基MC9S08AW60的红外光纤测温系统设计.docx

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基MC9S08AW60的红外光纤测温系统设计

安徽工业大学

毕业设计（论文）任务书

课题名称

基于MC9S08AW60的红外光纤测温系统设计

学院

电气信息学院

专业班级

测控技术与仪器093班

姓名

学号

毕业设计（论文）的工作内容:

1.了解本次毕业设计任务及资料的收集、整理

2.学习红外光纤温度检测技术的基本原理

3.熟悉AW60单片机并进行系统设计

4.学习Protel软件并绘制电路图

5.毕业论文书写及毕业答辩准备

6.有关英文资料的翻译

摘要

热释电红外光纤测温仪是一种利用物体热释电效应而制成的新型红外光纤测温仪器，它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。

与传统的测温方式相比，具有响应时间短、非接触、不干扰被测温场、使用寿命长、操作方便等一系列优点。

本文详细介绍了热释电红外光纤测温仪测温的基本原理和实现方法，以热释电红外光纤测温仪现阶段的技术作为参考，提出并研制了一种基于MC9S08AW60微处理器的热释电红外光纤测温系统。

详细介绍了该系统的构成和实现方式，给出了硬件原理图和软件的设计流程图。

本文主要做了以下工作：

阐述了红外光纤测温仪的发展现状和分类，并指出了本文的研究意义；阐述了热释电红外光纤测温仪的原理，并对目前红外光纤测温的几种方案的优缺点进行了详细的介绍；对MC9S08AW60微处理器作了详细的介绍，并对本文用到的微处理器的功能特点和结构做了详细的介绍；详细分析了系统的功能要求，提出了总体设计方案，并在此基础上进行了系统的硬件设计，对每个部分所完成的功能和设计思路作了说明；介绍了系统的软件设计，以流程图的方式介绍了整个测温系统功能的实现；对系统的进一步的研究工作进行了展望。

关键词:

热释电红外传感器，光导纤维，放大器，MC9S08AW60，A/D转换

Abstract

Pyroelectricinfraredfiberopticthermometerisapyroelectriceffectusingobjectsmadeofnewinfraredfiberopticthermometer,whichblackbodyradiationlawastothetheoreticalbasisoftheopticaltheoryandmicroelectronicsintegrateddevelopmentoftheproduct.Comparedwiththetraditionaltemperaturemeasurementmethods,ithasshortresponsetime,non-contact,donotinterferewiththetemperaturefield,longlife,easyoperationandaseriesofadvantages.

Thispaperdescribesthethebasicprincipleandmethodofpyroelectricinfraredfiberopticthermometertemperaturemeasurementtopyroelectricinfraredfiberopticthermometeratthisstageoftechnologyasareference,proposedanddevelopedamicroprocessor-basedthermalMC9S08AW60pyroelectricinfraredfiberoptictemperaturemeasurementsystem.Detailsofthesystem'sstructureandimplementation,giventhehardwareschematicsandsoftwaredesignflow.

Inthispaper,thefollowingworkisdone:

Describesthecurrentdevelopmentandclassificationofinfraredopticalfiberthermometer,andpointedoutthesignificanceofthisstudy;elaboratedpyroelectricinfraredfiberopticthermometerprinciple,andpresentseveralscenariosinfraredopticalfibertemperaturemeasurementcarriedouttheadvantagesanddisadvantagesdetail;introducedMC9S08AW60microprocessorindetail,andthemicroprocessorusedinthisarticlefeaturesandstructuresmadeadetailedintroduction;detailedanalysisofthefunctionalrequirementsofthesystemproposedoveralldesignandonthebasisofthesystem'shardwaredesign,foreachpartofthecompletionofthefunctionanddesignideasareexplained;introducesthesoftwaredesignflowchartpresentationontheimplementationoftheentiremeasurementsystemfunctions;systemfurtherresearchworkwerediscussed.

