红外温度范文（精选8篇）
红外温度 第1篇
远程红外温度采集系统是通过红外通讯技术实现对温度的信息的数据传输，红外线经过发射器发射到指定位置，探测到有效数据后返回经过接收器接收，完成对温度信息的采集。远程红外温度采集系统是采用红外通讯技术实现对温度数据的采集，红外通讯技术是基于AT89C51单片机的红外温度采集系统设计，其操作简单、使用方便、使用成本低等特性在温度采集方面得以广泛的应用。其能够实时的对周围环境温度进行采集和监视，通常条件下可以检测10m左右的范围内的温度。本文结合红外通讯技术介绍一种基于单片机远程红外测温系统，并对该系统的设计方案及设计原理进行了详细讨论。
1 红外通信原理
红外通信原理流程是发射模块是由单片机构成，能够调制二进制编码数据，使其转换为脉冲数据串信号，在经过发射管的推动发射出去红外信号。在接收端通过红外线脉冲波的接收模块对红外信号进行接收，在通过检验、放大、编制、译码转化为可读的有效数据。红外线接收模块通过一体化红外接收头接收解调，并通过单片机解码，再显示在数码显示管上供我们读取数据。
红外通信原理流程：
单片机(输出调制)-红外发射电路(发送)-一体化红外接收头(接收解调)-单片机(解码)-显示管(显示数值)。
2 系统设计方案
远程红外温度采集系统设计的硬件设备采用数字温度传感器(DS18B20)对周围环境的温度进行采集，在通过单片机(AT89S51)对温度信息进行输出调制，经过调制后通过红外线发射电路(二极管发射器)发射到空中，接收端采用一体化红外接收头对发射端发射过来的红外线进行采集，经过接收解调(检验、放大等)，传送给单片机(AT89S51)进行解码，通过四位数码显示管显示出当前环境的温度。
硬件设计与实现：
1)数字温度传感器(DS18B20)
数字温度传感器(DS18B20)能够感知环境周围的温度，并将感知的温度进行采集和将温度信息转变为数据，数字温度传感器(DS18B20)通过对1线I/O口进行数据写入，再采用串行通信与微控制器进行通信(温度传感器工作电压3V～5V，测量温度精度0.5°，测量温度范围-55°～+125°)温度采集电路如图示。
2)控制单元
远程红外温度采集系统的控制单元采用单片机AT89S51，单片机AT89S51拥有8KB的FlashROM内存，可进行反复的数据存储与擦拭，用于对数字温度传感器(DS18B20)感应到的温度信息进行存储和编辑。单片机AT89S51拥有连接数字温度传感器(DS18B20)与数码显示二级管的连接接口，可将温度信息进行调制传输和解制显示。
3)显示模块
远程红外温度采集系统的温度是通过4位八段的数码管显示，能够将采集的温度数值精准到0.1°。
3 软件设计原理
经红外遥控接收器对红外脉冲信号的每个脉宽进行测量，通过CPU解码，同时执行指令还原PWM码。将红外脉冲的脉宽以二进制数值(0, 1)表示，对红外脉冲信号的脉冲宽度、间隔时间、脉冲周期进行划分脉冲宽度在0.56ms，间隔时间在1.68ms，脉冲周期在2.24ms的脉冲信号用“1”表示，其他宽度、间隔时间、脉冲周期的脉冲信号用“0”表示。当INT0为高电平时启动定时器进行计数;到INT0变为低电平时，结束计数，读取这一周期T0的数值。再将T0设置为初值0，进行循环操作。通过单片机对二进制“0”“1”进行解码，并在数码管中显示出所探测的环境温度数值。
4 结论
远程红外温度采集系统的设计主要是通过数字温度传感器(DS18B20)对周围环境的温度进行采集，在通过单片机(AT89S51)对温度信息进行输出调制，经过调制后通过红外线发射电路(二极管发射器)发射到空中，接收端采用一体化红外接收头对发射端发射过来的红外线进行采集，经过接收解调(检验、放大等)，传送给单片机(AT89S51)进行解码，通过四位数码显示管显示出当前环境的温度。我们通过对红外线传输与接收原理的学习，更好的掌握远程红外温度采集系统的设计。
制作的无线红外温度采集系统硬件，可以实现温度的无线采集，并且相当精确。本系统中38kHz载波的产生和红外编码都是通过软件产生，节省了硬件。当然，电路还有些改进的地方，比如可设置温度上下限，并能进行报警，起到提醒用户的作用。
4 结论
数控技术在生产及加工领域的应用成为国家技术水平的体现，它是各种先进制造系统的基础，是实现机械制造自动化的关键，目前在很多领域已彰显出巨大的优势，今后还将伴随技术的发展在更多的领域绽放光彩。
参考文献
[1]陈杰.传感器检测技术[M].北京:高等教育出版社, 2004.
[2]MoulyM, PauterMB.GSM数字移动通信系统[M].北京:电子工业出版社, 1996.
[3]李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2005.
[4]孙涵芳, 徐爱卿.MCS51系列单片机原理与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社, 1991.
无线红外温度传感器的设计 第2篇
摘 要：文章介绍了一种基于MLX90614ESF-BAA的无线红外温度传感器，具有非接触、体积小、精度高，成本低等优点。文章主要给出了传感器的硬件电路设计及节点的软件设计。硬件设计主要包括电源电路，采集电路和无线射频电路，软件设计主要包括数据采集和通信协议的设计。最后对设计的传感器节点进行了射频性能和传感器精度的测试验证。
关键词：红外温度传感器;Modbus协议;433MHz无线通讯
引言
红外测温是根据被测物体的红外辐射能量来确定物体的温度，不与被测物体接触，温度分辨率高、响应速度快、测温范围广、稳定性好等特点，近年来常被应用于高精度无接触测量，在智能家居、智能电网、汽车电子等领域都有广泛的应用。
本文设计的传感器具体应用场景是配电室，用于测量线缆温度。本设计采用MLX90614BAA红外温度传感器，具有非接触，体积小、精度高，成本低等优点。传感器采集的数据通过工业现场总线协议DDModbus协议进行传输，并采用433MHz无线模块进行数据通信。无线通信方式，避免了有线通信电缆安装的不便，选用433MHz频段具有较远的通信距离和穿墙能力，适用于配电室这一特定应用场景。
1 无线频段的选取
结合传感器的具体应用场景的实际使用需要，综合考虑耗电量、传输距离、数据速率、安全性和成本等因素，本设计的无线通信频段选用433MHz。由于配电室环境复杂，设备装置多，数据传输的路径弯曲程度大。在相同的弯曲度路径情况下，433MHz的无线射频衰减率为：0.577dB/m;915Mhz的无线射频衰减率为：0.676dB/m;2.4G的无线射频衰减率为0.761dB/m。由此可见：无线设备工作在433MHz频段更有利于在弯曲路径时的通信。在芯片的选型上遵循低功耗，低成本，微型化的原则，因此本文中设计的传感器采用CC1101芯片。
2 硬件设计
无线红外温度传感器的硬件设计包含电源供电电路，数据采集电路，无线数据传输模块电路几个部分。
电源供电部分主要是把3.7V电池电压转换为3.3V，作为各个部分的供电电源，以及5V电源给电池充电两个部分，使用Maxim公司的MAX8881作为3.7V转3.3V的降压芯片，MAX1555作为5VDC电源给电池充电的芯片。
数据采集部分采用Melesix公司的MLX90614红外温度传感器。此款传感器第一文库网环境温度范围为-40°～+125°，物理温度范围-70°～+380°，电源电压3.3v。MLX90614 是由内部状态机控制物体温度和环境温度的测量和计算，进行温度后处理，并将结果通过 PWM 或是SMBus模式输出，本设计选用SMBus模式。
433MHz无线射频模块采用的STM32F103RBT6作为主控芯片，CC1101作为无线射频芯片。主控模块通过SPI总线通信接口拖带无线射频通信模块，可以实现对无线通信模块的寄存器的`读写，从而完成对模块通信参数的配置，进一步控制模块对无线数据的收发。
3 软件设计
软件设计部分包含温度数据的采集、处理，无线数据收发和Modbus通信协议几个部分。
3.1 数据采集与处理
红外温度传感器采集温度数据传输时序如下图所示，START位定义为当SCL为高时，SDA线为从高到低的转换。STOP位定义为当SCL为高时，SDA为从低到高的转换。每个字节包括8位，在总线上传送的每个字节必须跟随一个确认位，和确认关联时钟脉冲是由主控器产生的。读取数据是以字节为单位进行的。每次发送一个字节，然后就判断对方是否有应答，如果有应答，就接着发送下一个字节;如果没有应答，多次重发该字节，直到有应答，就接着发送下一个字节，如果多次重发后，仍然没有应答，就结束。接收数据时，每次接收一个字节，然后向对方发送一个应答信号，然后就可以继续接收下一个字节。
