基于红外/可见光技术的辐射测温技术研究

论文摘要

在工业生产和科学研究等众多领域都要求对温度进行测量。传统的温度测量方法是采用热电阻或热电偶。这些接触式测温方法虽然具有简单、可靠、精度高等特点,但是需要温度探测器与被测物体直接接触进行热传导,直至热平衡之后方能测量出温度,而且这种方法只局限于中低温测量,对于较高的温度测量就不适用了。如果需要测量液体的温度,用于测温的探头多为一次性的,属易耗品,测温成本较高。除此之外,我们还需要对一些运动物体进行温度测量,这些物体的运动形式可能多种多样,如旋转运动、简谐运动、摆动等,对这种情况就必须采用非接触式测温方法了。辐射测温法就是一种非接触式的测温方法,其优点是能够测量运动物体的温度而不破坏被测物的温度场。一般常用于温度检测的辐射光波长范围为0.4～40μm,属于红外/可见光波段。本课题拟在研制一套基于红外/可见光技术的辐射测温系统,用于对运动物体进行温度检测。本文首先对辐射测温原理进行了深入的研究,在比色测温法的基础上结合实际应用情况提出了比幅测温法的概念。然后根据设计指标进行器件选择和硬件电路设计,调试通过后设计合理的温度标定实验获取离散的电压温度（V-T）数据,再对数据进行曲线拟合,对多个曲线拟合模型比较之后,选用了指数模型并计算得到了V-T函数,求取反函数得到温度关于电压的T-V函数,实际测温时只需将测得的电压数值代入这个T-V函数便可计算出对应的温度值。由于整个测温系统的电路和光路都会引入噪声,最后建立了一个误差补偿模型对获取的温度值进行修正,提高了测温的精度。本文最后通过实验测试给出了该辐射测温系统的各项性能参数,结果证明本课题所论述的基于红外/可见光技术的辐射测温系统具有较高的测温精度和响应速度,符合实际应用的要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的目的及意义
• 1.2 辐射测温技术的发展和研究现状
• 1.3 辐射测温系统实现方案及框架
• 1.4 论文主要研究内容及章节安排
• 第2章 辐射测温原理
• 2.1 黑体辐射定律
• 2.1.1 普朗克定律
• 2.1.2 维恩位移定律
• 2.1.3 斯忒藩-波尔兹曼定律
• 2.2 比色测温法原理
• 2.3 比幅测温法
• 2.3.1 比幅法测温的原理
• 2.3.2 比幅测温的3种处理模式
• 2.4 本章小结
• 第3章 器件选择与电路设计
• 3.1 设计指标
• 3.2 光电器件选择
• 3.2.1 光电管主要参数
• 3.2.2 光电管I-V特性曲线
• 3.2.3 光电管等效模型
• 3.2.4 光电管工作模式
• 3.2.5 光电管的选择
• 3.3 放大电路设计
• 3.3.1 放大器的选择
• 3.3.2 直流偏置引入
• 3.3.3 光电转换电路设计
• 3.3.4 恒温模块
• 3.4 位置信号检测
• 3.4.1 位置检测原理
• 3.4.2 电路设计
• 3.4.3 实验结果
• 3.5 本章小结
• 第4章 温度标定及温度曲线拟合
• 4.1 温度标定实验设计
• 4.1.1 温度标定目的及意义
• 4.1.2 实验设计
• 4.1.3 实验数据
• 4.2 V-T曲线拟合
• 4.2.1 非线性曲线拟合原理
• 4.2.2 常用曲线拟合模型
• 4.3 1stOpt曲线拟合工具
• 4.3.1 1stOpt软件简介
• 4.3.2 1stOpt的拟合效果及误差分析
• 4.3.3 1stOpt拟合的优点
• 4.4 本章小结
• 第5章 性能测试与结果分析
• 5.1 辐射测温系统的性能参数
• 5.1.1 频带特性
• 5.1.2 信噪比与温度误差
• 5.1.3 温度灵敏度
• 5.1.4 噪声影响
• 5.2 辐射测温系统实验结果及分析
• 5.2.1 线性误差修正模型
• 5.2.2 InGaAs管测试结果
• 5.2.3 Si管测试结果
• 5.2.4 比幅法测温实验结果
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