非接觸式紅外溫度測量裝置在真空干燥箱中的測量及應(yīng)用

趙吉 吳明岳 宋鴿 李天然

（1.吉林省計量科學研究院 吉林省計量測試儀器與技術(shù)重點實驗室 ?吉林長春 ?130103; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2.吉林省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督中等職業(yè)學校 ?吉林長春 ?130000）

摘 ? 要：本文基于紅外熱電堆傳感器，將紅外非接觸式測溫技術(shù)用于對真空干燥箱內(nèi)的紅外溫度監(jiān)測研究。系統(tǒng)設(shè)計包括三通道紅外測溫光學系統(tǒng)及紅外探測器，數(shù)據(jù)采集及保存功能模塊，實現(xiàn)了三通道測溫功能。通過藍牙傳輸模塊實現(xiàn)了溫度的無線數(shù)據(jù)傳輸。利用設(shè)計的紅外測溫裝置，實現(xiàn)了對真空干燥箱內(nèi)實際溫度的實時監(jiān)測與校正，達到了實用要求。

關(guān)鍵詞：紅外 ?非接觸 ?熱電堆傳感器

中圖分類號：TP273 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）02（c）-0055-02

自從1800年英國物理學家赫歇爾發(fā)現(xiàn)紅外輻射的100多年以來，紅外技術(shù)的發(fā)展速度緩慢，直到20世紀40年代之后當代紅外技術(shù)才真正得出現(xiàn)，整套紅外輻射理論體系才被完整地總結(jié)出來[1-2]。

在諸多溫度測量的研究中，瞬態(tài)溫度測量往往是各國科學家爭相研究的難題，為了解決瞬態(tài)溫度測量的精確性和快速性等難題，國內(nèi)外學者都已進行了大量的研究探索。目前，測量瞬態(tài)溫度的方法有很多種，而大致總結(jié)出來基本可以分為以下兩大類：一種是接觸式測量方式，另外一種就是非接觸式測溫方法[3]。

紅外熱電堆測溫即屬于一種非接觸式的溫度測量方式，這種測量方式利用 紅外熱電堆探測熱源發(fā)出的紅外輻射，并將其轉(zhuǎn)換成電信號進行傳輸與測量。由于探測紅外輻射來測量溫度具有非接觸性，不需要接觸被測物體，因此不會 改變物體周圍的溫度場。因而紅外溫度測量方式的準確性和靈敏度較接觸式方法高出很多[4]。

1 ?紅外熱電堆傳感器原理

紅外熱電堆是一種熱釋電傳感器，其結(jié)構(gòu)是由若干熱電偶單元構(gòu)成的一種器件，所以紅外熱電堆傳感器的工作原理是基于熱電偶元件得出的，而熱電偶元件則是利用其組成材料的塞貝克效應(yīng)的實現(xiàn)紅外感知的。塞貝克效應(yīng)的成因可以簡單地解釋為在溫度梯度下導(dǎo)體內(nèi)的載流子從熱端向冷端運動，并在冷端堆積，從而在材料內(nèi)部形成電勢差，同時在該電勢差作用下產(chǎn)生一個反向電荷流，當熱運動的電荷流與內(nèi)部電場達到動態(tài)平衡時，半導(dǎo)體兩端形成穩(wěn)定的溫差電動勢。這種電動勢與熱電偶兩端間的溫度梯度大致成線性關(guān)系，因此在理想狀態(tài)下，兩者成正比關(guān)系，由如下關(guān)系式可表示[5]：

△V=SAB△T ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，SAB代表相對塞貝克系數(shù)，其數(shù)值由制成熱電偶的材料決定。

2 ?紅外測溫裝置設(shè)計

對于紅外測溫系統(tǒng)的設(shè)計，整個系統(tǒng)的核心——紅外測溫探頭的選取尤為重要，本文選擇紅外熱電堆傳感器作為測量裝置的核心部件。

非接觸式紅外測溫儀硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括單片機微處理器、電源電路、數(shù)據(jù)存儲、三通道紅外傳感器、無線傳輸模塊5個主模塊。電源端由鋰離子電池為各模塊提供工作電壓。

非接觸式測溫系統(tǒng)的前端首先就是紅外光學系統(tǒng)，它的作用主要是改善紅外輻射的分布，更有效的利用紅外輻射光能。采用透射式光學系統(tǒng)進行紅外輻射采集，使紅外輻射信號會聚在探測器的靈敏面上。紅外熱電堆探測器將輻射信號轉(zhuǎn)換成電信號，輸入到放大電路。紅外輻射照射到探測器上，轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖電信號。此時的電信號通常只有幾毫伏。需要將信號由毫伏量級放大到數(shù)伏量級，且需對信號進行數(shù)字化的處理。系統(tǒng)包括溫度數(shù)據(jù)存儲模塊以及無線傳輸模塊。可以采用溫度信息記錄儲存的方式，測試結(jié)束后再提取數(shù)據(jù)。在對電磁信號屏蔽較弱的控溫設(shè)備檢測中也可采用無線模塊對數(shù)據(jù)進行實時的傳送。