Keywords:

Pyroelectricinfraredsensor,Opticalfiber,Amplifier,MC9S08AW60,A/Dconverter

1.绪论

研究课题背景

温度是确定物质状态的重要参数之一，它的测量与控制在国防、军事、科学研究以及工农业生产中占有十分重要的地位。

在工业生产中，我们需要经常对设备的运行状况进行监测来确保设备的安全运行，而对设备的监测通常通过测量其表面的温度来进行。

现代的工业设备往往是在高电压、大电流以及其它危险情况下运行的，传统依靠人工接触式检测的方法既浪费时间、物力、人力，又带有一定的危险性，同时对测温仪所采用的材质也有严格的限制，在这样的场合下，仪器的使用寿命也成为设计接触式测温仪时的一个重点考虑问题。

因此有必要去应用一种新的方式去检测目标系统的温度，确保设备的平稳运行。

温度的测量方法有两类，一种是利用电气参数随温度变化特性的热电阻、热电偶测温法[1]以及以膨胀式温度计为代表的接触式测温方法，另一种是以热辐射为代表的非接触式测温方法[2]。

前者的优点在于测得的温度是物体的真实温度，测温简单、可靠，其缺点在于动态性能差，需要接触被测物体，测温元件与被测介质需要一定时间的热交换才能达到热平衡，同时对被测物体的温度场分布有一定的影响，同时由于工业现场的高温、高压、腐蚀性等恶劣条件，影响了测温仪的精度和使用寿命，大大限制了接触式测温仪的使用；非接触式测温也叫辐射测温，一般使用热电型或光电探测器作为检测元件，其与接触式测温相比，具有响应时间短、非接触、不干扰被测温场、使用寿命长、操作方便等一系列优点，但受到物体的发射率、测温距离、烟尘和水蒸气等外界因素的影响，其测量误差较大。

目前应用最广泛的非接触式测量仪是红外测温仪[3]，它测温的理论基础是黑体辐射定律。

自然界的任何物体都在不停的向外辐射能量，物体辐射能量的大小及波长的分布与其表面的温度有着十分密切的关系，通过测量物体自身红外辐射的能量便能确定它的表面温度。

红外光纤测温仪概述

红外光纤测温仪简介

红外光纤测温仪是红外测温仪的一种，也叫做光纤传感测温仪。

对于普通的红外测温仪，其主要原理就是，通过非接触的方式来感知物体本身发射的红外线从而探测物体的表面温度。

对于红外光纤测温仪，其与普通红外测温仪的区别就是通过光纤来传送红外线到传感器，这样就可以将测温仪的光路系统和电路系统分开。

红外测温仪是一种将红外技术与微电子技术结合起来的一种新型测温仪器，它通过将被测物表面发射的红外波段辐射能量通过光学系统汇聚到红外探测原件上，使其产生一个电压信号，经过放大、A/D转换等环节处理，最后以数字形式直接在显示屏上显示温度值。

红外测温仪由光学部分和信号处理部分组成，其体积小，便于携带，操作简单，在各行各业中得到广泛应用。

红外测温仪已经有了几十年的发展历史，最早出现的是隐丝式光学高温计,它出现在上世纪初，直到现在仍在高温（800℃以上）测量领域被使用，它的结构简单、使用方便、测温范围广，但是在使用光学高温计的过程中，经常需要用人的眼睛进行亮度平衡，手动调节灯丝的温度，使高温计灯丝瞄准区域均匀地消失在辐射源或被测物体的背景上，但是由于生理限制，人眼的辨别能力会带来一定的观察误差，不适合于自动控制系统。

长期以来，三个方面的问题困扰了红外测温仪的发展。

第一个是微弱信号的放大和抗干扰问题；二是信号与所需要的温度值的非线性对应问题；三是探头所处温度对信号的影响。

自二次大战以来，光电导和光伏探测器及红外透光材料的高速发展，促使了红外测温和红外技术应用的发展。

20世纪60年代后，由于各种高灵敏度红外探测器、干涉滤光片以及数字信号处理技术的发展，大大促进了红外技术的应用的进程。

在60年代中期，出现了以光电倍增管作为检测器的光电高温仪，具有较高的灵敏度和精度。

在70年代初，硅光电探测器由于稳定性、线性度、灵敏度优良、结构牢固逐渐受到重视。

意大利国家计量院IMGc首先制成了用硅光电二极管作为检测元件的高精度光电高温计。

与此同时，辐射温度计的工作波长也从单波长逐步发展为多波长，仪器的功能也渐趋智能化，测量精度、响应速度、稳定性和分辨率都达到了相当高的水平,测温范围也从以往的中高温延伸到室温或更低温度，辐射测温仪的使用范围也越来越广。

红外光纤测温仪的优点

红外光纤测温仪相对于一体式红外测温仪的好处有很多，最主要的优点有如下两点：

1、由于将光路系统和电路系统分开，所以在工业现场应用时，可以将测温仪的光路系统安装到高温环境（可耐现场环境200℃，例如北京彗尔赛恩科技有限公司生产的HE-X光纤红外测温仪），并且可以长期在线稳定工作。

