High-speed IR Temperature Measurement System
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摘要:
针对于高速测温系统存在的响应时间慢、校准复杂、不适用特殊环境等问题，设计了以STM32F429IGT6微控制器为控制核心，以光学系统、制冷型红外探测器为主体的制冷型高速红外测温系统。光学系统采用金属抛物面反射镜构建光学组件，结合制冷型红外探测器完成光电转换，由微控制器进行高速采集。系统采样率为1 MHz，采用SD卡进行数据存储，可在屏幕上显示温度变化波形。采用黑体炉静态标定法进行温度标定，对温度与电压信号之间的关系进行最小二乘拟合，得到了电压-温度关系式，测量误差为±1℃，温度测量有效范围为10~200℃。标定后使用霍普金森压杆冲击实验进行了系统应用测试。测试结果表明，制冷型高速红外测温系统具有微秒级温度变化的探测能力，响应时间快，操作与校准简单，在动态高速测温领域具有广泛的应用前景。
Abstract:To address issues such as slow response time, complex calibration, and limited suitability for special environments in high-speed temperature measurements, a refrigeration-based high-speed IR temperature measurement system is designed with an STM32F429IGT6 microcontroller as the core controller and an optical system combined with a refrigeration-type IR detector as the main components. The optical system employs a metal parabolic reflector to construct the optical components. In conjunction with a refrigeration-type IR detector, photoelectric conversion is accomplished with high-speed data acquisition performed by the microcontroller. The system has a sampling rate of 1 MHz, utilizes an SD card for data storage, and displays the temperature-change waveforms on the screen. Temperature calibration is conducted using the blackbody furnace method, and a least squares fitting is applied to establish the voltage-temperature relationship formula, resulting in a measurement error of ±1℃. The effective temperature measurement range is 10-200℃. Following calibration, the system underwent Hopkinson pressure bar impact testing for practical application. The test results indicated that the refrigeration-based high-speed IR temperature measurement system possesses a microsecond-level detection capability for temperature changes, with a fast response time, simple operation, and calibration, thus demonstrating its promising applications in the field of dynamic high-speed temperature measurements.
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0. 引言
在材料、工业、航空等领域，为了确保材料和设备在极端条件下的可靠性，需要响应速度快、测量范围宽的温度测量。目前主要应用于高速温度测量的技术手段是红外测温技术。红外测温技术发展的先导是红外探测器的发展，最早的高速红外测温系统采用的是单点InSb红外探测器，该探测器的响应时间为3 μs[1]。为了进一步缩短响应时间，Craig[2]等人研制的单点红外测温系统采用了光电导型HgCdTe探测器，其响应时间仅为1.1 μs。为了提高测温精度，Li[3]采用了光伏型HgCdTe探测器，温度分辨率可达0.1℃。
