基于比色原理的高温测量系统研究与实现

论文摘要

温度是一个基本的物理量，是生产过程中应用最普通、最重要的工艺参数，无论是工农业生产、科学研究，还是国防现代化，都离不开温度测量。在航天、材料、冶金、能源等领域，温度测量尤为重要。目前在冶金、材料、化工等工程领域，温度测量的工作环境具有高温、强干扰、强腐蚀等特点。对于这些测量条件恶劣，技术难度高的特殊环境，温度测量时的工作特点是变化快、温度高、不可重复性。而对于这些特殊要求，一些常用测量技术，如热电偶、热电阻以及辐射温度计等，它们虽已在技术上成熟，但仅能在一般应用现场有较好的效果，在特殊环境下不能满足测量要求。本文针对工业冶金高温测量时的特点，设计了基于比色原理的高温测量温度计。该比色温度计具有精度高、抗干扰能力强，并且因设计时的低功耗、低电源、小体积，使得它便于携带，并能在狭小空间处应用。本文首先介绍了高温测量的发展概况和国内外的研究现状，对单色测温法、多光谱测温法进行了比较，并对比色法测温原理进行了详细的阐述，证明了比色测温的独特优点。而后在分析目标信号和背景信号特性的基础上，设计出对物体进行色温度探测的设计方案。辐射能通过光纤传导，进入光电二极管内，实现将光能量信号转换为电流信号，然后选用低噪声的I/V转换运算放大器，将电流转成电压并进行放大。模拟电压信号通过有源滤波器滤除噪声后，进入24位高精度A/D转换器，转换为数字信号后由微处理器获取数据并按照比色测温原理进行数据处理，最后将测得的温度进行显示。具体的硬件电路设计是按照模块化的方式进行介绍，包括各硬件模块的功能原理、设计方案、芯片选择依据以及抗干扰设计等。系统的软件开发同样也采用模块化设计，在Keil uVision3集成开发环境完成。同时介绍用最小二乘法拟合比值和温度的关系曲线的方法。最后本文介绍了比色测温的系统调试过程，以及实验方案。从实验结果看，本文设计的比色测温仪工作稳定、性能良好，达到了设计的预期目标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 温度测量方法概述
• 1.2.1 接触测温法
• 1.2.2 非接触测温法
• 1.2.3 两种测温方法的比较
• 1.3 本文的主要研究工作和意义
• 1.4 章节介绍
• 第二章 比色测温系统的理论基础
• 2.1 热辐射的基本定理
• 2.1.1 基尔霍夫定律
• 2.1.2 普朗克定律
• 2.1.3 Wien 位移定律
• 2.1.4 斯忒藩玻尔兹曼（StefanBoltzmann）定律
• 2.2 辐射测温法
• 2.3 比色测温法
• 2.3.1 比色温度计的原理
• 2.3.2 比色温度计的优点
• 第三章 比色测温系统的硬件设计
• 3.1 光路系统的设计
• 3.1.1 光耦合器
• 3.1.2 传输光纤
• 3.1.3 光电探测器
• 3.1.4 滤光片
• 3.2 光电二极管及其放大电路
• 3.2.1 选择 PIN 型的合成双色光电二极管
• 3.2.2 光电转换电路元器件选型及参数设计
• 3.2.3 光电转换电路的噪声分析
• 3.3 滤波电路设计
• 3.4 数据采集处理
• 3.4.1 模数转换器（ADC）
• 3.4.2 系统微处理器（MCU）
• 3.4.3 显示电路（LCD）
• 3.4.4 RS232 接口
• 第四章 比色测温系统的软件设计
• 4.1 系统软件开发工具
• 4.2 系统软件功能开发
• 4.3 测温系统的软件设计
• 4.3.1 数据采集程序设计
• 4.3.2 数据处理程序设计
• 4.3.3 LCD 显示程序设计
• 4.3.4 RS232 接口程序设计
• 第五章 调试测试过程及结果
• 5.1 测温系统的调试
• 5.1.1 硬件调试
• 5.1.2 软件调试
• 5.2 测温系统目标测试
• 5.2.1 数据处理与分析
• 5.2.2 调试测试结果
• 第六章 总结
• 参考文献
• 硕士期间发表论文
• 致谢