热释电传感器的非接触式测控系统设计

摘要：介绍了利用热释电红外传感器进行非接触式测温的基本原理、红外测温系统结构和信号处理电路的组成。以此为基础，设计了一套非接触式红外测温装置，用该装置测定了移动目标表面温度。在模拟实际场景应用时，实现了对较远距离的运动行人体温的准确测量；装置还增加了高温报警电路和蓝牙无线通信模块，丰富了使用功能。
关键词：单片机；测控系统；热释电传感器；非接触式测温计；无线通信

引言
红外线的辐射波长约0．77～1 000 pm，红外辐射的不同波段有不同的应用。从军事上的红外线制导导弹、红外成像夜视仪，到包含高新尖端技术的红外气象卫星，从工业上普遍应用的红外光电计数器、红外测温仪、红外气体分析仪，到民用的波动式红外防盗报警器、人体红外自动照明开关等，红外传感技术已在空间、工农业、民用等各个领域得到广泛应用。热释电红外探测器简称热释电探测器，是近十年来在热探测领域得到重要发展的一种新型热探测器。据报道这种探测器可以广泛地用于辐射温度测量、红外光谱测量、激光参数测量、非接触式温度测量、T业过程自动监控、安全警戒、红外摄像与空间技术等方面。我国在这方面的研究，虽然起步晚些，但近年来也有重要研究成果报道，这种探测器和以往常用的测辐射热计、温差热电堆等热探测器比较，具有以下特点：
①频率特性好。其他热探测器都是在热平衡后输出最大，工作时辐照时间必须大于热平衡的时间常数(一般为数ms至数十ms)。而热释电探测器，是在非热平衡状态下工作的，热平衡时反而没有输出，因此工作时辐照时间必须小于热平衡时间常数(一般为0．1～1 s)。也就是说它的工作速度不受热平衡的限制，其频率的上限主要取决于其等效电容和后续电路。
②在室温下工作，不需制冷即能获得很高的灵敏度，可与低温下高灵敏度的测辐射热计相媲美。
③输出阻抗是纯电容性的，直流阻抗极高。
④体积小、重量轻、坚固。
因此，热释电探测器是一种很理想的红外辐射探测器，在热探测领域中占有十分重要的位置。

1 测量原理
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，物体向外辐射能量的大小及其波长的分布与它的表面温度有着十分密切的联系，物体的温度越高，所发出的红外辐射能力越强。黑体处于温度T时，在波长为λ处的
单色辐射出度由普朗克公式确定，即

热释电红外传感器由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有△T的变化时，热释电效应会在两个电极上产生电荷，即在两电极之间产生微弱电压△V。热释电探测器检测到变化的温度，经光电转换后，变成一个交流电压信号供信号处理电路进行处理。可由普朗克公式推导出辐射体温度的公式：

其中，T1为测目标的温度；T2为环境温度；ε1为被测目标辐射率；ε2为环境的辐射率；σ为斯忒藩-玻耳兹曼常数，且σ=5．670 3×10-8W·m-2·K-4；K为表示探测器的灵敏度，且有
K=R·α·ε·σ1R
其中，R表示挥测器的灵敏度；ε为辐射体的辐射率，定标时一般取1；α为与大气衰减距离有关的常数。

2 测温系统整体设计
红外测温仪的系统主要由光学系统、光电转换、信号处理、显示输出等部分组成。光学系统完成视场大小的确定，热释电探测器用将聚焦在探测器上的红外能量转换成电信号，经过放大、滤波后进行模／数转换，并送至单片机进行信号处理，液晶显示单元显示出被测目标的温度值。

3 信号处理电路设计
3．1 信号放大电路
当光信号经过热释电传感器后，就变为交变的脉冲信号，热释电传感器接收到的人体辐射信号很微弱，只有微伏或纳微伏数量级，故需要放大后才能进行信号处理。
本系统把信号的放大电路分为前置放大电路和后级放大电路进行处理。前置放大器必须是高增益和低噪声的，高增益是用来把微弱信号放大到一定电平，以便进一步再作处理，低噪声是为了保持尽可能高的信噪比。
放大电路采用低失调精密运算放大芯片LM358，其内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式。系统的信号放大电路如图1所示。

集成运放LM358特点是低失调、低噪声、低漂移，广泛用于精密仪器放大器、传感放大器等场合。红外传感信号由LM358的引脚3端口进入放大电路，图中电容C1用于滤除信号中的直流信号，电路可调电位器Rv1用来对传感器输出信号的增益进行调节。引脚7端口将放大后的红外传感信号送往信号采集电路单元进行模／数转换。