本文中设计的无线红外温度传感器上电初始化后，等待上位机通过集中器无线模块发送的数据采集命令，再对数据进行采集，并将采集到的数据按照Modbus协议处理后，通过无线模块传输到集中器中。
3.2 Modbus通信协议
Modbus通信协议是一种工业现场通用协议，主要规定了应用层报文传输的格式，使得不同生产厂商的设备可以连成网络，集中监控。Modbus协议可分为在TCP/IP上的实现与串行链路上的实现，即Modbus-TCP和Modbus-RTU。传感器内部实现的是Modbus-RTU协议。Modbus协议使用的是客户机/服务器(C/S)的通信模式，主站向从站发送请求的模式有两种：单播和广播，本文实现的是单播的模式。
Modbus通用帧即ADU应用数据单元分为附加地址、功能码、数据和差错校验4个部分，其中功能码和数据部分为PDU协议数据单元。传感器接收到上层rtu帧命令后，首先进行从站地址和差错校验码的判断，若不正确直接丢弃命令帧，若正确则进行rtu帧解包获取命令并进行温度采集，数据采集后进行rtu帧封包，最终通过无线模块与上层设备进行数据通信。
4 测试结果
在排除433MHz频段其他设备干扰的情况下，对无线红外温度传感器进行射频性能的测试，每次发送1000个数据包，保证丢包率为0%的情况下，有效直线传输距离为120米，穿透性为两层楼。
无线红外温度传感器精度的测试，在相同环境中，使用市场上购买的手持红外温度仪与本文中设计的传感器进行温度监测数据的对比，温度值的误差保持在±0.5°C以内。
5 结束语
本文中设计了一种使用Modbus通信协议并通过433MHz频段无线通信的红外温度传感器，介绍了频段及射频芯片选择的原则，给出了传感器的硬件及软件设计方案。较详尽的介绍了MLX90614红外温度传感器的数据采集时序及原理，以及本设计中应用的Modbus协议。最后对传感器设备进行了射频测试及精度测试，测试结果表明，该传感器具有非接触性，高精度，通信距离远，穿墙能力强等优势。
参考文献
[1]Melexis公司.MLX90614红外温度计数据表.
[2]沙春芳.红外温度计MLX90614及其应用[J].现代电子技术，2007年22期.
[3]吴永宏，高峰.基于MLX906014的红外测温仪[J].仪表技术与传感器.2008年02期.
红外线冰面温度测控装置 第3篇
冰上运动是一项集体育、健身、娱乐于一体的全民参与活动。近年来随着人们生活水平的提高和该项运动的普及, 越来越多的大型冰场在国内各地兴建, 仅去年全国就已建造了数十座大型冰场。
冰上项目如速滑、花样、冰球及其他群众娱乐要求的冰面温度各有不同, 同时要求整块冰温度均匀, 目前国内所建造的冰场基本做法是:采用Pt100温度传感器, 检测冰层下面的制冷管道温度, 对压缩机进行控制, 而环境条件下诸多影响冰面温度的因素无法考虑进去, 使得冰层与冰面的实际温度差别很大, 如受灯光、观众、溜冰人数, 冰面保养影响, 都会使得冰面出现严重的质量问题。过高的控制温度会使冰面出现水雾, 冰面过软不能进行冰球之类项目;过低的控制温度又会使制冷机处于长期运行, 耗电量大, 过硬的冰面使花样滑冰难以完成动作又容易受伤。于是在本文中, 我们提出了研制红外线冰面测温装置, 通过冰面自身辐射能量原理, 利用红外技术, 实时检测冰表面温度, 及时滤掉那些因灯光、人体、热源等因素的干扰信号, 根据设定温度来自动调节制冷机能级、自动控制压缩机起、停, 实现冰面温度的恒定控制, 既保持了冰面温度质量要求又大大降低了运行成本。这套装置的关键技术是实现了红外探头、旋转云台、信号干扰的滤波处理于一体的集成过程自动控制。本套装置目前已经在国内数个新建冰场得以布设, 实践反映效果良好。
系统组成及原理
红外线测温传感器:冰面温度与冰层硬度密切相关, 很小的温度变化就会引起很大的冰层硬度变化, 不时变化的外界环境使得冰表面温度要比冰层温度变化快得多。接触式的探头是无法安装在冰面上的, 采用红外线冰面测温技术可以解决以上技术问题, 选用红外线温度传感器安置在冰面上方的马道, 避免照明系统直射, 考虑到标准场地马道高度一般在12米以上, 冰面温度在-3~-7℃, 冰层厚度在40mm, 环境温度≤26℃, 并且湿度较大, 所以我们选择了一款美国产的温度探头, 技术参数为:4~20mA输出, 测量温度-20~100℃, 距离系数30:1, 防护等级IP65, 响应时间200ms, 光谱范围8~14um, 此探头满足设计需求。
智能云台:标准滑冰场的冰面尺寸一般在61x30米范围。选用定点测温方式需要数十个红外测温探头才能够检测到不同位置的冰面温度, 成本太高, 不经济。于是我们应用了智能云台, 将温度检测探头放在云台上, 由温度检测控制器通过远程协议控制云台旋转, 以扫描方式检测温度, 改变云台仰角可以改变探头的伞状覆盖面积, 对一个标准冰场有两个红外探头就满足需求。我们选用了一款国产的云台。技术参数为:旋转角度:水平方向0~355度;每秒4.7度, 垂直方向0~90度;每秒4.7度。
红外冰面温度控制器
这是一个核心控制单元。所有的信号检测、信号处理、滤波放大、工程换算、信号输出、设备连接控制、网络通讯等, 测温区域, 测温速度, 测温方式都是由这个控制器来完成的。参见软、硬件设计框图。
点位检测:在0~355度内可设定检测点数量1~100点, 每点停留5秒, 取滤波后的温度。再计算所有测温点的平均值。与设定温度进行比较输出控制信号。
扫描检测:在0~355度内可扫描检测, 扫描一周取滤波后的平均值温度与设定温度进行比较, 输出控制信号。
全自动制冷系统:包括压缩机组, 全自动蒸发冷, 智能乙二醇水泵等组成, 接收到红外冰面温度控制器输出的制冷信号后自动联锁运行, 因为制冷控制系统不是本文介绍对象, 不再赘述。
冰场监控软件:通过上位机设定显示制冷系统、红外冰面温度控制系统的各种参数、工作状态、画面、历史记录、打印等。本工程采用一台计算机作为整个冰场的检测和控制平台, 通过组态画面可模拟系统中制冷设备的运行状况, 冰面的温度状态、人机界面清晰、醒目、直观;显示所采集的温度等历史曲线, 自动记录, 定时打印温度报表;进行设备故障报警, 提示故障原因并记录;可随时对现场所有控制器中的控制设定值和报警设定值等参数进行设定等功能。方便了操作人员管理整个制冷系统。
硬件组成
红外冰面温度控制器的核心是一款8位mcu, 有2个独立的usart, 1路外接485芯片控制云台动作, 另一路预留与上位机通讯用, 红外探头的4~20ma信号经电阻分压后滤波进入12位模数转换器, mcu使用SPI接口读取a/d12位数据, 1路运行允许信号经电平转换送入mcu, 根据计算结果输出制冷运行开关量信号。
软件流程
红外冰面温度控制器软件包括云台控制程序, 模拟量驱动程序, 输入输出启动程序, modbus程序, 冰面温度控制逻辑。
云台控制程序实现了如下函数:
pelco_pan (addr, action) 参数分别是云台地址和动作, 通过这个接口控制程序可以操作云台垂直和水平方向摇动。
pelco_init () 协议初始化
模拟量驱动程序函数:
GetScaledValue (channel) 获得经过滤波和校正的温度值
输入输出程序函数:
Hal_GetDigitalInput (Input) 获得开关量状态
Hal_SetRelays (State) 设置继电器状态
Modbus程序函数:
ModbusApp_Control () modbus状态机控制
ModbusApp_ProcessPacket (pprotol) modbus包处理
控制逻辑函数:
Application_Scan () 扫描方式测温
Application_Point () 点方式测温
Calc_Temp () 计算冰面温度, 滤除干扰
Control () 控制逻辑
经济效益分析
对于一座冰场来说, 按照常规设计需要10个测温探头, 如果采用旋转扫描技术只需要1个测温探头, 且10个温度传感器均匀分布在冰面上, 控制室离冰面的平均距离为50米, 高度为20米计算, 表1即为一个冰场项目施工中节约的管线数量及资金。
这样一年按1 0个冰场项目计算共节约资金为83800*10=838000元人民币。
结语
此系统整个运行过程都能通过电脑软件结合相应的硬件配置来实现, 使设备的利用率更高, 运行费用更节省, 管理更加方便, 从而达到冰场运行级管理所期望的经济效果, 符合国家节能减排的发展目标。
摘要：本文介绍了冰场冰面温度红外线测量自动控制系统的实现。在冰场自动控制的常规做法基础上, 开发红外线测温装置, 阐述了它的系统组成及控制原理, 硬件结构, 软件流程及其关键技术和带来的经济效益。
关键词：冰场,红外线,信号处理单元控制器,上位机
参考文献
[1].陈光梦, 主编.模拟电子学.上海:复旦大学出版社, 2005.3
[2].俞承芳, 主编.电子系统设计. 上海:复旦大学出版社, 2004.9