国外研制了单点式、列阵、和面阵等多套高速红外测温系统[4]，Hartley[5]等人利用Judson Infrared公司生产的红外探测器搭建出了红外测温系统。国内夏源明[6]等人研制出了单点式低温段（约293~373 K）瞬态红外测温系统，之后陈浩森[7]等人研制了国内首台多点式高速红外测温系统，采用了8单元InSb红外探测器，成功进行了原位高速测温实验，在高速红外测温方面取得了重大进展。
本文基于制冷型红外探测器设计了一种高速红外测温系统，引入抛物面反射镜作为光学系统，选用光生伏特型HgCdTe红外探测器，探测器采用液氮制冷，通过微控制器采集并处理信号，将温度波形显示出来，适用于各种环境条件以及需要精确测量高速温度变化过程。
1. 红外测温原理
在自然界中，一切超过绝对零度的物体都会经历分子和原子的不规则移动，不断地散发红外光。这一现象与物体表面的温度相关，因为物体表面的温度直接决定辐射出红外能量的数量和在不同波长上的分布[8]。
红外测温是一种通过测量物体发出的红外辐射来确定物体温度的非接触式温度测量方法。根据斯特藩-玻耳兹曼定理[9]：黑体的辐出度（黑体表面单位面积上所发射的各种波长的总辐射功率）Pb(T)与温度T的四次方成正比，即：
$$ {P_{\text{b}}}\left( T \right) = \sigma {T^4} $$ (1) 式中：σ为斯特藩常数；T为热力学温度，红外测温技术的核心原理是黑体辐射。当环境保持一致时，物体的发光能量始终低于黑体的能量，即物体的单色辐出度P(T)小于黑体的单色辐出度Pb(T)，这个比值称为物体的单色黑度ε (λ)，代表着真实物体与黑体的接近程度[10]：
$$ \varepsilon \left( \lambda \right) = P\left( T \right)/{P_{\text{b}}}\left( T \right) $$ (2) 考虑到物体的单色黑度ε (λ)一种不受波长变化影响的恒定特性，即ε(λ)＝ε，我们将这种物体称为灰体。灰体的黑度值因物质的不同而有所差异，甚至在相同物质的情况下，由于其结构的不同，黑度值也会不同[11]，只有黑体ε＝1，而一般灰体0＜ε＜1。
由式(2)可得：
$$ P\left( T \right) = \varepsilon {P_{\text{b}}}\left( T \right) = \varepsilon \sigma {T^4} $$ (3) 所测物体的温度：
$$ T = {\left[ {P\left( T \right)/\varepsilon \sigma } \right]^{\frac{1}{4}}} $$ (4) 式(4)构成了对于物体的热辐射在红外波长范围内测量的理论依据[10]。
2. 制冷型高速红外测温系统的设计
2.1 系统总体结构设计
制冷型高速红外测温系统由光学镜头、斩波器、红外探测器、滤波与放大装置和单片机控制系统5大部分组成，系统总体结构如图 1所示。在温度测量过程中，物体会辐射出红外光信号。首先，红外光信号经过光学镜头进行聚焦，然后传递给红外探测器，完成光电转换，再经过滤波与放大处理，以增强和净化信号。最后，单片机采集处理后的电信号，并将其转化为温度信息在屏幕上显示。
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图 1 高速红外测温系统总体结构Figure 1. Overall structure of high-speed infrared temperature measurement system2.2 红外光学系统
2.2.1 光学组件设计
红外光学系统是被测物体与红外探测器之间的重要组成部分。其原理基于物体发出的红外辐射，以及该辐射与光学元件的交互作用[12]。它能够聚焦和传导待测物体发出的红外辐射，使探测器能够更准确地捕获光信号并转化成电信号。由于物体辐射的红外光分散且强度较弱，而且探测器的视场角有限，如果直接让探测器接收红外辐射，只能覆盖很小的空间角[13]。通过引入红外光学系统，将红外能量聚焦到探测器上，有效提升了能量的捕获，进一步增强了高速红外测温系统的敏感性和效能。
在光学系统中，设计金属抛物面反射镜构建光学组件，主体为铝合金材料，为了提高镜面对红外光的反射率，采用黄金镀膜，在2~14 μm的波长范围内，红外光反射率均超过95%。光学系统参数如表 1所示。
表 1 光学系统参数Table 1. Optical system parametersMain parameters Value/Range Diameter/mm 25.4 Primary focal length PFL/mm 25.4 Focal length tolerance/% ±1% Effective focal length/mm 50.8 Off-axis amount/mm 50.8 Angle of deviation/° 90 另一方面，抛物面反射镜体积较小，适用于小空间内的温度测量。在测温区域较小且实验装置难以进行移动的情况下，这种镜头具有良好的适用性。
2.2.2 光学系统安装与校准
镜头通过螺栓安装在三向滑台的转接板上，每个方向的滑程都为20 mm，可以微调镜头的位置，以确保准确对准。在温度测量时，红外探测器的接收窗口和反射镜保持在同一水平线上，两者之间的距离为50 mm，以确保探测器可以准确地接收到光学镜头传递过来的红外光信号。确保了温度测量的可靠性和精确性。
