一种新型非接触性常温测量技术的研究

任国仲 张中兴 赵冠宗

【摘 要】非接触红外测温是当前温度测量方面主流的测量方法，由于其具有测量范围宽、相应速度快、精度高等优點而被广泛应用于各个领域。但是采用红外辐射法对常温下动态物体的温度进行测试是极其困难的。针对目前红外测温技术的研究现状，本文在致冷参考温度比较法的基础上提出了一种新的非接触常温测量方法，并采用最小二乘法、模糊PID控制等软件算法对温度进行补偿。通过模拟实验结果表明，新型测温方法不仅能够克服测量温差过小时产生的信噪比很小的问题，而且还能补偿由于环境温度变化等因素产生的测量误差，极大提高了温度的测量精度。

【关键词】非接触性测温；半导体致冷；相关检测；温度补偿

中图分类号： TH811 文献标识码： A 文章编号： 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

温度的测量分为接触性和非接触性两种方式，传统的温度测量如热电偶、热电阻测温等都是采用接触式测量，这些测试温度的方法主要应用于传统的场合。随着工业、农业等行业的迅速发展，对温度测量的要求也越来越高。在某些情况下，对温度的测量已经成为生产中的主要矛盾，比如在不停机的状况下对电力设备、生产设备等进行温度测量；发生传染性疾病时，在机场的以及车站等重要位置需要对人体的温度进行无接触测量等这些都温度的测量提出了更高要求。随着科学技术的不断发展，性价比更高，精度更高的非接触温度测试方法已经成为人们温度测量的主流手段。

非接触性温度测试多采用红外测温，但是现在的红外测温技术还有一定的不足，主要有以下三点：（1）一般的红外探测器只能对动态的红外辐射进行采集，而对恒定的辐射没有响应，因此技术上的缺陷限制了红外测温的场合。在工业生产过程中设备一般都是静止的或者变化不大，所以还要对红外辐射进行调试；（2）红外测温仪的测量范围一般都是在高温，对低温和常温下的物体测量极其困难；（3）光学系统发展的不完善限制了光学滤波和测量距离，无法满足一些特定场合的测温要求。针对上述红外测温的不足，本文研究了新型的非接触性常温测试方法。本方法适用于常低温情况下非接触动态测温，且测量较快、测试精度高，对社会的发展具有一定的推动意义。

1 非接触性常温测量系统的硬件设置

由于现在的技术只能对高温进行测量，对低温的测量极其困难，为了获得在工业生产中在低温常温下动态物体的温度，本系统采用热释电红外探测器，在致冷参比采集温度的基础上，将采集的信号导入到未处理器中进行数据处理，从而对低温常温下动态物体的温度进行测量。非接触性常温测量系统的硬件设置主要由九个部分组成：微处理器部分；参比温度信号收集分析部分；红外温度信号采集部分；红外强弱控制部分；半导体致冷调控部分；键盘控制与信息显示电路；电源回路；工作状态显示电路；E2PROM扩展环形电路。具体的工作原理为：运动零件在被检测到后在平常温度下进行旋转并向外散发红外信号，在测温装置的外部有一个窗口，红外信号就从这个窗口进入到设备的内部。半导体致冷设备的设置为右侧极冷，均衡块感受到左侧传来的低温后立即向外辐射相应的红外信号。在整个系统当中，我们将热释电敏感元件和聚焦透镜进行机械连接，透镜可以由单片机进行控制并绕着轴心作微摆运动。透射镜在摆动的过程中正好可以使从窗口辐射进来的被测零件的常温红外信号和温度均衡块辐射来的参比温度红外信号轮流聚集在热敏元件上。这样，热敏感元件就可以很好的对常温下的物体红外信号和致冷红外信号进行对比。除此之外，系统的电源是由外部的电源模块提供。整体系统的外壳由一个不透明的箱体，其作用主要是阻止外来的光线进入到箱内干扰模拟黑体辐射，提高测试精度。

2 参比温度的模糊PID控制原理与实现

对于PID系统的设计，参数的设置和选择非常重要。当今时代，工业生产中的大部分被控对象一般都具有非线性、参数时变性和模型不确定性这三个特点。如果用常规的办法，用计算机对PID的参数进行修改和确定很难起到良好的控制效果。如果要提高PID控制器的在调整功能，就需要完善PID控制器的自适应功能。针对这种情况我们提出了一种基于模糊算法理论和PID控制相结合，用模糊控制器对主要三个参数Kp、Ki、Kd进行规划调整。这种控制的响应特征强与普通的PID控制器，而且拥有很好的鲁棒性。在对模糊控制器的参数调试过程中，对输入量进行模糊化、模糊推理、解读模糊后确定准确的输出量Kp、Ki、Kd后，使用模糊计算理论对这些输出量调整到最佳控制效果。经过这些调整以后，解决了PID控制器对参数自调整适应的特点，使得PID控制器对常温下的物体测试具有很强的适应性，使得系统在现代工业生产中对得到了广泛的应用。