在模塊的芯片中燒錄信號編譯程序，使熱電堆探測器測得的模擬電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸出。其中，模擬信號轉(zhuǎn)譯電平的程序為ModebusCRC16算法，經(jīng)轉(zhuǎn)譯后得到蘊含溫度信息的TTL電平信號，紅外熱電堆探測模塊需要將電平信號傳輸至無線數(shù)據(jù)發(fā)送裝置，其中探測模塊與無線發(fā)送裝置間的交互協(xié)議為LRC數(shù)據(jù)發(fā)送協(xié)議，通過該協(xié)議即可將紅外熱電堆模塊轉(zhuǎn)譯得到的TTL電平信號傳輸至無線裝置進行發(fā)送。

無線傳輸部分將采用藍牙連接方式，利用藍牙發(fā)送模塊連接紅外溫度探測器，可直接與電腦進行藍牙配對，將熱電偶探測器的溫度數(shù)據(jù)由電腦藍牙接收，導(dǎo)入測溫軟件中存儲。在設(shè)計的紅外測溫系統(tǒng)中，使用HC-05藍牙傳輸模塊來負責系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的傳輸。

HC-05藍牙模塊與紅外熱電堆傳感模塊相連接，其連接端各接口之間需按數(shù)據(jù)交互的方式連接。將傳感模塊置于真空干燥箱內(nèi)，并打開串口調(diào)試軟件。箱內(nèi)溫度設(shè)定從80℃開始設(shè)置，待溫度穩(wěn)定后開始記錄溫度值。

3 ?實驗結(jié)果

將真空干燥箱的初始溫度設(shè)置為80℃，將紅外熱電堆探頭放置在真空干燥箱內(nèi)。待溫度穩(wěn)定后開始測溫，每隔1min記錄一次，測量30min。真空干燥箱內(nèi)溫度值隨時間變化曲線如圖2所示。

由圖2可以看出在設(shè)定溫度為80℃下真空干燥箱內(nèi)的溫度變化經(jīng)歷了多次先升溫再降溫的過程，且實際溫度與設(shè)定溫度存在著近20%的偏差。

通過實驗所測得的箱內(nèi)實際溫度曲線，不難歸納出以下幾個特點：紅外測溫系統(tǒng)測得的干燥箱內(nèi)實際溫度在設(shè)定溫度下比設(shè)置的溫度低。在干燥箱溫度設(shè)定為恒定值時，箱內(nèi)真實溫度隨時間的會出現(xiàn)小范圍的波動，變化程度在0.3℃～0.5℃以內(nèi)。箱內(nèi)實際溫度出現(xiàn)小范圍內(nèi)的明顯上升或下降與真空干燥箱的工作狀態(tài)有著很大的相關(guān)度，干燥箱加熱啟動時溫度升高，停止加熱時箱內(nèi)實際溫度降低。

4 ?結(jié)語

本文設(shè)計了一套適用于真空干燥箱內(nèi)測溫的紅外溫度監(jiān)測系統(tǒng)，并完成了系統(tǒng)的實物裝置制作。該系統(tǒng)由紅外熱電堆傳感器、藍牙數(shù)據(jù)傳輸模塊、附帶電源以及石棉隔熱罩組成，利用測溫系統(tǒng)連接電腦藍牙傳輸溫度數(shù)據(jù)的方法解決了真空干燥箱的密封性帶來的無法有線傳輸數(shù)據(jù)的限制，并且使用石棉罩保護系統(tǒng)內(nèi)部電子器件，克服了箱內(nèi)的高溫環(huán)境;在實驗前對系統(tǒng)的穩(wěn)定性也進行了測試，取得了比較穩(wěn)定的結(jié)果，確保了測溫系統(tǒng)對箱內(nèi)溫度測量的準確度與耐用性。在箱內(nèi)設(shè)定溫度為80℃的范圍內(nèi)對干燥箱實施了溫度監(jiān)測，得到了箱內(nèi)實際溫度，繪制出了恒溫狀態(tài)下的溫度變化曲線，驗明了真空干燥箱在不同設(shè)定溫度下箱內(nèi)的真實溫度狀況，也為日后同等高溫密封條件下的溫度監(jiān)測研究提供了范本。

參考文獻

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[2] Infrared thermography explained.[J]. Insight： Non-Destructive Testing & Condition Monitoring.2016.

[3] P. Vondracek;E. Gauthier;O. Ficker;M. Hron;M. Imrisek;R. Panek.Fast infrared thermography on the COMPASS tokamak[J]. Fusion Engineering and Design.2017.

[4] 黨芬，王敏芳，汪銀輝.武器裝備中的紅外隱身技術(shù)[J].紅外技術(shù).2006，28（1）：50-53.

[5] 王魁漢.溫度測量實用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.