[3].胡寿松, 主编.自动控制原理.北京:科学出版社, 2001:48-112
[4].王克义, 鲁守智, 蔡建新, 王文保.微机原理与接口技术教程.北京:北京大学出版社, 2004
[5].Richard C. Dorf , Robert H. Bishop.Modern Control Systems (Ninth Edition) .Pearson Education, 2002:14-16
[6].王凤如, 主编.自动控制原理实验教程.北京:高等教育出版社, 2004:30-34
[7].王幸之.单片机应用系统抗干扰技术「M」.北京:北京航空航天大学出版社, 2000:78-86
[8].李海学, 编著.PIC单片机实用教程—基础篇.北京:北京航空航天大学出版社, 2002:8-40
[9].晨风, 编著.嵌入式实时多任务软件开发基础.北京:清华大学出版社, 2004
[10].马忠梅, 籍顺心, 张凯, 编著.单片机的C语言应用程序设计.北京:北京航空航天大学出版社, 2003:56-84
[11].组态王使用手册.北京亚控公司, 2001:1-400
基于红外温度变化规律诊断电路故障 第4篇
红外热成像技术作为非接触方式广泛应用到无损检测领域。红外检测快速、准确、安全的特点,使其在电路故障检测中的应用研究不断深入。目前,利用标准热像图与故障热像图的差分运算[1],已经可以诊断并定位故障。经过大量的红外检测实验我们有两个发现:一是这种绝对温度判别法的精度受到诸多因素(如环境温度、风力、热对流、检测时机等)的影响,会增加误判的几率;二是电路在工作过程中,其温度随时间的变化相对固定,有规律可循。本文尝试利用电路温度变化的这种规律进行故障检测。
1 红外热成像检测电路的原理
一般物体的红外辐射功率与物体表面热力学温度的4次方成正比,与物体表面的辐射率成正比。根据斯蒂芬-波尔兹曼定律,灰体辐射能量的计算公式为E=εσT4,其中ε为物体表面辐射率,σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数,T为物体的绝对温度。由焦耳-楞次定律可知,当有电流流动时,电路中的耗能元器件将会产生一定的热量[2]。这个热量通过传导、对流和辐射三种方式与外界交换。根据以上两个定律,当对电路施加激励时,电路中的耗能元器件就会具有相应的工作温度。
从硬件上讲,电路故障主要是指电路和元器件的故障。电路故障一般分为短路、开路和接触不良;元器件故障主要指早期失效、由有关事件引发的故障和耗损报废。电子电路内部的物理机理通常涉及电流流动,而电流流动本身必然产生热。由于电路和元器件的热特性与电流流动密切相关,故元器件工作时的温度可以有效、可重复地反映它们的工作状态[6]。
众所周知,元器件的大多数故障都与热有关。即故障可以由过度发热引起,以及故障会导致元器件过度发热;同样存在因故障而不发热(如开路)的情况,因此不发热本身也可能揭示故障或功能失常[3]。
电路中的耗能元件和电流回路在工作状态时的温度变化最为显著,并且也是故障的多发区域。在同一种工作状态下,电路的温度是一个连续变化的过程,直到温度饱和。利用红外热像仪对整个电路进行非接触的温度扫描,就可以得到该电路的热像图。如果元器件发生故障,则电路热像图与正常工作时的热像图就会产生差异,通过这个差异就可实现电路故障的诊断。
2 故障判别方法
利用红外成像技术诊断电路故障,通常是用电路有故障时拍摄的热像图与电路正常工作时所拍摄的热像图(事先采集整理好)相比较,根据两者差异判断可能的故障部位或故障器件。在故障出现时根据维修保障需要现场采集的,因此,拍摄的故障热像图会受到多个因素的影响,主要有:
(1)环境温度。因为季节和地域的差异,拍摄故障热像图时的环境温度可能与标准热像图的相差达数十度,文献[4]给出了环境温度误差的影响。
(2)检测角度,即热像仪镜头平面与检测面的角度。红外辐射率与角度是有关系的,通常检测角度在小于30°时对检测结果的影响较小。
(3)检测距离,即热像仪镜头与待测面的距离。因为红外线在空气中的衰减很小,同时在电路检测时,一般距离在1m内,为了提高精度只需要保持多次检测的距离一致。
(4)检测时机。电路在线工作达到一定时间后温度会达到饱和,检测时机选择不当会错过故障发生过程或贻误故障暴露最明显的时刻[5]。
利用电路的温度变化规律来诊断电路故障可以较好地克服以上因素的影响。从电路工作开始,其耗能元件和电流回路的温度是逐步变化的。在同一种工作状态下,当温度相对饱和时,就趋近于一个定值。利用红外热像仪,从电路工作开始到温度相对饱和为止,以固定的时间间隔拍摄热像图。取出所关心区域或器件的温度数据,绘制时间/温度曲线图。通过对电路正常和故障时的时间/温度曲线图进行比较,即可诊断电路故障与否。
3 实验举例
选取某设备分机中的一块电路板。我们用转接板或连接线将待测电路板转接到分机外部,这样做一是在加电后减少相邻电路板对待测电路板的温度辐射,二是可以固定热像采集的距离和角度。
3.1 实验准备
检测设备是美国Fluke公司生产的Ti50型红外热像仪。主要参数如下:
(1)探测器:60Hz,320x240,焦平面阵列(FPA),氧化钒(VOX)非制冷微辐射计
(2)光谱带:8~14μm
(3)热敏度:≤0.050℃(30℃时)
(4)电子缩放:2x
(5)数字显示屏:5英寸高分辨率,320x240,日光可读彩色液晶显示屏(LCD)
(6)标准光学元件:20mmf/0.8锗视场-水平x垂直(提供可选镜头),空间分辨率(IFOV):1.3mrad,最小焦距0.15m
(7)校准温度范围:范围1=-20℃~+100℃(-4℉~+212℉),范围2=-20℃~+350℃(-4℉~+662℉)
(8)准确度:±2℃或±2%
(9)操作温度:-10℃~+50℃(14℉~122℉)
(10)可见光有效像素:1280(水平)1024(垂直)
固定热像仪,让其镜头平面正对待测电路板,保证检测时每次拍摄的距离和角度相同。根据检测环境的空间条件,在本次实验中检测距离选取50 cm。
3.2 实验电路
实验电路板为某设备的电源分配电路。图1为待测电路板的PCB图
故障设置:图1下方的P1根据实验的需要将会换上对应过载和开路的故障器件进行热像采集。
3.3 实验过程
标准热像图的采集。从加电(此时电路板的初始温度近似于环境温度)开始,每隔4秒拍摄一幅热像图,拍摄30幅热像图。图2给出第一幅(左)和第六十幅(右)热像图,需要说明的是,由热像仪直接采集的热像图是彩图,考虑到出版要求这里给出的热像图是对原图进行了灰度处理后得到的。
图2正常工作时第一幅(左)和第六十幅(右)热像图(参见右栏)
故障热像图的采集。将待测板上的P1更换成相应有故障器件。重新加电,按照上面的方法也拍摄30张热像图。图3给出故障状态下第一幅(左)和第六十幅(右)热像图。P1开路时温度仅有微小变化,限于篇幅不给出热像图比较。
3.4 实验分析
由测温软件取出图2、图3中白框区域内(即器件P1在热像图中占据的区域)的温度数据,包含区域内最高、最低温度和区域的平均温度。器件的内部结构决定了温度在其中的分布是不均匀的。本实验需要的是温度随时间变化的情况,因此选取了器件的最高温度作为实验数据。从拍摄的热像图中取出正常工作和故障时对应时刻的P1的最高温度,用MATLAB绘制曲线,如图4、图5。
图4中曲线y1表示为P1正常工作时的温度缓慢升高趋于某一值。曲线y2显示随着时间的变化P1温度迅速升高,说明器件内部的电流发生了变化,可以判断故障与P1相关。图5中曲线y3只有微小变化(受到周围器件的热辐射而升温),远小于曲线y1的变化幅度,可以判断故障与P1相关。
3.5 实验结论
根据温度变化曲线判别出的可能故障器件与实验设置的故障器件是一致的,因此利用红外热成像技术检测电路板的温度变化来诊断故障是可行的。相对红外热像图的差分检测方法,温度变化曲线能够更好地诊断出温度细微变化的故障。由图5可以看出P1开路时和正常工作时温度仅相差3℃,随着不断的热辐射,温差还会缩小,这时用差分法得出的结果就不太明显了。特别是当整幅热像图中高低温差很大的时候,较小的温度变化就很难被差分法诊断出来。
4 结束语
近几年来,"状态维修"已经取代预防性定期维修成为国际上研究的热点。基于红外温度变化规律诊断电路故障的方法正是从"状态维修"的角度出发来研究问题的,它能够分别利用器件从完好到故障过程中的不同状态下的温度变化规律来诊断器件的当前状态,方法新颖,而且具有一定的实用价值。该方法还需要进一步完善的方面有:a.完善温度数据的自动采集手段;b.细化电路红外温度变化规律的数学统计方法;c.合理地设置温度变化曲线的判决门限。
参考文献
[1]刘陶,李运祯,龚镇.基于红外热像图像的电路板故障检测[J].电子技术,2008,(4):66-67.
