智能紅外測(cè)溫儀研究

摘 要：針對(duì)普通點(diǎn)式紅外測(cè)溫儀自動(dòng)化、智能化程度較低，不能滿足越來越高的生產(chǎn)需求的問題，提出一種新的結(jié)構(gòu)，通過安裝CCD，結(jié)合機(jī)械云臺(tái)機(jī)構(gòu)，利用圖像配準(zhǔn)技術(shù)，對(duì)原有的普通點(diǎn)式紅外測(cè)溫儀系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，從而提高系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化。實(shí)驗(yàn)證明，該種方法不僅大大彌補(bǔ)了原有的缺點(diǎn)，滿足了生產(chǎn)需要，且成本低廉，利于紅外測(cè)溫技術(shù)的推廣應(yīng)用。
一、引言
紅外測(cè)溫技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)溫技術(shù)相比有巨大的優(yōu)越性，因此在很多工業(yè)生產(chǎn)過程如電力系統(tǒng)、冶金系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。紅外測(cè)溫產(chǎn)品有著廣闊的應(yīng)用前景。
目前紅外測(cè)溫產(chǎn)品主要有兩類：點(diǎn)式紅外測(cè)溫儀和面式紅外測(cè)溫儀。面式紅外測(cè)溫儀即紅外熱像儀。現(xiàn)在點(diǎn)式紅外測(cè)溫儀就其測(cè)溫性能及其輔助功能上來說不如紅外熱像儀，主要缺點(diǎn)如下：
（1）遠(yuǎn)距離、小目標(biāo)難以對(duì)準(zhǔn)，人為因素影響較大，從而影響測(cè)溫精度；
（2）測(cè)溫結(jié)果不利于保存分析，限于局部沒有全局效果，從而有時(shí)不利于發(fā)現(xiàn)問題；
（3）不利于遠(yuǎn)程遙控，自動(dòng)化、智能化程度較低。
由于紅外熱像儀價(jià)格昂貴，國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品價(jià)格在20～30萬左右，進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格更是在70～80萬左右， 這大大限制了它的推廣應(yīng)用，而點(diǎn)式紅外測(cè)溫儀價(jià)格只有一兩萬元左右。就測(cè)溫精度來說，點(diǎn)式紅外測(cè)溫儀和紅外熱像儀相比精度相當(dāng)，并且很多應(yīng)用場(chǎng)合精度要求也不是很高。可不可以采取一定措施彌補(bǔ)其缺點(diǎn)，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(cè)溫基本原理
物體紅外輻射能量的大小及波長(zhǎng)的分布與其表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此，通過對(duì)物體自身紅外輻射的測(cè)量，便能準(zhǔn)確地確定它的表面溫度，紅外測(cè)溫儀就是利用這一原理來檢測(cè)溫度的。
在實(shí)際測(cè)量中，由于所測(cè)量的波長(zhǎng)范圍不同，有不同的測(cè)溫方法和測(cè)溫儀器，下面以常用的全輻射測(cè)溫法為例介紹其原理：
設(shè)物體的真實(shí)溫度為T，發(fā)射率為ε，則測(cè)量該物體的總輻射率時(shí)，儀器輸出電信號(hào)為：
Vi＝CεσT 4 （1）
C屬于儀器的系統(tǒng)，包括探測(cè)器的響應(yīng)率、電子線路的增益；σ為波光茲曼常數(shù)。
推導(dǎo)出：

用此法測(cè)得的溫度T即為物體的輻射溫度，它是根據(jù)測(cè)量波長(zhǎng)從零到無限大整個(gè)光譜范圍的物體的總輻射功率所測(cè)得的溫度。
三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
為實(shí)現(xiàn)紅外測(cè)溫儀的自動(dòng)化和智能化，采用如圖1所示的結(jié)構(gòu)。

（1）采用步進(jìn)電機(jī)控制的機(jī)械云臺(tái)結(jié)構(gòu)，適應(yīng)了工業(yè)系統(tǒng)遠(yuǎn)程遙控、無人值守的發(fā)展要求。這一裝置可通過上位機(jī)遠(yuǎn)程遙控，自動(dòng)將測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)被測(cè)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)全方位360°自由轉(zhuǎn)動(dòng)及上下俯仰角度的調(diào)整，并可將特定測(cè)溫點(diǎn)的位置存儲(chǔ)在單片機(jī)里，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該測(cè)溫點(diǎn)的記憶功能，以便下一次對(duì)該點(diǎn)能自動(dòng)測(cè)溫；
（2）加上CCD結(jié)構(gòu)可以將被測(cè)點(diǎn)及周圍圖像用監(jiān)視器顯示出來，通過調(diào)整其焦距把遠(yuǎn)距離的小目標(biāo) 點(diǎn)拉近，用可視的方法提高光學(xué)系統(tǒng)與測(cè)溫點(diǎn)的對(duì)準(zhǔn)度，從而提高測(cè)溫精度，同時(shí)便于提高系統(tǒng)的智能化及功能的拓展；
（3）信號(hào)處理結(jié)果可以通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)溫或集中處理，利用實(shí)時(shí)監(jiān)控及中央控制。
四、系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
1、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
光學(xué)系統(tǒng)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(hào)相對(duì)來說比較微弱，光學(xué)系統(tǒng)所收集到的紅外信號(hào)的大小直接影響著測(cè)溫結(jié)果，因此要實(shí)現(xiàn)測(cè)溫儀精確測(cè)溫必須設(shè)計(jì)一個(gè)光路簡(jiǎn)單、紅外輻射損失小的光學(xué)系統(tǒng)。
2、信號(hào)檢測(cè)電路
由于探測(cè)器輸出的電壓信號(hào)非常低（μV級(jí)），而信號(hào)噪聲則相對(duì)較大，所以設(shè)計(jì)與探測(cè)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(cè)出微弱信號(hào)也是實(shí)現(xiàn)測(cè)溫功能的前提。
3、溫度補(bǔ)償技術(shù)
由于紅外的輻射能受很多因素的影響，如被測(cè)物體的黑度系數(shù)、雜散光和背景光、輻射路徑及大氣的衰減等，都會(huì)影響測(cè)溫精度，所以如何進(jìn)行溫度補(bǔ)償，提高測(cè)溫精度也是實(shí)現(xiàn)紅外測(cè)溫所必須解決的問題。
4、圖像配準(zhǔn)技術(shù)
由于測(cè)溫儀有時(shí)與熱物體距離較遠(yuǎn)，步進(jìn)電機(jī)也存在丟步現(xiàn)象，因此完全依靠記錄的目標(biāo)點(diǎn)的位置很難實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)與目標(biāo)點(diǎn)的對(duì)準(zhǔn)，如何充分利用視頻信號(hào)，提高光學(xué)系統(tǒng)與所測(cè)目標(biāo)點(diǎn)的對(duì)準(zhǔn)度，也是要考慮的 問題。
五、系統(tǒng)邏輯原理圖
整個(gè)系統(tǒng)主要由單片機(jī)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用愛立信的PBM3960和PBL3771芯片。
系統(tǒng)電路如圖2所示。

六、結(jié)論
系統(tǒng)很大程度上彌補(bǔ)了普通點(diǎn)式紅外測(cè)溫儀的不足，極大提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化，節(jié)約了人力資源，同時(shí)成本大大降低，有利于紅外測(cè)溫技術(shù)的推廣應(yīng)用。此外在有些場(chǎng)合中，還可將視頻圖像記錄下來，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，充分發(fā)揮CCD的效用。