由于光路系统完全不含电，所以安装的工业现场完全防爆。

而测温仪的电路部分则可以安装到室内或者远离高温现场，通过光纤和光路部分连接，这样就完全避免了测温现场的高温对仪器测温的干扰。

2、由于光纤红外测温仪的红外信号是通过特殊材料的红外光纤传送到传感器上的，这样，在光路聚焦到光纤上时，只有光纤截面大小的光斑可以通过光纤传送到传感器，这样就避免了大面积的光线直接聚焦到传感器上对传感器进行的烘烤对传感器工作稳定性及寿命的影响。

并且，红外光纤采用特殊材料制作，可以只选择需要的红外波段通过光纤，这样就进一步减弱了光线对传感器的烘烤。

因此，光线红外测温仪相对于一体式红外测温仪来说有更好的稳定性和更长的使用寿命。

红外光纤测温仪的分类

通过测量辐射物体的全波长的热辐射来确定物体的辐射温度的称为全辐射测温法[4]；通过测量物体在一定波长下的单色辐射亮度来确定它的亮度温度的称为亮度测温法；通过被测物体在两个波长下的单色辐射亮度之比随温度变化来定温的称为比色测温法。

全辐射测温仪

全辐射测温仪是通过测量波长从零到无穷大的整个光谱范围内的辐射功率来确定物体的辐射温度[5]。

辐射温度就是指当实际物体总的辐射功率（包括所有的波长）与绝对黑体总的辐射功率相等时，则黑体的温度叫做实际物体的辐射温度。

目前尚无对全光谱波段辐射均匀相应的探测器，也没有能透过全光谱波段的窗口或透镜的红外光学材料，因此，全辐射测温只是一个理想化的概念。

实际使用的全辐射测温仪只是对较宽波段范围的辐射进行的测量，所接收的辐射能量为总辐射能量的大部分值。

根据斯蒂芬-波耳兹曼定律

（1-1）

式中

为绝对温度为T时物体的光谱辐出度；

为物体的光谱发射率；T为物体的绝对温度；λ为波长；

为第一辐射常数；

为第二辐射常数；

为物体表面的发射率；σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数[6]。

由上式可以知道，物体表面的辐射功率不仅取决于物体的温度T，还依赖于物体表面的发射率ε。

由于不同物体的发射率差异很大，所以不能只通过测量辐射功率来单一地决定物体的温度。

全辐射测温仪通常要通过黑体定标。

设黑体温度为

，它所对应的辐射功率为

（1-2）

在仪器定标和实测时，若两者的接收功率相同，应有如下关系

（1-3）

由此得

（1-4）

其相对误差为

（1-5）

因为被测物体的发射率ε总小于1，所以全辐射测温仪的指示温度总低于物体的真实温度。

显然，目标的发射率越接近于1，则测温仪的指示温度就越接近目标的真实温度；反之，发射率越小，误差就越大。

单色测温仪

单色测温仪是通过测量目标发射的某一波长范围内的辐射功率来确定目标亮温的仪器[7]。

所谓亮温是指温度为T的辐射体，如它在某一波长范围内的辐射功率与温度为

的黑体在同一波长范围内的辐射功率相等，则定义

为该辐射体的亮温。

假如目标的光谱发射率

已知，将普朗克公式在

内积分

（1-6）

可知，测温仪接受到的辐射功率只与温度有关。

若取

为单位波长，在

时，式（1-6）将简化为

（1-7）

若用黑体标定，由亮温的定义，这时，温度为

的黑体辐射能量应等于温度为T的目标辐射能量。

即

（1-8）

于是得

（1-9）

由式（1-9）可知，测试波长选的越短，由发射率引起的误差就越小，所以单色测温仪一般工作在短波区。

但短波单色测温仪的温度覆盖范围窄，易受外界的干扰。

而长波单色测温仪虽然测量误差偏大，但它有较宽的温度覆盖范围，且对太阳、炉壁、火焰等高温物体的杂散辐射引起的误差不大敏感。

此外，根据维恩位移定律可知，随着温度的升高，辐射功率最大的波长向短波方向移动。

因此，测量低温目标宜选用长波波长，而测量高温目标宜选用短波波长。

比色温度计

比色测温仪是根据两个波段辐射能量的比值与物体温度的函数关系来测定物体色温的[8]。

设实际物体的真实温度为T，在波长

和

处的光谱发射率为

和

。

当该物体在这两个波长处辐射功率之比与某一温度为

的黑体在这两个波长处的辐射功率之比相等时，这个黑体的温度

就叫做该物体的有色温度，简称色温。

