非接触式红外温度测量装置在真空干燥箱中的测量及应用
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（1.吉林省计量科学研究院 吉林省计量测试仪器与技术重点实验室 吉林长春 130103; 2.吉林省质量技术监督中等职业学校 吉林长春 130000）
摘 要：本文基于红外热电堆传感器，将红外非接触式测温技术用于对真空干燥箱内的红外温度监测研究。系统设计包括三通道红外测温光学系统及红外探测器，数据采集及保存功能模块，实现了三通道测温功能。通过蓝牙传输模块实现了温度的无线数据传输。利用设计的红外测温装置，实现了对真空干燥箱内实际温度的实时监测与校正，达到了实用要求。
关键词：红外 非接触 热电堆传感器
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）02（c）-0055-02
自从1800年英国物理学家赫歇尔发现红外辐射的100多年以来，红外技术的发展速度缓慢，直到20世纪40年代之后当代红外技术才真正得出现，整套红外辐射理论体系才被完整地总结出来[1-2]。
在诸多温度测量的研究中，瞬态温度测量往往是各国科学家争相研究的难题，为了解决瞬态温度测量的精确性和快速性等难题，国内外学者都已进行了大量的研究探索。目前，测量瞬态温度的方法有很多种，而大致总结出来基本可以分为以下两大类：一种是接触式测量方式，另外一种就是非接触式测温方法[3]。
红外热电堆测温即属于一种非接触式的温度测量方式，这种测量方式利用 红外热电堆探测热源发出的红外辐射，并将其转换成电信号进行传输与测量。由于探测红外辐射来测量温度具有非接触性，不需要接触被测物体，因此不会 改变物体周围的温度场。因而红外温度测量方式的准确性和灵敏度较接触式方法高出很多[4]。
1 红外热电堆传感器原理
红外热电堆是一种热释电传感器，其结构是由若干热电偶单元构成的一种器件，所以红外热电堆传感器的工作原理是基于热电偶元件得出的，而热电偶元件则是利用其组成材料的塞贝克效应的实现红外感知的。塞贝克效应的成因可以简单地解释为在温度梯度下导体内的载流子从热端向冷端运动，并在冷端堆积，从而在材料内部形成电势差，同时在该电势差作用下产生一个反向电荷流，当热运动的电荷流与内部电场达到动态平衡时，半导体两端形成稳定的温差电动势。这种电动势与热电偶两端间的温度梯度大致成线性关系，因此在理想状态下，两者成正比关系，由如下关系式可表示[5]：
△V=SAB△T （1）
式中，SAB代表相对塞贝克系数，其数值由制成热电偶的材料决定。
2 红外测温装置设计
对于红外测温系统的设计，整个系统的核心——红外测温探头的选取尤为重要，本文选择红外热电堆传感器作为测量装置的核心部件。
非接触式红外测温仪硬件结构如图1所示，包括单片机微处理器、电源电路、数据存储、三通道红外传感器、无线传输模块5个主模块。电源端由锂离子电池为各模块提供工作电压。
非接触式测温系统的前端首先就是红外光学系统，它的作用主要是改善红外辐射的分布，更有效的利用红外辐射光能。采用透射式光学系统进行红外辐射采集，使红外辐射信号会聚在探测器的灵敏面上。红外热电堆探测器将辐射信号转换成电信号，输入到放大电路。红外辐射照射到探测器上，转变为脉冲电信号。此时的电信号通常只有几毫伏。需要将信号由毫伏量级放大到数伏量级，且需对信号进行数字化的处理。系统包括温度数据存储模块以及无线传输模块。可以采用温度信息记录储存的方式，测试结束后再提取数据。在对电磁信号屏蔽较弱的控温设备检测中也可采用无线模块对数据进行实时的传送。
在模块的芯片中燒录信号编译程序，使热电堆探测器测得的模拟电信号转化为数字信号输出。其中，模拟信号转译电平的程序为ModebusCRC16算法，经转译后得到蕴含温度信息的TTL电平信号，红外热电堆探测模块需要将电平信号传输至无线数据发送装置，其中探测模块与无线发送装置间的交互协议为LRC数据发送协议，通过该协议即可将红外热电堆模块转译得到的TTL电平信号传输至无线装置进行发送。
无线传输部分将采用蓝牙连接方式，利用蓝牙发送模块连接红外温度探测器，可直接与电脑进行蓝牙配对，将热电偶探测器的温度数据由电脑蓝牙接收，导入测温软件中存储。在设计的红外测温系统中，使用HC-05蓝牙传输模块来负责系统采集数据的传输。 HC-05蓝牙模块与红外热电堆传感模块相连接，其连接端各接口之间需按数据交互的方式连接。将传感模块置于真空干燥箱内，并打开串口调试软件。箱内温度设定从80℃开始设置，待温度稳定后开始记录温度值。
3 实验结果
将真空干燥箱的初始温度设置为80℃，将红外热电堆探头放置在真空干燥箱内。待温度稳定后开始测温，每隔1min记录一次，测量30min。真空干燥箱内温度值随时间变化曲线如图2所示。
由图2可以看出在设定温度为80℃下真空干燥箱内的温度变化经历了多次先升温再降温的过程，且实际温度与设定温度存在着近20%的偏差。
通过实验所测得的箱内实际温度曲线，不难归纳出以下几个特点：红外测温系统测得的干燥箱内实际温度在设定温度下比设置的温度低。在干燥箱温度设定为恒定值时，箱内真实温度随时间的会出现小范围的波动，变化程度在0.3℃～0.5℃以内。箱内实际温度出现小范围内的明显上升或下降与真空干燥箱的工作状态有着很大的相关度，干燥箱加热启动时温度升高，停止加热时箱内实际温度降低。
4 结语
本文设计了一套适用于真空干燥箱内测温的红外温度监测系统，并完成了系统的实物装置制作。该系统由红外热电堆传感器、蓝牙数据传输模块、附带电源以及石棉隔热罩组成，利用测温系统连接电脑蓝牙传输温度数据的方法解决了真空干燥箱的密封性带来的无法有线传输数据的限制，并且使用石棉罩保护系统内部电子器件，克服了箱内的高温环境;在实验前对系统的稳定性也进行了测试，取得了比较稳定的结果，确保了测温系统对箱内温度测量的准确度与耐用性。在箱内设定温度为80℃的范围內对干燥箱实施了温度监测，得到了箱内实际温度，绘制出了恒温状态下的温度变化曲线，验明了真空干燥箱在不同设定温度下箱内的真实温度状况，也为日后同等高温密封条件下的温度监测研究提供了范本。
参考文献
[1] Rekant， Steven I.1，2;Lyons， Mark A.1，2，3;Pacheco， Juan M.1，2 etc. Veterinary applications of infrared thermography.[J]. AMERICAN JOURNAL OF VETERINARY RESEARCH.2016.
[2] Infrared thermography explained.[J]. Insight： Non-Destructive Testing & Condition Monitoring.2016.
[3] P. Vondracek;E. Gauthier;O. Ficker;M. Hron;M. Imrisek;R. Panek.Fast infrared thermography on the COMPASS tokamak[J]. Fusion Engineering and Design.2017.
[4] 党芬，王敏芳，汪银辉.武器装备中的红外隐身技术[J].红外技术.2006，28（1）：50-53.
[5] 王魁汉.温度测量实用技术[M].北京：机械工业出版社，2007.
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