[2]余曼丽,潘伟,朱若寒.红外成像检测技术在工程中的应用及其发展[J].国外建材科技,2007,28(3):51-53.
[3]张永萍,李景飞,赵希.电子故障红外检测研究[J].中国表面工程,2006,19(5+):121-122.
[4]张健,杨立,刘慧开.环境高温物体对红外热像仪测温误差的影响[J].红外技术,2005,27(5):419-422.
[5]张树军,魏汝祥,范春利.电气设备红外故障诊断中的影响因素分析[J].激光与红外,2007,37(2):141.
红外温度 第5篇
煤矿井下隐蔽高温区域探测一直是困扰我国煤矿自燃火灾防治的一大难题,应用热红外成像仪进行探测和分析,定性和定量研究松散煤体有源温度场变化及影响参数,认清和掌握松散煤体内部热量传递规律,对探测井下煤层自燃隐蔽火源具有重要的实际工程应用价值[1]。
红外测温仪以其操作简便、结果直观、响应迅速、非接触测温的特点在各行各业中都得到了广泛的使用。煤科院合肥分院利用红外测温仪在判断电气故障、观察顶板与围岩离层、破碎情况、探火、探水、指导注浆灭火、观察应力等方面都做出了积极的尝试[2]。兖矿集团王振平等系统性的使用红外测温仪进行了井下煤自燃隐蔽火源探测的研究和应用。包括易氧化区域的预防探测,和煤巷近距离自燃火源位置的红外探测与反演研究[3]。
2实验原理及设计
2.1实验原理
实验目的是研究有热源的松散煤体表面温度与热源温度的对应关系,基于以上理论分析,在松散煤体内部人为添加线状热源,给热源输入恒定的电流,使其产生持续稳定的热量,该热量传导到与热源相接触的松散煤体上,部分煤又不断向周围的煤层传递热量,以致整个煤体内部温度场发生变化,通过温度传感器记录温度变化(以备后续实验分析),表面温度也会不断发生变化,到温度场达到稳定,用红外热像仪的红外成像功能,直观地显示出煤层表面的红外辐射情况。
2.2实验条件
为了尽可能的降低外界环境因素对实验准确性的影响,本实验是在特制的不透明封闭空间里进行,封闭的空间很好的减少了空气的流动,实验期间,室内灯光始终处于开启状态,以减少光线强弱变化对实验带来的影响。
2.3实验材料
实验煤样为山东赵楼煤矿1/3气肥煤,破碎至粒度为8-10mm。为了让散煤煤样不跨落,将煤样装在事先做好的能承受相当重量的钢板制成的立方体箱中,钢是热的良导体,为了减小对传热的影响,箱体内部紧贴钢板处再添加了一层绝缘隔热板,顶部盖子揭开以便露出上表面,表面即为红外热像仪观测面。
2.4实验设计
煤体尺寸为60cm×60cm×40cm,模拟线状加热源,加热棒(功率350W,长28cm,直径1cm)水平居中放置在距表面10cm处,层前后均为30cm,左右均为16cm,图1。温度传感器分别在平行于地面的三个平面分层布置,如图2、3所示。1、2、3号距表面2cm,4、5、6号距表面5cm,7号距表面10cm。红外热像仪固定在距松散煤体表面1.5m处。
3实验过程及结果分析
3.1实验过程
本次实验从2010年11月9日20:00正式开始,加热棒温度为100℃,传感器温度每5分钟自动采集一次。温度场达到稳定状态时,用红外热像仪在松散煤体表面拍照。然后将加热棒温度按50℃的间隔升高到400℃,每当温度场达到稳定状态时用红外热像仪拍照。11月11日21:00实验结束,共经历49小时。
3.2红外照片分析
本次实验共采集到7张红外照片,如图4所示,从红外照片上,可以清楚的看到,当热源为线状时,表面高温区域呈椭圆状,并且随着热源温度的升高,高温区域不断扩大。
3.3加热棒垂直投影区域温度分布规律
红外照片为384×288像素,左上角为(0.0)像素点,右下角为(384.288)像素点,利用ThermoProTMTP8红外热像仪自带的分析软件,可以获取每个像素点的温度。根据前期尝试性试验,得知当红外热像仪距被测物1.5m时,照片上7个像素点对应实际1cm,且松散煤体表面中心位置的像素为(185.122)。由于加热棒长28cm,直径1cm,在红外照片上,取(181.24)、(189.24)、(181.220)、(189.220)4个像素点,连接成矩形区域(如上述红外照片所示),即为加热棒在表面的垂直投影区域。
将该区域的温度数据导出,得到7×197组温度数据,将水平7组数据取平均值,得到1×197组新数据,即为加热棒所对应的温度。达到稳定时温度分布只与由x、y、z方向传入煤体的热量有关系。将像素点延加热棒方向建立横坐标,其垂直投影区域上方顶端为零点,以温度为纵坐标,建立坐标系,得到温度与像素坐标关系,如图5中曲线所示。
从图5中可以看出,与加热棒垂直投影区域温度有较大的波动,总体呈先升高后降低的趋势。根据曲线的变化趋势,利用二次函数:
式中:t—加热棒垂直投影区域温度;
x—像素坐标;
a、b、c——常数系数。
对曲线进行拟合,如图5中黑色曲线所示,拟合曲线基本符合原曲线变化趋势。每条拟合曲线对应的二次函数系数如表2。
3.4热源温度与系数a、b、c的关系
为获得表面温度t与热源温度T的关系,先研究热源温度T与系数a、b、c的关系:由二次函数的性质,可知在公式t=a(x+b)2+c中,a表示该函数的开口程度,-b为该函数的对称轴,c为该函数的最大值。从曲线图上可知,其对称轴基本出现在加热棒中部,因此认为b不随热源温度变化,其值取上述7组b的平均值,为-101.8248。a值与温度T函数曲线如图6,c值与温度T函数曲线如图7。
利用线性插值的方法对a和c进行拟合,得到如下公式:
式中:T——热源温度。
将拟合值与实验值进行比较,可知a、b、c的平均误差分别为7.73%、3.52%、2.56%,满足实际需要。
3.5表面温度与热源温度关系
结合上述分析,将公式(1)、(2)、(3)进行联立,得到如下公式:
将上式变形,得:
即为热源温度与表面温度的关系。在利用由公式(4)反推得到的公式(5)进行求解时,由于数据的近似计算,会将误差放大。通过实验数据进行校验,得出公式(5)的误差为9.74%。
4结论
基于上述实验,在保持热源位置不变的情况下,通过改变热源温度,利用红外热像仪对表面温度进行探测,得出如下结论:
(1)当热源为线状时表面高温区域呈椭圆状,并且随着热源温度的升高,高温区域不断扩大。
(2)加热棒垂直投影区域温度t与像素坐标x满足二次函数关系:t=a(x+b)2+c。系数a=-0.000003T+0.0001,b=-101.8248,c=0.0865T+33.686(式中T为热源温度)。
(3)表面温度与热源温度、像素坐标满足关系式:
其计算误差为9.74%。
参考文献
[1]葛文奇.红外探测技术的进展、应用及发展趋势[J].光机电信息,2007(4):33-37GEN Wen-qi.Current Status and Development Trends ofInfrared Detection Technology[J].Ome Information,2007(4):33-37
[2]刘高文.煤自燃特性参数研究及应用[D].西安科技大学,2002
[3]王振平,程卫民.煤巷近距离自燃火源位置的红外探测与反演[J].煤炭学报,2003,(12):19-24WANG Zhen-ping,CHENG Wei-min.The calculation ofclose-range coal inflammation position at coal-roads basedon infrared detecting and inverse heat conduction technolo-gy[J].Journal of China Coal Society,2003,(12):19-24
