红外温度计——精确测量温度的新方法

　　红外温度计广泛用于消费和工业应用。红外温度计的一些优势包括：

　　● 响应迅速(ms级别)，用户在单位时间周期中能获得更多信息;

　　● 可测量移动、旋转或振动对象的温度;

　　● 可以测量较高的温度(超过1500°C)，而接触式温度计难以支持这么高的温度，而且寿命也较短;

　　● 不会发生机械损坏，也不会污染被测量物的表面(如涂漆面、食物、软塑料);

　　● 不会影响测量对象，因而可测量所有对象的温度。此外也适用于导热性较高的物体，这些物体只要受到接触，温度就会改变(如玻璃、木头、小型物体或极薄的物体);

　　● 检测正在制造的实际产品，不是进程的另一部分;

　　● 检测危险或无法接触对象的温度，传统温度计此时是无法使用的;

　　● 其准确度与传统温度计相当。

　　红外温度计的工作原理

　　红外温度计的底层技术原理是所有物体都具有放射性，会在电磁辐射频谱上的红外区域出现波长。红外区是人眼可视区域之外的电磁辐射区域(蓝到红，0.4-0.75 um)。由于IR辐射主要由热量生成，因此又称为热辐射。图1显示的是电磁频谱。

　　所有物体的辐射都取决于物体的温度。黑色体的光谱辐射特点理论上可用普朗克定律计算。黑色体会吸收照射到其自身之上的所有电磁辐射。普朗克定律给出了波长同黑色体辐射强度关系的函数。图2显示了有关温度的函数关系。

　　从图2可以看出，曲线显然不会交叉，这就是说不同波长的辐射强度是温度的严格函数。通过检测辐射强度，我们就能确定物体的温度。温度升高，辐射频谱每个波长上的强度也会增加。这就是说，我们检测其辐射强度就能远程确定物体温度。如果物体温度上升，就会发出暗红光，温度进一步上升，就会转而发出浅红和亮白光。太阳温度为6000 K，人眼所适应看到的太阳辐射就是白光。

　　如果被检测的物体温度低于400℃，我们需要的辐射检测器必须能检测出比可见频谱波长大得多的波长。我们需要的检测器要能够对10 µm波长左右的红外区非常敏感(也叫作热辐射区)。目前可用的各种感应器能准确检测和测量3到20µm的红外(IR)波长区。以温差电堆作为感应器的IR温度计通过物体发出的IR辐射检测温度。

　　温差电堆检测IR辐射并根据客户要求提供在多个范围内校准过的输出信号。

　　温差电堆感应器的IR吸收器与一组热偶相连接。热偶的冷触连接到已知参照。这些热电偶检测物体温度。感应器的环境温度用热敏电阻检测。通常输出大小为微伏单位级。

　　温差电堆通常有四个引脚，其中两个在一系列热电偶上提供电压，其他两个引脚用于检测热敏电阻。感应器生成的电压与红外入射辐射强度成正比。由于所有物体都发出一定强度的IR辐射，我们可根据感应器信号推算出物体温度。该辐射大小是温度的严格函数。温度为Tobj的物体发出的总辐射Pobj可表述为：

　　方程式1

　　其中，σ为斯忒藩-玻耳兹曼常数，而就是所谓的物体放射因数(辐射系数)。在理想情况下，的值为1和0。对大多数物质而言，放射因数在0.85到0.95之间。方程式1称为斯忒藩-玻耳兹曼定律。

　　热平衡方程式表明，感应器接收到的净功率Prad与两个温度Tobj和Tamb相关。在大多数情况下，仪器的温度Tobj等于(或接近)环境温度Tamb。因此，我们将此温度称作环境温度Ta。Tobj温度情况下从物体接收到的总热量Prad计算如下：

　　方程式2

　　入射辐射Prad的大小也取决于感应器接收辐射Ø的锥形开口处角度。物体和感应器的辐射系数等同于。感应器生成的电压Vtp与入射辐射Prad成正比。

　　方程式3

　　方程式4

　　其中，s是敏感度，k是校准常量，而是辐射系数。

　　通常，热偶的敏感度在微伏级水平。如果环境温度固定，则能给出Vtp和Tobj之间的经验关系，我们也可从感应器制造商提供的查询表中来获得物体温度。我们从图2中清晰地看出，Vtp随环境温度(Ta)而变化。补偿环境温度，就能得到正确的物体温度。

　　设计方法

　　温差电堆感应器的输出通常为微伏级水平，因此要用极低噪声、极低偏置的放大器进行放大。放大器的模拟信号可用ADC进行数字化，并存储为放大后的VTP。根据Vtp，可通过查询表或感应器特性获得未补偿的温度。

　　用热敏电阻和已知的精确参考构成分压器。热敏电阻值可用简单的基尔霍夫定律计算。利用查询表或感应器制造商提供的斯坦哈特方程式，可根据热敏电阻获得环境温度Ta。感应器未补偿温度加上环境温度Ta即可得到对象温度。图6是整体方框图。LCD显示屏、存储器、小键盘、USB等外设成为各种IR温度计的组成部分。

　　综上所述，整体物料清单包含两个精确放大器、LCD驱动器芯片、带ADC的MCU、USB控制器、片段LCD、参考电压、EEPROM、小键盘等。

　　SoC架构设计的适用性

　　就新一代片上系统(SoC)而言，上述所有功能都能在单芯片上得到实现。例如，赛普拉斯的PSoC就集成了微控制器核心、放大器、过滤器块、可配置的ADC、LCD驱动器、触摸按钮/近距离检测等电容感应、内部存储器、全速USB 2.0以及其他各种功能。

　　图7给出了用PSoC实施红外温度计的示意图。在该设计方案中，PSoC集成了两个放大器、ADC、微控制器核心、存储器、全速USB、电容触摸感应、片段LCD驱动器等，据此能实现真正的单芯片IR温度计。