智能红外测温仪研究

摘 要：针对普通点式红外测温仪自动化、智能化程度较低，不能满足越来越高的生产需求的问题，提出一种新的结构，通过安装CCD，结合机械云台机构，利用图像配准技术，对原有的普通点式红外测温仪系统进行改进，从而提高系统的自动化、智能化。实验证明，该种方法不仅大大弥补了原有的缺点，满足了生产需要，且成本低廉，利于红外测温技术的推广应用。
一、引言
红外测温技术与传统测温技术相比有巨大的优越性，因此在很多工业生产过程如电力系统、冶金系统中得到了广泛应用。红外测温产品有着广阔的应用前景。
目前红外测温产品主要有两类：点式红外测温仪和面式红外测温仪。面式红外测温仪即红外热像仪。现在点式红外测温仪就其测温性能及其辅助功能上来说不如红外热像仪，主要缺点如下：
（1）远距离、小目标难以对准，人为因素影响较大，从而影响测温精度；
（2）测温结果不利于保存分析，限于局部没有全局效果，从而有时不利于发现问题；
（3）不利于远程遥控，自动化、智能化程度较低。
由于红外热像仪价格昂贵，国产产品价格在20～30万左右，进口产品价格更是在70～80万左右， 这大大限制了它的推广应用，而点式红外测温仪价格只有一两万元左右。就测温精度来说，点式红外测温仪和红外热像仪相比精度相当，并且很多应用场合精度要求也不是很高。可不可以采取一定措施弥补其缺点，而又不太大的增加其成本呢？文中就力图解决这一问题！
二、红外测温基本原理
物体红外辐射能量的大小及波长的分布与其表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身红外辐射的测量，便能准确地确定它的表面温度，红外测温仪就是利用这一原理来检测温度的。
在实际测量中，由于所测量的波长范围不同，有不同的测温方法和测温仪器，下面以常用的全辐射测温法为例介绍其原理：
设物体的真实温度为T，发射率为ε，则测量该物体的总辐射率时，仪器输出电信号为：
Vi＝CεσT 4 （1）
C属于仪器的系统，包括探测器的响应率、电子线路的增益；σ为波光兹曼常数。
推导出：

用此法测得的温度T即为物体的辐射温度，它是根据测量波长从零到无限大整个光谱范围的物体的总辐射功率所测得的温度。
三、系统结构图
为实现红外测温仪的自动化和智能化，采用如图1所示的结构。

（1）采用步进电机控制的机械云台结构，适应了工业系统远程遥控、无人值守的发展要求。这一装置可通过上位机远程遥控，自动将测温系统对准被测目标，实现全方位360°自由转动及上下俯仰角度的调整，并可将特定测温点的位置存储在单片机里，从而实现对该测温点的记忆功能，以便下一次对该点能自动测温；
（2）加上CCD结构可以将被测点及周围图像用监视器显示出来，通过调整其焦距把远距离的小目标 点拉近，用可视的方法提高光学系统与测温点的对准度，从而提高测温精度，同时便于提高系统的智能化及功能的拓展；
（3）信号处理结果可以通过网络传输，进行远程测温或集中处理，利用实时监控及中央控制。
四、系统关键技术
1、光学系统设计
光学系统起到收集红外辐射并将其聚焦到红外探头上的作用，由于红外信号相对来说比较微弱，光学系统所收集到的红外信号的大小直接影响着测温结果，因此要实现测温仪精确测温必须设计一个光路简单、红外辐射损失小的光学系统。
2、信号检测电路
由于探测器输出的电压信号非常低（μV级），而信号噪声则相对较大，所以设计与探测器噪声相匹配的低噪声放大器及如何在低信噪比的情况下检测出微弱信号也是实现测温功能的前提。
3、温度补偿技术
由于红外的辐射能受很多因素的影响，如被测物体的黑度系数、杂散光和背景光、辐射路径及大气的衰减等，都会影响测温精度，所以如何进行温度补偿，提高测温精度也是实现红外测温所必须解决的问题。
4、图像配准技术
由于测温仪有时与热物体距离较远，步进电机也存在丢步现象，因此完全依靠记录的目标点的位置很难实现光学系统与目标点的对准，如何充分利用视频信号，提高光学系统与所测目标点的对准度，也是要考虑的 问题。
五、系统逻辑原理图
整个系统主要由单片机控制，采用了Atmel公司的8515芯片，处理速度较快，功能也比较齐全。步进电机驱动芯片采用爱立信的PBM3960和PBL3771芯片。
系统电路如图2所示。

六、结论
系统很大程度上弥补了普通点式红外测温仪的不足，极大提高了系统的自动化、智能化，节约了人力资源，同时成本大大降低，有利于红外测温技术的推广应用。此外在有些场合中，还可将视频图像记录下来，进行远程监控，充分发挥CCD的效用。