[4]余曼丽,潘伟,朱若寒.红外成像检测技术在工程中的应用及其发展[J].国外建材科技,2007,28(3):51-54YU Man-li,PAN Wei,ZHU Ruo-han.Application of IRThermograph and Its Development in Engineering[J].Science and Technology of Overseas Building Materials,2007,28(3):51-54
[5]郑兆平,曾汉生,丁翠娇,等.红外热成像测温技术及其应用[J].红外技术,2003,25(1):96-98ZHENG Zhao-ping,ZENG Han-sheng,DING Cui-jiao,et al.Summary on the Infrared Thermal Imaging Temper-ature Measurement Technology and Its Application.Infra-red Technology,2003,25(1):96-98
[6]关荣华.红外热诊断与导热反问题计算[J].红外技术,200,224(5):49-51ZHENG Rong-hua.Study of Infrared Thermal Diagnosisfor the Internal Conditions[J].Infrared Technology,200,224(5):49-51
[7]蔡毅.对红外热成像技术发展的几点看法[J].红外技术,2000,22(20):31-34CAI Yi.Some Opinions on the Development of InfraredThermal Imaging Technology[J].Infrared Technology,2000,22(20):31-34
[8]戴景民.辐射测温的发展现状与展望[J].自动化技术与应用,2004,23(3):1-6DAI Jing-min.Survey of Radiation Thermometry[J].Techniques of Automation and Applications,2004,23(3):1-6
[9]崔中平,吴玉国.煤层自燃火源位置精确探测技术的应用[J].山西煤炭,2003,3(1):46-48CUI Zhong-ping,WU Yu-guo.Application of PreciseProbe Technology on Coal Spantaneous Fire Location[J].Shanxi Coal,20033,(1):46-48
红外温度 第6篇
现代战争越来越重视通过目标所产生的红外辐射来探测、识别和攻击目标,为了提高武器装备的战场生存能力,首先需要掌握其红外辐射特性。
坦克是地面战争的主要机动性攻击武器装备。坦克的结构决定了其动力舱空间狭小,内置动力装置和传动装置,高温热源多,除冷却空气流动的进排气窗外,其它部位均是封闭的,造成动力舱装甲板具有较高的温度,太阳的辐射也会引起装甲板的温度升高。因此动力舱装甲板的红外辐射成为坦克被红外探测器探测的重要信号。
本文建立了动力舱装甲板温度场计算模型,通过与试验值的对比检验了温度计算精度,在此基础上计算了动力舱的红外辐射特性。
1 动力舱装甲板温度场计算模型
1.1 动力舱装甲板传热分析
坦克动力舱装甲板由前装甲板、顶装甲板、左右侧装甲板、后装甲板及底装甲板组成。装甲板内表面与动力舱空气之间存在对流换热,装甲板外表面与环境空气之间存在对流换热并受到太阳的热辐射,因此装甲板的传热是耦合传热问题,见图1。
可见,要求解动力舱装甲板的温度场,就需要掌握动力舱外空气流动状况、动力舱内空气流动状况、太阳辐射状况以及装甲板节点之间的导热状况。对此,本文应用了外流场和内流场与装甲板导热耦合、太阳辐射热量作为边界条件的CFD数值求解策略。
1.2 计算区域及网格划分
动力舱装甲板热平衡计算区域由三部分组成,即动力舱外空气流场区域、装甲板区域和动力舱内空气流场区域。动力舱外空气流场区域为舱外大气环境,其确定原则是在其表面上可以方便地设置空气流入、流出的计算边界条件,计算区域尺寸对冷却风道流场与温度场的计算结果不产生影响;同时要尽可能的节约计算资源。最终满足上述要求的计算区域是通过多次数值计算得到的。取距动力舱顶装甲板上方2.5 m、距左右侧装甲板分别1.5 m、距后装甲板1.5 m、距前装甲板0 m的区域,作为动力舱外空气流场区域。装甲板区域包括前装甲板、顶装甲板、左右侧装甲板、后装甲板及底装甲板,顶装甲板考虑了进排气百叶窗的尺寸与位置。动力舱内空气流场区域为整个动力舱内的空气流动风道,做出动力舱内动力装置和传动装置等部件的三维几何实体模型,由动力舱总容积减去实体模型,即为动力舱内空气流场区域。
采用分区的结构化网格和非结构化网格对计算区域进行网格划分,图2显示了整个计算区域的网格示意图。图3是装甲板的网格示意图。
1.3 边界条件与求解
对动力舱外空气流场区域的入口处采用压力入口边界条件,考虑环境空气的温度、压力、风速的作用影响,并加入坦克行驶速度的影响,输入进口边界处的空气总压、总温和湍流参数;对动力舱外空气流场区域的出口处,应用压力出口边界条件,输入出口边界的静压和倒流状态的参数;对动力舱内空气流场区域的壁面,应用壁面函数法边界条件,壁面温度应用热网络法求出动力装置[1]和传动装置[2]的表面温度及其向动力舱内空气的散热量;对于风扇边界,将已知的试验特性曲线作为边界输入;换热器边界输入已知的试验特性曲线。动力舱装甲板温度场计算中的耦合计算区域为动力舱风道内空气、动力舱装甲板和动力舱外部空气。对于计算区域中耦合边界视为内部边界,全部定义为固体壁面边界,装甲板温度由内热源传热、对流换热和辐射换热动态地决定,在计算中固体壁面边界可以自动在相耦合的两个体之间传递热交换条件,无需再进行单独定义。太阳热辐射边界条件选择离散坐标计算方法,输入经度、纬度和时区;日期和时间;方位朝向和太阳辐射因子。
应用三维湍流可压缩空气流动与传热控制方程组描述计算区域的空气流场,由质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、标准k-ε湍流模型和完全气体状态方程组成[3]。
对流场与装甲板温度场求解不同的能量方程,流场与装甲板温度场互为边界条件交换数据,实现耦合解算。装甲板内的传热方式以导热为主,同时考虑辐射换热的影响,求解的能量方程形式如下[3]:
式中:k表示热导率(W/(m2·k));T表示温度(K);St表示热量源项(W)。
应用Fluent软件,对动力舱装甲板温度场进行数值计算。控制方程的离散采用一阶迎风差分格式,选择非耦合求解器和Coupled求解算法。经过循环迭代计算,获得收敛解。
2 动力舱红外特性计算模型
将动力舱装甲板划分为若干单元,并认为各个单元表面的温度不变。划分原则是温度变化梯度大的区域划分较密集,其他部位划分较稀疏。对于动力舱装甲板外表面上任一单元,其红外辐射由自身辐射和反射辐射两部分组成。
2.1 自身辐射模型