比色测温仪可在一定程度上消除因发射率不同而造成的误差。

只要发射率在这两个波段内的变化是缓慢的，这两个波段上的辐射能量的比值就主要决定于被测物体的表面温度。

而光学系统上的灰尘、视场局部被遮挡、测试空间有烟雾、灰尘和测距变化等，只要它们对这两个波段的辐射功率的影响近于相同，这些因素对测量结果就无显著影响[9]。

同样，元件的性能或电路放大倍数的变化对测量结果也无显著影响。

根据色温的定义，假定有

和

两个波长范围，且

选为单位波长，

。

利用黑体标定目标温度，则由式（1-7）得出两个波长辐射功率的比值为

（1-10）

经整理得

（1-11）

由此可见，为了提高比色测温的精度，关键是选择合适的波长，使两个波长处的发射率相近。

一般说来，

和

越接近，

和

相差就越小，测量误差也就越小。

而由式（1-10）亦知，若将

和

选择在短波，且两者相差较大，测量误差也会减小。

可见，这两方面的要求是矛盾的。

除去以上三种主要测温方法之外，其它的测温方案还有多波段测温法和最大波长测温法。

多波段测温法的测温原理是依次取多个波段，通过计算这些波段辐射功率之间的复杂关系来确定物体的温度，该测温法精度比较高，但测温仪的结构复杂。

最大波长测温法的测温原理是依据维恩位移定律中黑体辐射峰值波长与绝对温度之积为一常数，此方法测温结构简单，但只适用于极高温度的测量。

各种测温方案的优缺点如表1-1所示

表1-1各类测温方法的优缺点比较

红外光纤测温仪工作原理及测温方法

光导纤维的介绍

光导纤维自问世以来，得到了迅速的发展和应用，形成了一个新的技术领域。

光导纤维在传感领域中的应用，解决了不少用传统方式难以解决的技术问题，在

温度测量方面也不例外。

光导纤维的特点：

（1）光导纤维是一种透明度很高的材料制成的传输光信息的导光纤维，用于沿复杂通道传输光能、图像与信息。

这种传输在高电压、大电流、强磁场、强辐射和高噪声等恶劣环境下也不产生火花，不引燃引爆，不受干扰，因而使用安全可靠。

（2）用光纤原理测温，传感器的体积很小，不破坏被测温场、耐高温高压、抗化学腐蚀、物理和化学性能稳定。

由于光纤传感器具有高灵敏度，传送信息容量大，柔软可挠曲，高强度，低损耗，宽频带等特点可在密闭狭窄空间等特殊环境下进行测温。

所以，容易实现对复杂测温条件下温度的远距离监视，可使仪表部分远离现场。

（3）光纤构型灵活，可制成单根、成束、Y形、阵列等结构形式，可以在一般传感器难以达到的场合进行测温。

光纤温度传感器的分类：

光纤温度传感器即光纤测温的探头，其种类繁多，可分别按材料、作用及应用等进行分类。

1．按材料分类

（1）氧化物

氧化物光纤以石英系为主。

石英易加工成均匀而细长的丝，透光性好、性能稳定、资源丰富、工艺简单、价格便宜，而且可挠性好和抗拉强度高。

（2）非氧化物

非氧化物光纤有氟化物、硫化物、卤化物及塑料等。

其中塑料光纤衰减大，不宜作传感器材料；氟化物光纤的制造工艺还存在一些问题。

2．按作用分类

（1）功能型：

光纤具有感温和导光双重功能；

（2）非功能型：

光纤只起导光作用，感温功能由其它温度传感元件来实现；

（3）拾光型：

用光纤作探头，接收被测对象的辐射以及反射或散射。

3．按应用分类

（1）接触式：

使用时光纤温度传感器与被测温对象接触。

（2）非接触式：

使用时光纤温度传感器不与被测温对象接触，而采用热辐射原理感温，由光纤接收并传输被测物体表面的热辐射。

光导纤维的构造与原理

（1）构造

光导纤维外表如同一根塑料导线，其分为三层，如图所示。

图光纤的构造

光导纤维的最里层是用透明度和折射率均很高的材料制成的芯线，以石英居多；中层是折射率很低的包层，材质为石英、玻璃或硅胶等；最外层则是塑料制作的保护层。

在光纤中，芯线与包层是两个同心的圆柱体，各有一定厚度，芯线居中，包层在外，两层之间无隙。

要求芯线材料的折射率必须大于包层材料的折射率，使光线在其中发生全反射，具有传输光的性能。

（2）工作原理

光纤的工作原理如图2．2所示。

图光纤的工作原理

光线AB由光纤端面入射，OO为芯线轴，两者的交角为

，折射角为

的折射线与芯线和包层的界面交与C点。

