摘要：基于普朗克定律設(shè)計(jì)紅外測(cè)溫儀，采用無線通信模塊PTR8000實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與紅外測(cè)溫儀之間的數(shù)據(jù)傳輸，開發(fā)了上位機(jī)管理軟件，實(shí)現(xiàn)了溫度的實(shí)時(shí)顯示。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該測(cè)溫儀具有一定的測(cè)量精度，滿足一般工業(yè)要求。
關(guān)鍵詞：紅外測(cè)溫儀：數(shù)據(jù)傳輸；無線通信；PTR8000

0 引言
溫度作為一種重要的熱工參數(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)中的很多場(chǎng)合要求實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制溫度。傳統(tǒng)的接觸式測(cè)溫方式因反應(yīng)速度慢、測(cè)溫時(shí)間長(zhǎng)、干擾物體的溫度場(chǎng)等缺點(diǎn)而使其應(yīng)用范圍受到很大限制。隨著紅外技術(shù)的發(fā)展，非接觸紅外測(cè)溫作為一門新技術(shù)迅速崛起，在工業(yè)生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測(cè)、設(shè)備在線故障診斷、安全保護(hù)以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮著重要作用。
基于紅外測(cè)溫技術(shù)設(shè)計(jì)的測(cè)溫儀具有非接觸測(cè)量、測(cè)量范圍廣、測(cè)溫速度快、準(zhǔn)確度高、靈敏度高、使用方便、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外非接觸紅外測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展極為迅速，德國(guó)IMPAC公司生產(chǎn)的數(shù)字式紅外測(cè)溫儀IS5系列很受用戶歡迎，美國(guó)雷泰公司的紅外測(cè)溫儀在市場(chǎng)上也占有很大份額。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)紅外測(cè)溫儀的廠家和研究所有：上海自動(dòng)化儀表三廠、云南儀表廠、中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化所、杭州無線電廠等，產(chǎn)品也都具有良好的性能。

1 紅外測(cè)溫原理
在自然界中，一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長(zhǎng)的分布都與物體表面溫度有十分密切的關(guān)系。因此，可以通過測(cè)量物體自身的紅外輻射能來準(zhǔn)確測(cè)定其表面溫度。這就是紅外測(cè)溫的理論基礎(chǔ)。
普朗克定律描述了絕對(duì)黑體的輻射能力與波長(zhǎng)和溫度之間的關(guān)系。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

從式(1)可以看出只要我們測(cè)出了黑體的輻射出射度M(λ，T)，對(duì)其在全波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)學(xué)積分就可以得出黑體的溫度。這就是設(shè)計(jì)紅外測(cè)溫儀的理論依據(jù)。
普朗克定律是以“黑體”作為研究對(duì)象分析得出的。但是，自然界中存在的實(shí)際物體都不是黑體，所有實(shí)際物體的輻射能量除依賴于輻射波長(zhǎng)及物體的溫度外，還與構(gòu)成物體的材料性質(zhì)、生產(chǎn)工藝以及物體表面狀態(tài)、周圍環(huán)境等因素有關(guān)。因此，為了使普朗克定律適用于所有實(shí)際物體，必須對(duì)其進(jìn)行修正。引入比例系數(shù)(即發(fā)射率，表征實(shí)際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，它與材料性質(zhì)及表面狀態(tài)有關(guān)，其值為0(極光滑的鏡面)～1.0(黑色)。


2 紅外測(cè)溫儀
紅外測(cè)溫采用逐點(diǎn)分析的方式，即把物體一個(gè)局部區(qū)域的熱輻射聚焦在單個(gè)探測(cè)器上，并通過己知物體的發(fā)射率，將輻射功率轉(zhuǎn)化為溫度。由于被檢測(cè)的對(duì)象、測(cè)量范圍和使用場(chǎng)合不同，紅外測(cè)溫儀的外觀設(shè)計(jì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)不盡相同，但基本結(jié)構(gòu)大體相似，主要包括光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場(chǎng)的大小由測(cè)溫儀的光學(xué)零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測(cè)器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)。由于該電信號(hào)十分微弱，因此要經(jīng)過放大處理后再送入信號(hào)處理電路，同時(shí)為了消除環(huán)境溫度的影響，增加了補(bǔ)償電路，然后經(jīng)儀器內(nèi)部的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后換算為被測(cè)對(duì)象的溫度值，最終通過傳輸線路顯示到輸出終端。
2．1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
光學(xué)系統(tǒng)是紅外測(cè)溫儀的重要組成部分，其作用十分類似于用于接收目標(biāo)回波的雷達(dá)天線，就是匯聚輻射能量。常用的紅外光學(xué)系統(tǒng)有三種結(jié)構(gòu)形式，即透射式光學(xué)系統(tǒng)、反射式光學(xué)系統(tǒng)、組合式光學(xué)系統(tǒng)(由透射式和反射式系統(tǒng)組合而成)。

對(duì)大多數(shù)光學(xué)系統(tǒng)而言，由于加工、檢測(cè)等原因球面反射鏡和透鏡的使用最為廣泛。綜合考慮各種因素本課題采用透射式紅外光學(xué)系統(tǒng)(見圖2)。同時(shí)為了消除雜散光的影響，在焦距前方安裝孔徑光闌，并且要保證紅外探測(cè)器位于透鏡焦點(diǎn)處。