在获得动力舱装甲板表面温度场以后,其自身红外辐射通量可以直接从普朗特公式得到。考虑3∼5µm和8∼14µm两个波段。普朗特公式近似表示为[4]
式中:Eλ1∼λ2表示动力舱装甲板表面的光谱辐射照度(W/m2);C1、C2分别表示第一辐射常数和第二辐射常数,C1=3.743×10-16 W·m2,C2=1.438 7×10-2 m·K;λ表示辐射波长(m);T表示动力舱装甲板表面的温度(K)。
2.2 反射辐射模型
装甲板外表面的反射辐射为
式中:ρsun表示表面红外波段范围的太阳反射率;ρ表示表面红外波段范围的反射率;Esun表示表面接收红外波段范围的太阳辐射(W/m2);Eground表示表面接收红外波段范围的地面辐射(W/m2);Esky表示表面接收红外波段范围的天空辐射(W/m2)。
1)太阳辐射
表面所接收的太阳辐射照度为
式中:E0表示太阳常数,P表示该地区某时的大气透明率(取0.75),m表示大气质量,i表示某时太阳入射角。大气质量和太阳入射角的计算详细计算公式见文献[5]。
对于晴天水平面的天空散射辐射照度Edis[5]:
式中:θ表示所在平面与水平面的夹角,h表示太阳高度角。
则接受的太阳总辐射强度为
2)地面辐射
与水平面呈θ角的表面获得的地面反射辐射强度[5]:
式中ρG表示地面平均反射率(取30)。
3)天空辐射
表面所接收的天空辐射为[6]
式中:ea表示空气中水蒸气分压力(k Pa);σ表示黑体辐射常数,其值为5.67×10-8(W/m2·K4);Ta表示室外空气温度(K);φ表示接受辐射的表面对天空的角系数,垂直面φ取0.5,水平面φ取1。
2.3 辐射强度模型
动力舱装甲板的辐射亮度L和辐射强度I为
式中:ε为表面材料的发射率;∆A为动力舱装甲板表面的面积(m2);θt为探测方向与红外辐射面法向量的夹角(rad)。
3 温度计算值与试验值的对比
为了检验计算精度,对坦克行驶过程中动力舱装甲板外表面温度进行了测试。将计算值与试验值进行了对比。采用铜-康铜热电偶,二次仪表为采用16路智能巡检仪。在顶装甲板外表面布置了8个测点,主要布点原则是,重点区域和温度变化梯度大的区域密布测点,其他部位疏布测点。图4是测点布置示意图。
试验时每个测点记录三组数据,将三次的值求平均后为该测点的温度试验值。坦克挂4挡、车速38.05km/h稳定行驶,进排气百叶窗全开,环境大气温度23℃、压力99.15 k Pa。表1是顶装甲板表面温度计算值与试验值的对比。最大相对误差为9.034%。
4 设计工况计算结果及分析
针对坦克挂5挡、车速57.24 km/h稳定行驶的设计工况进行了计算。由于动力舱前装甲板与乘员舱相连、左侧和右侧甲板被行走系统所遮挡、底装甲板基本不影响动力舱的红外特征,因此以下只给出动力舱顶装甲板和后装甲板的计算结果。图5是动力舱顶装甲板外表面温度场等值线示意图。从图中可以看出,顶甲板表面温度最高处达到64℃,这主要是装甲板内侧发动机排气管的高温影响所致;由于受动力舱排出高温空气的影响,排气百叶窗的温度也较高。
图6为动力舱后装甲板温度场云图,图中坐标X为车长方向,坐标Y为车宽方向,坐标Z为车高方向。可以看出,后装甲板最高温度40.4℃,这是由于风扇位于后装甲板内侧,动力舱内高温空气通过风扇排出舱外,高温空气与后装甲板换热导致温度较高。
坦克动力舱装甲板红外辐射强度随其方位角而变化的关系称为辐射方向图,它是表征坦克红外辐射特性的重要参数。图7和图8分别为动力舱顶装甲板和后装甲板在波长范围3∼5µm和8∼12µm时辐射强度方向图。可以看出,红外辐射的最大方向在动力舱装甲板辐射方向与动力舱尾甲板辐射方向的合成方向。由于坦克炮塔的遮挡,动力舱装甲板辐射向前侧方向较弱,向后侧120°观测角方向较强。
5 结论
1)本文在基于FLUENT商用CFD软件对坦克动力舱装甲板温度场计算的基础上,进行了红外辐射特征的数值研究,与相关实验数据的对比表明计算结果与实验结果仅相差9.034%,验证了本文计算方法和结果的正确性。
2)利用本文提出的方法可以预测动力舱装甲板温度场分布和红外辐射分布,从计算结果可以看出动力舱顶表面是主要辐射源,排气百叶窗和排气管附近顶甲板表面温度较高,这些区域是坦克的红外辐射特征明显区域,是红外制导武器的红外导引头的探测敏感区域,也是坦克红外隐身设计和红外抑制技术予以重点关注的区域。
3)我们仅通过定性的方法对红外辐射计算的结果进行了分析,表明计算模型已基本反映了事实的一般规律,满足工程要求。
摘要：建立了坦克动力舱装甲板温度场数值计算模型,针对坦克动力舱装甲板的红外特性进行了理论计算。采用耦合计算方法计算了装甲板的温度场,通过装甲板和空气双向耦合换热计算,并考虑太阳辐射对装甲板温度场的影响,预测了装甲板温度场分布和辐射强度分布。动力舱装甲板温度场的计算结果与测试结果的相对误差小于9.034%,基本满足工程设计的需要。研究结果表明,动力舱顶装甲板是主要辐射源,排气百叶窗和排气管附近顶装甲板是坦克的红外辐射特征明显区域。
关键词：红外辐射温度计,动力舱,温度场,装甲板
参考文献
[1]王普凯,毕小平,黄小辉.装甲车辆动力装置部件温度的网络化预测方法[J].兵工学报,2008,29(6):641-644.WANG Pu-kai,BI Xiao-ping,HUANG Xiao-hui.Prediction of Temperature for Armored Vehicles Power Device Using the Network Method[J].ACTA ARMAMENTARH,2008,29(6):641-644.
[2]许翔,毕小平.履带车辆传动系统的传热仿真研究[J].农业机械学报,2007,38(4):28-32.XU Xiang,BI Xiao-ping.Simulation of Heat Transfer in Tracked Vehicle Transmission[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2007,38(4):28-32.
[3]陶文铨.数值传热学[M].西安:西安交通大学出版社,2004:485-488.TAO Wen-quan.Numerical Heat Transfer[M].Xian:Xi’an Jiaotong University Press,2004:485-488.
[4]姚连兴,仇维礼,王福恒.目标和环境的光学特性[M].北京:中国宇航出版社,2005:15-17.YAO Li-xing,QIU Wei-li,WANG Fu-heng.Target and Environment Optical Features[M].Beijing:Yuhang Publishing Company,2005:15-17.
[5]王章野,陆艳青,彭群生.基于气象学和传热学的城市建筑物红外成像模型[J].系统仿真学报,2000,12(5):517-524.WANG Zhang-ye,LU Yan-qing,PENG Qun-sheng.An Infrared Image Synthesis Model of City Building Based on Meteorology and Heat Transfer[J].Journal of System Simulation,2000,12(5):517-524.