光学系统的校准是确保物体的红外辐射可以准确地被红外探测器接收。校准使用激光发射器发射红外光，通过分光镜分光，一端射向红外探测器接收端，一端射向光学组件，通过调节光学组件的位置使红外光反射到物体表面。根据光路沿直线传播定律可确保物体发出的红外辐射被红外探测器有效地接收到。
2.3 制冷型红外探测器
探测器的选择与待测温度范围密切相关。不同的探测器根据其材料和设计，能够响应特定的波长范围，直接关联到它们能够准确测量的温度区间。短波红外（Short-Wave Infrared, SWIR）探测器通常适用于测量较低的温度范围，因为它们对较短波长的红外辐射敏感；而长波红外（Long-Wave Infrared, LWIR）探测器则能够探测到更长波长的辐射，适合测量较高的温度。中波红外（Mid-Wave Infrared, MWIR）探测器则介于两者之间，适用于中等温度范围的测量。因此，在选择探测器时，必须考虑目标物体的发射特性以及所需的温度测量精度，以确保所选探测器能够覆盖所需的温度范围。
红外探测器是一种主要用于红外光探测的半导体器件，其工作原理基于光电效应，是红外测温实现光电转换的关键装置，对于红外探测器的选择不仅要考虑待测温度范围，还需要考虑多个主要参数，包括响应时间、响应波段等，本文选择光生伏特型HgCdTe红外探测器。首先，高速红外测温系统是测量微秒级变化的温度，因此，红外探测器的响应时间应在微秒级或更短，通常情况下，光生伏特型红外探测器的响应时间小于1 µs，而光电导型红外探测器的响应时间为1~5 μs。其次，HgCdTe是一种三元半导体化合物，其波长截止值与合金组成成正比。实际的探测器由一层薄层（10~20 μm）组成，金属化接触垫确定了活性区域。能量大于半导体带隙能量的光子将电子激发到导带中，从而增加了材料的电导率。峰值响应的波长取决于材料的带隙能，而且通过调整组分能够覆盖大范围波段的红外辐射，具有吸收系数高、量子效率高、载流子寿命长、工作温度高等优点[14-15]。HgCdTe红外探测器的主要参数如表 2所示。
表 2 HgCdTe探测器的主要参数Table 2. Key parameters of HgCdTe detectorsMain parameters Value/Range Photosensitive area/mm² 1×1 Response time/μs 0.5 Response band/μm 2~14 Wavelength peak/μm 12 Temperature resolution/K 0.1 由表 2可知，HgCdTe探测器的响应时间仅为0.5 μs，能够及时反馈试样辐射的红外光信号，有效监测高速温度变化过程。其光谱响应波段范围较广，可以覆盖较宽的温度范围。
2.4 系统硬件设计
制冷型高速红外测温系统的硬件电路设计以STM32F429IGT6微控制器为核心，主要由滤波与放大、数据采集、数据存储、按键控制和显示模块组成。硬件结构框图如图 2所示。
2.4.1 滤波与放大模块
红外探测器完成光电转换后，由于输出电信号比较微弱，所以在探测器与数据采集之间接入放大器，将信号放大到合适的倍数以便后续的处理。放大器的工作电压为6~15 V。滤波放大电路如图 3所示，R1为可调偏置电阻，用于稳定电路的工作点，R2为可调电阻，可以为放大电路提供10~1000倍的可调增益。同时在放大器的输入端接上高通滤波电路来滤除低频噪声，使信号更加准确。
2.4.2 数据采集模块
数据采集模块使用单片机内置的ADC进行采集。该模块支持12位分辨率、多通道的模数转换，以及直接存储器访问（DMA）数据传输，可用于实现高性能的数据采集。它还具有多个ADC触发源和转换模式，以满足不同应用的需求。高速红外测温系统采用ADC单通道高速电压采样，电压输入范围为0~3.3 V，采样率配置为1 MHz。
2.4.3 数据存储模块
数据存储使用SD卡存储。对于高速测温系统来说，由于存储的数据量较大，所以结合DMA（直接存储器访问）技术，来实现高效的数据读写。对于SD卡的接口，采用传输速度快的SDIO接口，接口电路如图 4所示。结合FatFS文件系统使得数据的保存和读取更加方便。
2.4.4 按键控制模块
按键控制包括捕获键（K1）和显示键（K2），用于控制电压采集、温度显示和数据存储，按键设计为上升沿中断，按键电路如图 5所示。
2.4.5 显示模块
显示模块采用7英寸TFT液晶显示屏，分辨率为800×480，利用STM32F429IGT6芯片内置的LTDC液晶控制器进行控制。在配置LTDC控制器时，首先设置好显存地址，然后将要显示的像素数据写入。LTDC负责将数据从显存传输到液晶面板以进行显示。鉴于数据量较大，数据传输采用DMA进行操作。STM32F429IGT6配备了专用的DMA2D外设，可用于高效绘制温度波形。通过LTDC和DMA2D的协同作用，能够快速可靠地将温度波形显示在屏幕上。
2.5 系统软件设计
系统软件设计使用Keil5平台编写了软件代码，使用C语言进行模块化设计。主程序包括定时器、AD采集、数据处理及存储、按键和显示模块，主程序流程如图 6所示。制冷型高速红外测温系统采用定时采集，采集时间为3 s。当按下捕获键时，开始进行电压采集，当定时器时间到3 s时停止采集，开始进行数据处理，将电压数据转换成温度值，并将电压和温度数据存储在SD卡中。再次按下捕获键时，在屏幕上显示3 s内采集的温度信息波形。最后，按下显示键返回主页面。
3. 温度标定
