定的計算機語言設(shè)計按照一定的時序關(guān)聯(lián)起來。

在第2節(jié)中描述的硬件基礎(chǔ)上，非接觸紅外測試溫度的采集收集還需要結(jié)合一定的軟件程序才能實現(xiàn)。采集過程中的軟件程序是一個中斷性的服務(wù)程序，接通電源后由開端產(chǎn)生正弦波電流然后向單片機發(fā)出中斷指令信號，單片機收到信號后就會進入中斷采集服務(wù)系統(tǒng)。正弦交流電信號的作用是控制透射鏡光學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動，其中正弦交流電信號和弱信號相關(guān)檢測的參考信號是同步的，這樣才能對低溫動態(tài)運動物體產(chǎn)生的紅外輻射信號進行采集，完成這個功能是編寫的程序?qū)崿F(xiàn)的。單片機通過I/O接口收集紅外信號并將其與零點信號進行對比，確定信號的變化趨勢后通過編程輸出相關(guān)參數(shù)檢測的指令信號，隨后用A/D轉(zhuǎn)換程序或得換算值，將數(shù)據(jù)進行處理然后得到低溫動態(tài)物體與參考致冷區(qū)的溫度差并得到低溫動態(tài)物體的實時溫度。

在對低溫動態(tài)物體的溫度進行測量的過程中，測溫系統(tǒng)所在的環(huán)境溫度是一直變化的。根據(jù)資料顯示，當(dāng)外界溫度變化，而待測物體和熱釋電晶體溫度的差額保持不變的時候，熱釋電檢測器產(chǎn)生的輸出信號也會隨之改變。根據(jù)熱釋電晶體輸出電流公式顯示，晶體熱釋電的洗漱隨著溫度的改變而改變。為了消除由于外界環(huán)境溫差變化帶來的計算誤差，我們采取的措施是將熱釋電晶體的溫度環(huán)節(jié)忽略，僅測量被測物體和參考溫度之間的差值。但是由于外界環(huán)境溫差變化帶來的計算誤差仍然存在，在系統(tǒng)標(biāo)定一個值的時候，外界環(huán)境的溫度是T，但實際測溫的時候外界的環(huán)境溫度會變成T，，溫度的變化是引起系數(shù)變化的主要原因。

對于不同種類的熱釋材料，熱釋系數(shù)和溫度變化服從的關(guān)系函數(shù)是不一樣的，但是都可以用一個通用的函數(shù)表達式P=f（r）表示。將材料選好之后，熱釋系數(shù)的溫度函數(shù)就基本可以確定，為了消除外界溫度變化引起的誤差，我們根據(jù)不同的函數(shù)編算不同的軟件計算方法進行校正與補償。

4 模擬系統(tǒng)調(diào)試和實驗結(jié)果分析

模擬實驗是為了驗證設(shè)計的系統(tǒng)對低溫動態(tài)物體溫度測試的準(zhǔn)確性，因此嗎，模擬實驗的設(shè)計主要包括系統(tǒng)硬件原理圖設(shè)計、系統(tǒng)軟件原理圖設(shè)計和制作系統(tǒng)實物的PCB電路連接設(shè)計。在對系統(tǒng)硬件電路的檢測過程中，本文采用了比較前言功能齊全的EDA軟件Prote199SE作為元件設(shè)計、原理圖設(shè)計、PCB電路設(shè)計、模擬數(shù)字部分仿真分析的工具。Prote199SE作為一種檢測軟件是一種基于Windows的完全64位EDA設(shè)計系統(tǒng)的軟件，它是以設(shè)計管理和協(xié)作技術(shù)為核心的全面電路板設(shè)計系統(tǒng)。它的優(yōu)點主要有：方便靈活的編輯功能、強大全面的自動化設(shè)計、完善的庫管功能以及優(yōu)良的兼容性和可擴展性。

紅外溫度的信號采集主要是針對非接觸溫度的輻射信號進行采集，本文對信號的調(diào)試重點是紅外探測回路中熱釋電探測器的選擇、調(diào)制紅外信號的獲取以及對紅外輻射信號的處理。溫度測量的精確度由熱釋電傳感器的和工作的環(huán)境決定，因此，我們把熱釋傳感器的元數(shù)和工作環(huán)境的溫度作為重中之重，為了避免外界的光線照射進箱子里影響實驗結(jié)果，我們將系統(tǒng)安裝在一個不透明的箱子當(dāng)中。另外，測試的距離對測溫的精準(zhǔn)度也有很大的影響，為了提高測量的精準(zhǔn)度，被測物體與探測器的具體保持不變。

在新型非接觸測溫方法的設(shè)計過程中，致冷參比測量方法是本文研究和測溫實驗的關(guān)鍵部分。致冷電源決定著致冷參考溫度的獲得性，控制電源的優(yōu)劣程度直接影響著新型非接觸測溫方法的準(zhǔn)確性。在模擬過程當(dāng)中，采取對電源進行開關(guān)的方式進行實驗。在本文研究提出的新控制思想的基礎(chǔ)上安置調(diào)控電源開關(guān)。在整個模擬系統(tǒng)當(dāng)中，利用Pt100實時測量致冷片的溫度作為控制變量，通過單片機采集數(shù)據(jù)進行比較厚輸出信號控制數(shù)字電位器的電阻變化，調(diào)節(jié)致冷電源的輸出電壓。針對測試過程中的軟件、硬件以及系統(tǒng)的總體測試，本文對存在的不足進行了一一調(diào)整，但是由于篇幅原因，在這里不一一贅述。

5 結(jié)論

非接觸紅外測溫技術(shù)雖然在工業(yè)生產(chǎn)方面得到了廣泛的應(yīng)用，但是在測試低溫動態(tài)物體溫度的領(lǐng)域內(nèi)進行溫度的測試還是非常有限的。本文針對國內(nèi)外非接觸測溫方法的研究現(xiàn)狀，對各國的成果進行趨勢分析，提出了一種新的溫度測量方法。在方法的設(shè)計過程中，主要從硬件和軟件量方面下手，大幅度的提高測溫范圍、提高測量精度，并做了大量的模擬實驗，對存在的不足之處進行了調(diào)整，本研究對低溫動態(tài)物體溫度測量的工業(yè)應(yīng)用具有重大意義。

【參考文獻】

[1]羅勝彬，宋春華，韋興平，李航.非接觸測量技術(shù)發(fā)展研究綜述[J].機床與液壓，2013，41（23）：150-153.