[發明專利]一種基于多傳感器的寬范圍高精度紅外雙色測溫儀

有效

• 申請號: 201610880236.8
• 申請日: 2016-10-09
• 公開（公告）號: CN106500853B
• 公開（公告）日: 2019-05-07
• 發明（設計）人: 莊宇乾;宋耀良;徐強
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G01J5/10
• 分類號: G01J5/10
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 薛云燕

1.一種基于多傳感器的寬范圍高精度紅外雙色測溫儀，其特征在于，包括信號檢測和信號處理兩個部分，其中：

信號檢測部分，包括兩個雙層紅外傳感器和一個半透鏡，所述兩個雙層紅外傳感器分別是雙層硅傳感器和雙層銦鎵砷傳感器，利用半透鏡的能量半透射半反射原理，50％的紅外能量透射到雙層硅傳感器，50％的紅外能量反射到雙層銦鎵砷傳感器；該兩個雙層紅外傳感器將物體發出的紅外輻射能量轉換為電信號，分別通過運放芯片實現信號放大，由兩片多路開關實現四個不同紅外波段信號的二選一操作，然后將兩路相鄰波長的紅外信號輸入信號處理部分；

信號處理部分，包括A/D轉換芯片和FPGA，A/D轉換芯片接收所述兩路相鄰波長的紅外信號并進行模數轉換，FPGA接收A/D轉換芯片輸出的兩個波長的數字信號進行比值運算、濾波處理后計算出物體溫度，FPGA將溫度送液晶顯示，同時將數據傳給D/A轉換芯片，通過4-20mA工業電流標準實現溫度數據的遠距離傳輸；

所述雙層硅傳感器的測量溫度為1600到3000攝氏度，雙層銦鎵砷傳感器的測量溫度200到1600攝氏度。

2.根據權利要求1所述的基于多傳感器的寬范圍高精度紅外雙色測溫儀，其特征在于，所述半透鏡在近紅外波段0.3～2.1μm，透射T:反射R＝50％:50％，物體發出的紅外輻射入射角度為45°，所述兩個雙層紅外傳感器距離該半透鏡中心的距離均為25mm。

3.根據權利要求1所述的基于多傳感器的寬范圍高精度紅外雙色測溫儀，其特征在于，所述信號檢測部分的兩個雙層紅外傳感器、半透鏡和運放芯片封裝于金屬腔體內，將金屬腔體密封后在其外表面設置半導體制冷塊和數字溫度傳感器，由所述FPGA通過數字溫度傳感器檢測金屬腔體溫度，并控制半導體制冷塊將金屬腔體加熱或制冷，使金屬腔體內的兩個雙層紅外傳感器保持恒溫。

4.根據權利要求3所述的基于多傳感器的寬范圍高精度紅外雙色測溫儀，其特征在于，所述金屬腔體的材料為銅。

5.根據權利要求3所述的基于多傳感器的寬范圍高精度紅外雙色測溫儀，其特征在于，所述半導體制冷塊的工作電源由開關電源芯片提供，開關電源芯片的輸出電壓VOUT＝VREF*(1+R1/R2)，其中VREF＝1.22V，固定電阻R1＝10K歐姆，R2即數字電位器為100K歐姆的可調電阻，開關電源芯片和半導體制冷塊之間設有繼電器；

所述FPGA通過數字溫度傳感器檢測到金屬腔體溫度后，與設定溫度比較，調節數字電位器的阻值，越接近設定溫度數字電位器的輸出阻值R2越大，輸出電壓VOUT也就越低，半導體制冷塊工作電流越小，從而平滑恒溫。

6.根據權利要求5所述的基于多傳感器的寬范圍高精度紅外雙色測溫儀，其特征在于，所述信號處理部分的FPGA包括時鐘分頻模塊、A/D轉換驅動模塊、溫度計算模塊、液晶顯示驅動模塊、D/A轉換驅動模塊、恒溫腔體測溫驅動模塊、加熱制冷控制模塊、數字電位器驅動模塊，其中：

時鐘分頻模塊的輸入時鐘來自50M的有源晶振，時鐘輸出端CLKA連接到A/D轉換驅動模塊、溫度計算模塊、液晶顯示驅動模塊、D/A轉換驅動模塊的時鐘輸入端，另一個時鐘輸出端CLKB是恒溫部分即加熱制冷控制模塊、數字電位器驅動模塊的工作時鐘；

A/D轉換驅動模塊的作用是產生A/D轉換芯片所需要的片選信號ACS、串行時鐘ASCLK、串行數據ASDI，根據A/D轉換芯片轉換完成的數字信號ASDO，解析出兩個紅外波長的數字信號InfrA[23..0]和InfrB[23..0]，A/D轉換驅動模塊的輸入時鐘為CLKA，來自時鐘分頻模塊，頻率為2MHz；

溫度計算模塊根據來自A/D轉換驅動模塊的紅外波長的數字信號InfrA[23..0]和InfrB[23..0]，來自時鐘分頻模塊的輸入時鐘CLKA，計算出物體當前溫度ObjTem[15..0]；

液晶顯示驅動模塊根據來自時鐘分頻模塊的輸入時鐘CLKA，以及來自溫度計算模塊的溫度數據ObjTem[15..0]，輸出TFT液晶的控制信號DB[15..0]、LCDCS、LCDRST、LCDWR、LCDRD，將物體溫度在液晶上顯示；

D/A轉換驅動模塊根據來自時鐘分頻模塊的輸入時鐘CLKA，以及來自溫度計算模塊的溫度數據ObjTem[15..0]，輸出驅動D/A轉換芯片的時鐘DACLK、數據DAData和鎖存信號DALatch，將溫度數據通過4-20mA工業電流標準實現遠距離傳輸；

恒溫腔體測溫驅動模塊的作用是產生所述金屬腔體外表面數字溫度傳感器所需要的片選信號FCS、串行時鐘FSCLK、串行數據FDIN，根據數字溫度傳感器檢測到的串行溫度數據FDOUT，解析出恒溫金屬腔體當前溫度EnviTem[15..0]，恒溫腔體測溫驅動模塊的輸入時鐘為CLKB，來自時鐘分頻模塊，頻率為10MHz；

加熱制冷控制模塊根據來自恒溫腔體測溫驅動模塊的溫度數據EnviTem[15..0]，來自時鐘分頻模塊的輸入時鐘CLKB，將EnviTem[15..0]和金屬腔體內的雙層紅外傳感器所設定溫度進行比較，若高于設定溫度，加熱制冷控制模塊的輸出引腳HCSet為高電平，控制半導體制冷塊制冷；若低于設定溫度，輸出引腳HCSet為低電平，控制繼電器使半導體制冷塊直流電源反轉，從而工作于加熱狀態；

數字電位器驅動模塊的作用是根據來自恒溫腔體測溫驅動模塊的溫度數據EnviTem[15..0]，來自時鐘分頻模塊的輸入時鐘CLKB，產生數字電位器所需要的片選信號PCS、串行時鐘PSCLK、串行數據PSDI，通過改變半導體制冷塊的工作電壓，從而實現對制冷、加熱程度的控制。