温度标定是指建立探测器输出信号与被测物体表面温度之间的函数关系[16]。标定的准确性直接影响到温度数据的精准性，因此需要一个具备标准稳定性的热辐射源。本文使用的标定方法为黑体炉静态标定法，型号为BX-500。在标定之前要先完成光学系统的校准。
黑体炉覆盖的温度变化范围较广，其分辨率为0.1℃，目标组件具有0.95的发射率。使用黑体炉进行系统标定，其优势在于操作简单方便，温度准确[17]。需要注意的是，当红外探测器长时间暴露在单一波长的红外光下时，其内部PN结中的载流子将会达到稳定状态，这会导致探测器无法正常运作[18]。因此，系统引入光学斩波器以生成交流信号，确保探测器正常运行。标定流程如图 7所示。
在标定过程中，首先校准探测器位置，校准示意图如图 8所示。然后设置黑体炉温度，待温度达到目标温度后开始电压-温度采集标定。在50~200℃的温度范围内每10℃采集一组数据，记录对应红外探测器的输出值。由于红外探测器工作在交流耦合的状态下，得到的电压波形类似于正弦波。标定中发现改变温度值，电压平均值基本不变，而电压峰峰值随温度的变化不断改变，不同温度下电压的峰峰值如表 3所示。
表 3 不同温度下电压的峰峰值Table 3. Peak-to-Peak voltage at different temperaturesTemperature value/℃ Voltage peak value/V Temperature value/℃ Voltage peak value/V 50 1.0880 130 1.8907 60 1.1472 140 2.0428 70 1.2264 150 2.1982 80 1.3079 160 2.3559 90 1.4099 170 2.5312 100 1.5124 180 2.7215 110 1.6360 190 2.9131 120 1.7690 200 3.1065 由表 3可知，温度与电压的峰峰值呈正相关，所以标定采用峰峰值与温度值进行最小二乘拟合，得到峰峰值-温度标定曲线及拟合方程，温度拟合曲线如图 9所示。拟合方程为：
$$\begin{aligned} T= & 10.1573 U^3-81.4779 U^2+270.9619 U \\ & -159.2984 \end{aligned}$$ (5) 式中：T为温度，℃；U为电压峰峰值，V。
根据温度标定结果图可知，拟合误差在±1℃，具体误差范围如表 4所示。通过单片机AD采集的电压输入范围，结合温度标定关系式和红外探测器参数，得出有效的测温范围为10~200℃。
表 4 各拟合温度与标准温度的误差Table 4. Deviation between fitted temperatures and standard temperaturesStandard temperature/℃ Fitted temperature/℃ Error/℃ Standard temperature/℃ Fitted temperature/℃ Error/℃ 50 50.9 0.9 130 130.4 0.4 60 59.7 0.3 140 140.8 0.8 70 69.2 0.8 150 150.5 0.5 80 79.0 1 160 159.7 0.3 90 89.2 0.8 170 169.3 0.7 100 99.3 0.7 180 179.4 0.6 110 110.4 0.4 190 189.7 0.3 120 120.3 0.3 200 200.7 0.7 4. 系统应用测试
采用分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB）进行系统应用测试[16]，使用高速红外测温系统来监测冲击过程中的温度变化。该测试装置的子弹、入射柱、透射杆、吸收柱直径全为75 mm，长度依次为400 mm、4000 mm、2500 mm、1500 mm，材料全部采用高强度的合金钢材料，密度为7810 kg/m3，弹性模量为195 GPa，泊松比为0.23，子弹速度V0约为23 m/s。在霍普金森杆高速冲击下，试件会发生形变，从而引发温度上升。一般在冲击过程中，温升过程应介于入射波与反射波之间，入射波与反射波之间的时间间隔只有几百微秒左右，所以温升过程也只有几百微秒左右。红外测温SHPB装置示意图如图 10所示。
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图 10 红外测温SHPB装置示意图Figure 10. Schematic diagram of infrared temperature measurement SHPB device测试使用的试件直径为30 mm，厚度为50 mm的圆柱形铝合金，规格为氧化铝，红外发射率为0.2~0.4，设定气压为0.6 MPa。在撞击过程中，随着塑性加载应变的增加，铝合金试样的温度也逐渐升高。当加载应力达到最大值时，温度达到最高点。在卸载过程中，铝合金试样近似为弹性卸载，温度基本保持不变，测试结果如图 11所示。
对于铝合金冲击变形过程中最大加载温度值，可以通过两种方法得出。方法一通过标定结果式(5)计算得出，即高速红外测温系统的测量值，如图 11所示。方法二可根据能量守恒定律计算得出，铝合金材料的温度变化为：
