一种基于FPGA的高温红外测温系统技术方案

本发明专利技术涉及温度监测技术领域，特别涉及一种基于FPGA的高温红外测温系统。一种基于FPGA的高温红外测温系统，包括辐射热源、光学系统、电子信息处理系统和通信显示系统；其中，所述辐射热源为带有封闭端的刚玉管，所述刚玉管的封闭端深入高温炉内，其开口端与光学系统连接；光学系统与电子信息处理系统连接，将光学系统采集的红外辐射信号传输给电子信息处理系统；所述电子信息处理系统将采集的红外辐射信号进行运算处理和转换，得到温度信息，并输出给通信显示系统；所述通信显示系统将获取的温度信息进行显示。本发明专利技术实现了对炉内温度的精确测量，并将实时温度在LCD和上位机软件上显示出来，也实现了对异常温度的报警功能。也实现了对异常温度的报警功能。也实现了对异常温度的报警功能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的高温红外测温系统


[0001]本专利技术涉及温度监测
，特别涉及一种基于FPGA的高温红外测温系统。

技术介绍

[0002]在工业生产中，利用高温炉对各种原材料进行高温处理时，为提高产品质量，对炉内温度实现精准实时监测成为重中之重。在测温领域中，红外测温因其非接触的测量方式、测温范围广、响应速度快等优点得到广泛应用，即通过对辐射源表面发出的红外辐射能量进行采集、处理后得到测量温度。在高温炉工作时，若仅对其开口处进行测温，一方面在高温处理某些材料时会使产生的危害性气体散出，会造成环境污染并危及人们的身体健康；另一方面，红外测温用于对固体热源温度的测量，并不能对炉内介质实现精确测温，再者，热源表面的材质不同、粗糙程度不同等都会影响测温精度。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是为了解决现有技术中存在的问题，提供一种基于FPGA的高温红外测温系统，该系统能耐高温，并且测量精度高。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于FPGA的高温红外测温系统，包括辐射热源、光学系统、电子信息处理系统和通信显示系统；其中，所述辐射热源为带有封闭端的刚玉管，所述刚玉管的封闭端深入高温炉内，其开口端与光学系统连接；光学系统与电子信息处理系统连接，将光学系统采集的红外辐射信号传输给电子信息处理系统；所述电子信息处理系统将采集的红外辐射信号进行运算处理和转换，得到温度信息，并输出给通信显示系统；所述通信显示系统将获取的温度信息进行显示。
[0005]进一步地，所述的光学系统包括光路中依次设置的一个分束镜，两个凸透镜，两个滤波片；两个滤波片的中心波长分别为1450nm和1650nm，分别放置在两个凸透镜的焦点处。所述分束镜对600～1700nm波段的红外辐射反射透射比为1:1，管口处采集到的红外辐射信号经分束镜等分，50％的红外辐射能量经分束镜反射到凸透镜，50％的红外辐射能量经分束镜透射到另一凸透镜；两个凸透镜分别对1050～1700nm波段的红外辐射汇聚到不同的滤波片上，经滤波片后的两束红外辐射信号作用于电子信息处理系统。
[0006]进一步地，所述的电子信息处理系统包括两个光电探测器，A/D转换模块和FPGA；两个光电探测器分别紧贴滤波片，接收经滤波片后的两束红外辐射信号；A/D转换模块采用双通道输入，将两个光电探测器输出的模拟信号转换为可由FPGA处理的数字信号，并以12位高精度的数字信号形式输出；FPGA以两路数字信号作为输入，以A/D转换模块输入时钟、LCD驱动信号、串口发送信号和蜂鸣器驱动信号作为输出，包括时钟分频模块、信号采集控制模块、数字滤波模块、温度运算模块、数据转BCD码模块、LCD驱动模块、串口发送模块、温度异常报警模块。
[0007]进一步地，所述时钟分频模块利用Clocking Wizard IP核，将有源晶振提供的50MHz时钟作为输入，输出一合适的时钟Sys_Clk作为系统时钟分频模块、A/D采集控制模
块、数字滤波模块、温度算法模块、数据转BCD码表示形式模块、LCD驱动模块、串口发送模块和蜂鸣器温度异常报警模块的输入时钟，频率为10MHz，另一输出时钟Adc_Clk作为A/D转换模块的输入时钟，频率为20MHz。
[0008]进一步地，A/D采集控制模块将经模数转换后解析出的两路12位数字信号数据[11:0]DataA_in和[11:0]DataB_in作为输入，然后对输入数据做高四位位补偿，输出控制时钟Ctrl_Clk，频率为1MHz，并在控制时钟的下降沿将位补偿后的两路数据[15:0]DataA_out和[15:0]DataB_out输出。