3 非接触性常温测量系统的软件设置

在对系统的硬件进行设置以后，為了完整的实现系统的测温功能，对软件进行调整设计是必不可少的。软件主要扮演的角色主要是对温度的信号进行数据处理、对温度的补偿进行估算、致冷参考温度的控制、数码管温度的显示、循环工作状态指示等。所有的软件必须经过一定的计算机语言设计按照一定的时序关联起来。

在第2节中描述的硬件基础上，非接触红外测试温度的采集收集还需要结合一定的软件程序才能实现。采集过程中的软件程序是一个中断性的服务程序，接通电源后由开端产生正弦波电流然后向单片机发出中断指令信号，单片机收到信号后就会进入中断采集服务系统。正弦交流电信号的作用是控制透射镜光学系统转动，其中正弦交流电信号和弱信号相关检测的参考信号是同步的，这样才能对低温动态运动物体产生的红外辐射信号进行采集，完成这个功能是编写的程序实现的。单片机通过I/O接口收集红外信号并将其与零点信号进行对比，确定信号的变化趋势后通过编程输出相关参数检测的指令信号，随后用A/D转换程序或得换算值，将数据进行处理然后得到低温动态物体与参考致冷区的温度差并得到低温动态物体的实时温度。

在对低温动态物体的温度进行测量的过程中，测温系统所在的环境温度是一直变化的。根据资料显示，当外界温度变化，而待测物体和热释电晶体温度的差额保持不变的时候，热释电检测器产生的输出信号也会随之改变。根据热释电晶体输出电流公式显示，晶体热释电的洗漱随着温度的改变而改变。为了消除由于外界环境温差变化带来的计算误差，我们采取的措施是将热释电晶体的温度环节忽略，仅测量被测物体和参考温度之间的差值。但是由于外界环境温差变化带来的计算误差仍然存在，在系统标定一个值的时候，外界环境的温度是T，但实际测温的时候外界的环境温度会变成T，，温度的变化是引起系数变化的主要原因。

对于不同种类的热释材料，热释系数和温度变化服从的关系函数是不一样的，但是都可以用一个通用的函数表达式P=f（r）表示。将材料选好之后，热释系数的温度函数就基本可以确定，为了消除外界温度变化引起的误差，我们根据不同的函数编算不同的软件计算方法进行校正与补偿。

4 模拟系统调试和实验结果分析

模拟实验是为了验证设计的系统对低温动态物体温度测试的准确性，因此吗，模拟实验的设计主要包括系统硬件原理图设计、系统软件原理图设计和制作系统实物的PCB电路连接设计。在对系统硬件电路的检测过程中，本文采用了比较前言功能齐全的EDA软件Prote199SE作为元件设计、原理图设计、PCB电路设计、模拟数字部分仿真分析的工具。Prote199SE作为一种检测软件是一种基于Windows的完全64位EDA设计系统的软件，它是以设计管理和协作技术为核心的全面电路板设计系统。它的优点主要有：方便灵活的编辑功能、强大全面的自动化设计、完善的库管功能以及优良的兼容性和可扩展性。

红外温度的信号采集主要是针对非接触温度的辐射信号进行采集，本文对信号的调试重点是红外探测回路中热释电探测器的选择、调制红外信号的获取以及对红外辐射信号的处理。温度测量的精确度由热释电传感器的和工作的环境决定，因此，我们把热释传感器的元数和工作环境的温度作为重中之重，为了避免外界的光线照射进箱子里影响实验结果，我们将系统安装在一个不透明的箱子当中。另外，测试的距离对测温的精准度也有很大的影响，为了提高测量的精准度，被测物体与探测器的具体保持不变。

在新型非接触测温方法的设计过程中，致冷参比测量方法是本文研究和测温实验的关键部分。致冷电源决定着致冷参考温度的获得性，控制电源的优劣程度直接影响着新型非接触测温方法的准确性。在模拟过程当中，采取对电源进行开关的方式进行实验。在本文研究提出的新控制思想的基础上安置调控电源开关。在整个模拟系统当中，利用Pt100实时测量致冷片的温度作为控制变量，通过单片机采集数据进行比较厚输出信号控制数字电位器的电阻变化，调节致冷电源的输出电压。针对测试过程中的软件、硬件以及系统的总体测试，本文对存在的不足进行了一一调整，但是由于篇幅原因，在这里不一一赘述。

5 结论

非接触红外测温技术虽然在工业生产方面得到了广泛的应用，但是在测试低温动态物体温度的领域内进行温度的测试还是非常有限的。本文针对国内外非接触测温方法的研究现状，对各国的成果进行趋势分析，提出了一种新的温度测量方法。在方法的设计过程中，主要从硬件和软件量方面下手，大幅度的提高测温范围、提高测量精度，并做了大量的模拟实验，对存在的不足之处进行了调整，本研究对低温动态物体温度测量的工业应用具有重大意义。

【参考文献】

[1]罗胜彬，宋春华，韦兴平，李航.非接触测量技术发展研究综述[J].机床与液压，2013，41（23）：150-153.