双色红外测温仪的设计与研究

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温度是物质状态的基本度量参数,温度的测量无论是在科学研究、工业生产、军事应用还是在居民生活中都占有重要的一席之地。红外测温仪作为非接触式测温仪中最主要的一类,是一种将红外技术、电子电路技术和计算机技术相结合产生的仪器设备,具有不干扰温场、响应快、寿命长等特点。随着红外探测技术和嵌入式系统的发展,红外测温仪也日渐向高精度、适用性、智能化方向发展。双色红外测温因能量等比衰减和互为参考的特性,具有测温范围宽、在复杂环境下仍然可以保持高精度的优点,在红外测温仪的开发中逐渐占据重要地位。国际上在双色探测技术和双色红外测温仪上的研究水平较高,已有成熟的产品出现,但国内的研究因起步较晚,相比之下在抗干扰能力和精度上还有一定差距。  本文主要研究中高温双色红外测温仪的设计。采用非调制光路和直流信号处理电路以获得更快的响应速度,基于嵌入式系统研究双色测温功能的软硬件实现,在电路上增加了工频陷波电路,以降低来自工业作业环境的干扰,同时提出基于中位值的决策滤波和算术平均滤波在数据处理上的结合应用,以减小测量误差。最后利用黑体辐射源对测温系统进行标定实验,采用分段式最小二乘拟合。通过实验数据分析系统的精度、稳定性和误差因素对精度的影响,并提出误差降低措施。  首先,给出总体设计方案和系统具体软硬件设计。基于设计目标采用双通道非调制式光路系统和铟镓砷光电探测器,1.2μm和1.55μm的波段选择保证信号强度可测的同时尽量拉开了强度的差距。同时,以嵌入式微处理器为中心设计了测温系统直流信号采集的模拟电路和包括人机通讯、温度补偿等模块的数字电路,基于C语言编写了完整的实现代码,在隔离和降噪上做了重点处理。  其次,在数据处理上,采用基于中位值的决策滤波对采集的信号进行软件滤波,进一步提高原始数据的可靠性。  最后,测温仪的标定和精度分析。利用标准辐射源对所设计测温系统进行标定实验,分析测量精确度。实验结果表明,在550-1000℃的中高测温范围内,所设计系统的测量精确度在0.4%+1℃左右,而在380-549℃的较低温度段也可以保证其精确度在1%+1℃左右,基本实现了预期设计效果。另外,基于实验结果分析了影响测温误差的因素,并提出减小误差的措施。
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