红外温度 第7篇
模拟目标温度特性是红外模拟器的一个主要功能指标。本系统红外目标模拟器是布设于海上由多个电阻式加热单元组合拼装而成的。其中, 通过远程实时测量并监视加热源温度状态是真实考核被试装备性能的一个重要环节。而在以往的应用中多采用热敏电阻作为温度传感器, 存在着测温精度较低和可靠性较差等问题。同时, 针对偏远海区实时数据通信等实际情况, 合理选择通信手段, 并开展温度数据采集改进设计, 用以实现适合于海上作业的便捷且可靠的温度采集系统是十分必要的。
1 相关工作
传统的测温元件有热电偶和热电阻, 其测出的一般都是电压, 必须经过A/D转换等接口电路转换成数字信号后才能送给微处理器进行处理, 使得测温装置的电路结构复杂, 降低了系统的工作可靠性[1]。文献[2-4]中都详细地描述了基于DS18B20数字温度传感器的应用案例, 其直接读取被测温度以及独特的单总线接口实现与单片机双向通讯的特点, 有效弥补了以往模拟式温度传感器的不足。而在无线通信方面, 多采用的是GSM、GPRS、3G和无线以太网等形式[5,6,7,8], 存在着保密性不强或是传输距离短等不足。通过对比分析:数传电台采用专网形式, 具有安装简便、投入费用低、可靠性高和保密性强等优点, 更适合于地理环境复杂或无公共网络信号覆盖等实际应用环境。为此, 系统针对海上使用要求, 拟采用DS18B20作为温度传感器, 数传电台作为通信手段的方法, 并结合单个目标模拟器的实际尺寸等特点, 合理进行了温度采集点布设的改进工作。通过软件编程与硬件设计相结合的方式, 实现该系统设计。
2 系统设计
整个系统由数据采集端和数据接收端2部份组成, 二者之间通过无线信道通信。DS18B20温度传感器、AT89C52单片机和数传电台组成数据采集端, 完成温度数据的采集和无线发送;另一部数传电台通过RS232接口连接PC机组成数据接收端, 完成温度数据的接收和处理, 如图1所示。
2.1 加热单元温度采集点布设及外部连接
红外目标模拟器是由50个加热单元组合拼装而成的平面结构。其中, 每个加热辐射单元的形状和尺寸相同, 即都为长1.7 m、宽1.2 m的长方形。处于加热状态时, 存在温度分布不均匀现象, 特别是其边缘温度略小于中间部位, 而以往单点测温方式则存在着不能准确描述加热单元平均温度值的缺点;同时, 由于采用1个温度传感器进行测温, 也存在着工作可靠性低等问题。为此, 每个加热单元都采用4点测温的方法, 通过均值计算, 准确获取温度数据。单个加热单元温度采集点布设及外部连接示意图如图2所示。
每个加热单元中的4个温度传感器均匀分布, 并同时连接于12芯信号线插座, 通过集线箱统一与外部数据处理器 (单片机AT89C52) 进行数据传输[9,10]。配电箱通过外部电源对每个加热单元及集线箱进行独立供电, 其中, 集线箱具有电压转换功能。模块化的设计简化了系统结构, 并能有效解决因个别传感器、线缆或加热单元本身发生故障而无法获取温度数据等问题, 提高了工作可靠性。
2.2 目标模拟器温度采集硬件设计
系统硬件部分主要集中在数据采集端, 它由DS18B20与单片机AT89C52组成的温度测量模块和单片机AT89C52与数传电台间的串行通信模块2部分组成。其中, 在DS18B20采用外部供电方式情况下, 单片机AT89C52的单根I/O线作为总线可以挂接多个温度传感器, 实践证明, 一根总线挂接200个DS18B20是现实可行的。但是, 单总线长度也不宜过长, 否则也会影响到数据的传输[3]。在这种情况下采用分组的方式, 用单片机的多个I/O来驱动多路DS18B20。采集系统原理框图如图3所示。
选取单片机AT89C52中的4路I/O口作为总线接口, 即形成4条总线结构, 每条总线驱动50个温度传感器, 并都能独立实现对50个加热单元的测温功能。因为DS18B20是单线数字接口元器件, 因此它与单片机AT89C52的硬件接口十分简单, 工程上易实现。
AT89C52与数传电台间的通讯接口采用MAX232接口芯片。由于串行通信标准RS-232C实现简单、成本低、技术成熟, 而MAX232芯片是包含2路接收器和驱动器的IC芯片, 适用于各种通信接口。芯片内部有一个电源电压变换器, 可以把输人的+5 V电源电压变换成为RS-232C输出电平所需要的+10 V或-10 V电压。所以, 采用此芯片接口的串行通信系统只需要单一的+5 V电源就可以了, 降低了电路的复杂程度[11]。
2.3 软件设计
每个DS18B20都有其唯一的序列号, 这样在读取1条总线上串接的多路温度信息时就不会发生混乱。首先处理器对温度传感器DS18B20进行初始化, 经确认复位成功后, 处理器发送一条ROM操作指令, 激活序列号匹配的DS18B20, 再发送RAM指令, 控制选中的DS18B20完成温度转换及读取工作。4条总线发送命令与接收数据同步进行, 所花费的时间等同于操作1条总线所用的时间, 这样可以一次输入或输出多个数据, 从而达到同步快速读取温度数据的目的。
加热单元上的温度传感器布设好后, 在单片机AT89C52中对DS18B20进行分组设定。因为单个DS18B20序列号是唯一的, 所以对于每个加热单元来说, 测得的4个温度数据也是确定的。通过处理器计算4个测温点的温度均值, 最终实现较准确的温度采集。当个别传感器或线路损坏时, 处理器将依据无数据传输线路进行识别, 确认该组温度传感器, 并对加热单元的其余有效数据进行计算和传输。
2.4 数传电台
系统采用的数传电台是PDL-35。PDL (Position Data Link) 是一种专用的差分定位数据链, 采用新型的无线MODEM, 广泛应用于各种RTK和DGPS系统中, 操作简单、轻便、高可靠性, 适用于各种恶劣的环境。高达19 200 bps的无线传输速率, 方便的用户界面, 野外可显示工作状态, 更换频道, 全天候使用。
该型号数传电台的发射功率有2 W和35 W两种。在海上工作中, 可依据实际气象和地理环境等因素适当选取发射功率。实践证明:在通视的情况下, 2 W发射功率最远传输距离可达到70~80 km, 已满足使用要求。
3 实验结果分析
为检验该系统温度采集性能开展了实验分析。实验按10∶1的比例随机选取5个加热单元进行加温测试, 监测距离50 km。
实验一:当被测加热单元温度都稳定在50℃时, 采用手持测温仪对其进行近距离 (接近于物体表面) 多点温度测量, 计算出的均值作为温度真值;同时记录远程采集的温度值并与真值进行比较, 计算采集的温度误差。
实验二:为检验系统工作可靠性以及4点测温效果, 通过断开温度传感器线路的方法, 对被测试加热单元分别进行1点、3点 (假设一路温度传感器或线路损坏) 和4点测温实验。实验结果如表1所示。
数据表明, 该系统采用4点进行温度采集, 其绝对误差最大值为0.3℃, 远远小于1点温度采集的最大误差值1.2℃, 有效验证了该系统改进后温度采集数据更接近于真实值。而在假设一路温度数据无法采集的情况下, 加热单元温度数据依然能够进行采集, 并且最大误差值为0.5℃, 既满足了指标要求, 又提高了系统工作可靠性。
4 结束语
DS18B20与AT89C52组成的温度采集系统具有抗干扰能力强、对环境要求不高、实现起来简单而且可靠性较强等优点, 可通过数传电台形成无线串行接口电路完成与PC机的远程串行通信, 实现PC机对读取的温度数据进行方便的实时处理。在温度采集点设计方面, 可依据加热单元的尺寸大小变化, 合理地增减采集点数量以及改变布设位置。如要求在更远距离的情况下进行温度监测, 则可采用北斗用户机的手段进行远程数据通信, 或者通过设计多路数据通信的方法同时采用数传电台和北斗, 形成互为备份手段。
摘要：针对以往海上红外目标模拟器温度采集系统存在的测温精度低、温度采集点少和工作可靠性差等不足, 采取了使用数字温度传感器以及增设温度采集点数量等改进措施。结合远距离温度监测的实际需求, 提出了以DS18B20作为测量温度传感器, 以AT89C52单片机作为核心控制单元, 由数传电台组成无线串行接口电路的方法, 实现了一种远程温度采集系统。实践证明系统具有测温精度高、性能稳定和投入成本低等优点, 改进效果明显。
关键词：红外目标模拟器,温度采集,DS18B20,AT89C52,数传电台
参考文献
[1]周丽, 裴东兴.基于MSP430单片机的超低功耗温度采集系统设计[J].电子测试, 2011 (10) :35-38.
[2]万海林, 毛哲, 张卓然.基于SPCE061A的蔬菜大棚远程温度监测系统[J].武汉工业学院学报, 2012 (6) :55-61.
[3]任志华, 李永红.基于DS18B20的多路温度检测系统设计[J].电子测试, 2012 (7) :39-42.
[4]刘侃, 林园, 杨艾兵, 等.基于CAN总线的多点测温系统设计[J].火炮发射与控制学报, 2010 (9) :74-77.