此折射线与C点界面法线DE的夹角为

，并由界面折射至包层CK，CK与DE之夹角为

，由斯乃尔定律得到

（1-12）

以及

（1-13）式中：

为入射光线AB所在空间的折射率；

为芯线折射率；

为包层折射率。

由于

（1-14）

由式（1-12）和（1-13）得出

（1-15）

因为

（1-16）

所以

（1-17）

对空气而言，

=1则

（1-18）

在

的临界状态时，

，

为临界角，则

（1-19）

此时，

为“数值孔径”，用NA表示，其值由上式可知，即由芯线和包围的

折射率确定。

光纤制成以后，它是一个常数。

数值孔径NA是光纤的一个重要参数，其值可反映出光纤接受辐射能量的多少。

其值越大，表示临界角越大，光纤所能接受的辐射能量越大，光纤与探测器耦合效率也越高。

但由于受到全反射条件限制，NA值过大，使光能在光纤中传输的衰减也相应增加。

由于

，故

另

，称为相对折射率

（1-20）

当

时，

，入射角小于临界角的光线，将在芯线与包层界面上产生全反射，光线沿光纤传播不泄露。

红外光纤测温仪的工作原理及测温方法

一切温度高于绝对零度的物体时时刻刻都在不停的辐射红外能量，物体辐射的红外能量的多少与物体的表面温度存在一定的函数关系。

通过探测器接收物体辐射能量再经过计算获得物体表面温度的方法称为红外测温。

红外测温具有响应速度快、灵敏度高、准确度高和测温范围广的优点，尤其是其非接触测量的特点，使红外测温在测量运动物体和难以接近的物体的温度方面得到了很好的应用。

光纤红外测温仪是一种结合红外测温技术和光纤传感技术、实现高精度、高重复性、快速响应、非接触测量的新型测温仪器。

它一般由红外探头、传光光纤、电子模块、信号传输电缆等组成。

被测物体的红外辐射经红外探头透镜汇聚到光纤前端，通过光纤传输及红外滤光片过滤后的红外能量，被红外探测器接收并转换成相应的电信号，此电信号经电子线路的放大、线性化处理后以标准的信号输出方式输出。

光纤红外测温仪就是将光线通过光纤传送到传感器上，而不是直接由透镜聚焦到传感器上。

其余的原理同普通红外测温仪一样。

红外测温仪的测温原理是黑体辐射定律，众所周知，自然界中一切高于绝对零度的物体都在不停向外辐射能量，物体的向外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的联系[10]，物体的温度越高，所发出的红外辐射能力越强，黑体的光谱辐射出射度由普朗克公式确定，即

（1-21）

黑体辐射出射度由斯蒂芬一玻耳兹曼定律确定,即

（1-22）

其中

，称为第一出射度；

，称为第二出射度；

，称为斯蒂芬一玻耳兹曼常数；

表示波长；

T表示热力学温度。

由于实际物体并非黑体，所以实际物体的辐射出射度还需要在上式中乘上体的辐射常数，即

（1-23）

表示物体的辐射出射度

因此对于进入红外测温光学系统的光线,经过探测器的光电转换后，其电压

（1-24）

这里面的K与探测器的灵敏度、光学系统中光谱的透过率等有关，由实验时确定。

因此，可以通过检测电压而确定被测物体的温度，上式表明探测器输出信号与目标温度呈非线性关系，V与T的四次方成正比，所以要进行线性化处理。

线性化处理后得到物体的表观温度，需进行辐射率修正为真实温度，其校正式为：

（1-25）

式中Tr——辐射温度（表观温度）

ε（T）——辐射率，取～

由于调制片辐射信号的影响，辐射率修正后的真实温度为高于环境的温度，还必须作环温补偿[11]，即真实温度加上环温才能最终得到被测物体的实际温度。

红外光纤测温仪的应用

红外测温仪在工业上的应用非常广泛，用的最多的主要是便携式红外测温仪及在线式红外测温仪。

目前，随着光纤红外测温仪技术上的日趋成熟，以及其在工业现场显现出来的优点日益突出，光纤红外测温仪也已开始慢慢替代在线测温的一体式红外测温仪，应用于工业现场的各个场合。

光纤红外测温仪目前的主要应用市场是在工业现场。

因为一体式红外测温仪对使用环境要求很苛刻，一般要保持仪器安装在环境温度不超过50℃场合，否则将会因电路元件受温度的影响而导致测量值失真，甚至仪器损坏，