$$T_{\mathrm{Al}}-T_0=\eta W / \rho C_{\mathrm{P}}$$ (6) 式中：TAl为铝块的最大加载温度；T0为铝块的初始温度；W为塑性功；η为塑性功转化系数；ρ为铝块的密度，其值为2.7×103kg/m3；Cp是比定压热容，其值为0.88×103 J/(kg⋅℃)。
当塑性功热转化系数η＝0.6时，由式(6)计算可得到铝合金的最大温度约为27℃，与系统的测量值基本一致。
理论上，材料表面的发射率越高，红外测温系统的测温精度越高[19]。测试结果显示，铝块的发射率介于0.2~0.4之间，这意味着相对于理想的完全黑体表面（发射率为1），铝块的发射率较低。尽管如此，在实际应用中，红外测温系统也能够有效地对此类材料进行测温，但相对于表面发射率较高的材料，其测温精度可能略有降低。
综上所述，制冷型高速红外测温系统具有微秒级温度变化的探测能力，同时对于发射率较低的材料也能够有效测温，在高速测温领域中具有较好的实用性。
5. 结论
1）设计并搭建了高速红外测温系统的总体框架，光学系统采用抛物面反射镜，选择光生伏特型HgCdTe红外探测器。并基于单片机的软硬件设计实现了高速采集，以及对系统的控制及数据处理，实现了高速测温。
2）通过静态温度标定，使用最小二乘拟合得到了电压-温度拟合关系式，测温误差为±1℃，测温有效范围为10~200℃。
3）系统经过应用测试，利用分离式霍普金森压杆对铝块进行了高速冲击测温实验。结果表明，该系统能够准确、有效地捕捉并反馈微秒级的温度变化。
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图 1 高速红外测温系统总体结构
Figure 1. Overall structure of high-speed infrared temperature measurement system
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图 10 红外测温SHPB装置示意图
Figure 10. Schematic diagram of infrared temperature measurement SHPB device
表 1 光学系统参数
Table 1 Optical system parameters
Main parameters Value/Range Diameter/mm 25.4 Primary focal length PFL/mm 25.4 Focal length tolerance/% ±1% Effective focal length/mm 50.8 Off-axis amount/mm 50.8 Angle of deviation/° 90 
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表 2 HgCdTe探测器的主要参数
Table 2 Key parameters of HgCdTe detectors
Main parameters Value/Range Photosensitive area/mm² 1×1 Response time/μs 0.5 Response band/μm 2~14 Wavelength peak/μm 12 Temperature resolution/K 0.1
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表 3 不同温度下电压的峰峰值
Table 3 Peak-to-Peak voltage at different temperatures
Temperature value/℃ Voltage peak value/V Temperature value/℃ Voltage peak value/V 50 1.0880 130 1.8907 60 1.1472 140 2.0428 70 1.2264 150 2.1982 80 1.3079 160 2.3559 90 1.4099 170 2.5312 100 1.5124 180 2.7215 110 1.6360 190 2.9131 120 1.7690 200 3.1065
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表 4 各拟合温度与标准温度的误差
Table 4 Deviation between fitted temperatures and standard temperatures
Standard temperature/℃ Fitted temperature/℃ Error/℃ Standard temperature/℃ Fitted temperature/℃ Error/℃ 50 50.9 0.9 130 130.4 0.4 60 59.7 0.3 140 140.8 0.8 70 69.2 0.8 150 150.5 0.5 80 79.0 1 160 159.7 0.3 90 89.2 0.8 170 169.3 0.7 100 99.3 0.7 180 179.4 0.6 110 110.4 0.4 190 189.7 0.3 120 120.3 0.3 200 200.7 0.7
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