[5]邓小星, 喻寿益.多功能工程机械远数据采集与传输终端的设计[J].计算机技术应用, 2010 (2) :1-5.
[6]吕力清.基于GSM短信功能的测温系统设计[J].四川兵工学报, 2011 (7) :102-104.
[7]陈基伟, 陈小菊.基于GPRS的无线远距离数据采集传输装置[J].机电工程, 2011 (10) :1 246-1 249.
[8]洪成华, 曹娟, 赵旭阳, 等.基于无线通信实现方式的PLC网络研究[J].计算机与网络, 2011 (10) :70-72.
[9]庞晓玲, 刘振纲.基于单片机的温度记录系统[J].现代电子技术, 2010 (8) :167-168.
[10]龚鑫祥.单片机C8051F342在无线数据传输中的应用[J].计算机与网络, 2011 (8) :44-46.
红外温度 第8篇
关键词：温度传感器DS18B20,单片机STC89C52,四位数码管F5461BH
引言
体温是一个重要的人体生理参数,体温计无论是在日常保健中还是在临床诊断中都是必不可少的医用计量器具[1]。传统的测温技术通过测温元件与测量对象直接接触进行充分的热交换,基于测温物质(如水银)的热胀冷缩的原理进行读数测量,它具有简单直观,价格低廉的优点。但也存在有响应速度慢,读取数值比较困难,易破碎,有毒性,易污染环境等缺陷[2]。红外测温仪利用人体发出的特定波段的红外线来测量人体的温度,采用高精度的红外传感器和新型的微处理技术,以非接触方式来快速、准确、方便的测量,克服了传统温度计的缺陷[3]。
1.红外测温的原理
红外测温仪是以黑体辐射定律作为理论基础,是光学理论和微电子学综合发展的产物。使用红外线传感器在非接触的条件下检测辐射的红外线变化,并将其转换成电信号输出。对电信号补偿放大,再通过数模转化后,把电信号以数字信号的形式传递给单片机,单片机运算处理后通过显示器件输出温度数值。如今,红外检测技术的精准度不断升高,已由原来的工业级精确到能够测量人体温度,且技术上也相对比较成熟[4]。
红外线在地球上属于一种非常丰富的资源,一切温度高于绝对零度的物体都能够向外界辐射电磁波(包括红外线)。物体辐射红外线的能量符合普朗克分布定律:Mλ=[C1λ-5]/[exp(C2/λT)-1],其中Mλ为黑体的辐射出射度,λ为波长,T为绝对温度,C1、C2为辐射常数。由此推导出维恩位移定律:λm·T=2898 um·k[5],可用来计算物体辐射电磁波的波长。人体的正常体温为36~37.5℃,即309~310.5K,其辐射出最强红外线的中心波长约为9.4um。
2.系统整体设计
人体红外温度计设计的系统总体框架图如图1所示,本设计包括5个模块,包括DS18B20温度传感器模块、STC89C52单片机处理模块、按键模块、数码管显示模块和电源模块;在设计中使用电池给系统供电,选用STC89C52单片机为处理器,通过DS18B20温度传感测量感受到的人体温度后传输给STC89C52单片机进行运算处理,最后通过数码管显示测量后的温度,主要特点:
(1)利用人体红外辐射原理来测量温度;
(2)采用普通电池供电;
(3)响应速度快,响应精度高;
(4)使用简单,价格低;
3.系统硬件设计部分
3.1单片机处理模块
STC89C52是STC公司生产的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机,其工作电压在2.4V到5.5V之间,具有特殊的看门狗功能,执行速度快,可擦写次数多,低功耗,高性能的特点。
3.2 DS18B20温度传感器模块
DS18B20是美国DALLAS公司生产的数字式温度传感器,其主要特点为一个引脚就可以进行信息的传输,在焊接过程中不需要外围元件,测温范围在-55℃到125℃之间,精度可以达到±0.5℃,可以通过电池供电,也可以通过数据线进行供电,电压范围在3.0V~5.5V之间,同时可以设置报警装置,近年来广泛用于粮库等需要测量和控制温度的地方。
3.3其他模块
显示模块采用四位数码管F5461BH显示,有助于清晰显示温度,与液晶显示屏相比较能够有效地降低生产成本;键盘模块用于设置温度上限以及测量温度;蜂鸣器在设计中起到预警作用,当测量物体的实际温度高于我们自身初始设置的温度上限时,蜂鸣器立即工作,同时起到报警作用。
4.系统软件设计部分
4.1主程序
先接通电源,在通电状态下STC89C52单片机先进行初始化,开始运行程序;然后判断按键是否按下,若没有按下,则不进行温度的检测,若判断按键按下,则进行温度的检测,显示器会显示检测出来的温度;若检测出的温度高于设定的温度,则蜂鸣器会发出响声,显示器同时也会显示出检测到的温度。整个程序的流程图如图2所示。
4.2 DS18B20程序
温度传感器是系统的核心器件。DS18B20温度传感器包括初始化时序、写时序和读时序,该程序的流程图如图3所示。
(1)初始化时序。单片机将数据线DQ电平拉低后稍作延迟,可输出持续的低电平,单片机收到该信息后进行操作。
(2)写时序。当单片机将数据线DQ电平从高电平拉到低电平时,产生写时序,有写“0”和写“1”两种时序。如果是低电平则为“0”;如果是高电平。则为“1”。
(3)读时序。当单片机从DS18B20读取数据时,产生读时序。此时单片机将数据线DQ的电平从高电平拉到低电平,进行初始化。如果此时在15μs内,如果是低电平则为“0”;如果是高电平。则为“1”。
5.系统调试与数据测试分析
图4为实际制作的红外测温系统实物图,系统经过软硬件安装,电路焊接后,先进行基本的功能测试调试,各项功能满足设计后进入最后的温度测量调试。将传统水银温度计、无透镜系统和添加菲涅尔透镜系统的测试结果进行对比分析,评估设计的准确性,图5是三种测试方式下获得的温度数据对比图。
1)由图5中数据可知,水银温度计测试平均温度值为36.42℃,平均差为0.104℃;无透镜系统测试平均温度值为35.38℃,平均差为0.216℃,相对水银温度计测试数据其不稳定度较大。原因是水银温度计测试时间较长(3分钟),最后结果为3分钟内的峰值温度,而红外温度测试系统为瞬时温度,有出现误差的可能性;同时也与红外线的汇聚和测试方式有关系。为减小误差,提高数据准确性,我们选用了菲涅尔透镜用于汇聚红外线,有透镜的系统测试的平均温度值为35.8℃,平均差为0.16℃,其稳定性有了较大提高,接近水银温度计的稳定性。
2)水银温度计价格便宜,性能稳定,但同时也有很多缺点。首先,水银温度计中的水银有毒,能够污染环境,温度计破碎后水银流出,被人体吸收对身体会造成极大伤害;第二,利用水银温度计测试一般需要3到5分钟,花费时间长;第三,水银温度计存在读数误差,不同的人对于同一支水银温度计会有不同的读数。人体红外温度计可以克服以上缺点,安全无毒,对环境没有污染作用;测量速度快速,测量方式简单方便,无需与人直接接触。
3)通过数据对比发现两种红外温度测试系统其测试温度均低于传统水银温度计,主要原因是人的体表温度低于体内温度,而且体表温度还受外界环境的影响,系统惯有误差的存在加上其他因素,测量温度会有所降低[6]。市面上的测温仪器,一部分通过对程序设计进行修改,另一部分则是通过其他硬件优化,第二类比较少。一般而言,添加光学系统可增强测量稳定性,系统误差可通过调制转换函数关系即可达到体内温度范畴,而这需进一步深化研究。
参考文献
[1]赵小兰,胡征,马国欣,徐驰,陈华辉,便携式红外线人体测温仪的设计[J].电子测试,2013,22
[2]陈可中,谭翔,董建杰,郑明辉,王戎丞,肖桂平,红外测温仪的设计[J].电子测量技术,2007,30(10):11-14
[3]王振运,孟立凡,张璐,红外人体测温仪[J].电子世界,2015,(14):163-165
[4]曾强,舒芳誉,李清华.红外测温仪-工作原理及误差分析[J].技术与应用.2007(02)
[5]刘立军,张春燕.基于维恩位移定律的一些光学测温系统[J].西华师范大学学报,2013,34(4):405-408