[0009]进一步地，数字滤波模块利用FIR Compiler IP核完成设计，A/D采集控制模块的输出数据[15:0]DataA_out和[15:0]DataB_out作为输入，经滤波后滤除高频噪声信号后，输出两路数据[15:0]FirA_out和[15:0]FirB_out。
[0010]进一步地，温度算法模块以数字滤波模块的输出数据[15:0]FirA_out和[15:0]FirB_out作为输入，经除法运算、对数运算、加法运算、除法运算计算得到实时辐射源温度数据二进制表示形式[15:0]Tem_out。
[0011]进一步地，数据转BCD码表示形式模块根据来自温度算法模块的实时温度数据[15:0]Temp_out，转换为BCD码表示形式，输出四组四位数据[3:0]Tho，[3:0]Hun，[3:0]Ten，[3:0]Unit分别表示温度的千位，百位，十位和个位。
[0012]进一步地，LCD驱动模块以转BCD码模块的输出数据[3:0]Tho，[3:0]Hun，[3:0]Ten，[3:0]Unit作为输入，输出LCD液晶屏驱动信号[15:0]TFT_RGB、TFT_HS、TFT_VS，实现辐射源温度在液晶上显示。
[0013]进一步地，串口发送模块以转BCD码模块的输出数据[3:0]Tho，[3:0]Hun，[3:0]Ten，[3:0]Unit作为输入，输出信号uart_tx通过UART端口驱动上位机完成实时温度监测。
[0014]本专利技术的与现有技术相比，具有如下有益效果：采用Al含O量高于99％的高纯度高温耐磨陶瓷管可在高达1600℃的温度下长期使用，将其与高温炉紧密连接，避免炉内物质与外界接触，封闭端伸进炉内并将底部作为统一热源辐射表面，于开口端采集红外辐射，当陶瓷管与介质温度达到平衡时，在开口处可实现精确测温。另外在恶劣的工业生产环境中，灰尘颗粒、水雾等介质都会影响测温的准确性，双色测温法即利用辐射源表面发出的两个特定波段的红外辐射能量的比值来确定温度，比值与温度成一一对应关系。双色测温法不仅进一步避免了物体发射率对测温精度造成的影响，而且两个特定波段的红外辐射能量受同一环境影响，经比值运算后消除了环境对测温精度的影响，从而进一步实现高精度测温。
[0015]本专利技术实现了对炉内温度的精确测量，并将实时温度在LCD和上位机软件上显示出来，也实现了对异常温度的报警功能。
附图说明
[0016]图1为本专利技术实施例中一种基于FPGA的高温红外测温系统的系统框图；
[0017]图2为高温炉与刚玉管接合示意图；
[0018]图3为光学系统光路示意图；
[0019]图4为光学系统及探测器封装示意图；
[0020]图5为FPGA逻辑设计功能模块示意图。
具体实施方式
[0021]为了便于理解本专利技术，下面结合附图和具体实施例，对本专利技术进行更详细的说明。附图中给出了本专利技术的较佳的实施例。但是，本专利技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本专利技术公开内容的理解更加透彻全面。
[0022]本专利技术提供一种基于FPGA的高温红外测温系统，如图1所示，该系统包括辐射热源、光学系统、电子信息处理系统和通信显示系统四个部分。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的高温红外测温系统，其特征在于：包括辐射热源、光学系统、电子信息处理系统和通信显示系统，；其中，所述辐射热源为带有封闭端的刚玉管，所述刚玉管的封闭端深入高温炉内，其开口端与光学系统连接；光学系统与电子信息处理系统连接，将光学系统采集的红外辐射信号传输给电子信息处理系统；所述电子信息处理系统将采集的红外辐射信号进行运算处理和转换，得到温度信息，并输出给通信显示系统；所述通信显示系统将获取的温度信息进行显示。2.根据权利要求1所述的基于FPGA的高温红外测温系统，其特征在于：所述的光学系统包括光路中依次设置的一个分束镜，两个凸透镜，两个滤波片；两个滤波片的中心波长分别为1450nm和1650nm，分别放置在两个凸透镜的焦点处。3.根据权利要求1所述的基于FPGA的高温红外测温系统，其特征在于：所述的电子信息处理系统包括两个光电探测器，A/D转换模块和FPGA；两光电探测器分别紧贴两个滤波片，接收经滤波片后的两束红外辐射信号；A/D转换模块采用双通道输入，将两个光电探测器输出的模拟信号转换为可由FPGA处理的数字信号，并以12位高精度的数字信号形式输出；FPGA以两路数字信号作为输入，以A/D转换模块输入时钟、LCD驱动信号、串口发送信号和蜂鸣器驱动信号作为输出，包括时钟分频模块、信号采集控制模块、数字滤波模块、温度运算模块、数据转BCD码模块、LCD驱动模块、串口发送模块、温度异常报警模块。4.根据权利要求3所述的基于FPGA的高温红外测温系统，其特征在于：所述时钟分频模块利用Clocking Wizard IP核，将有源晶振提供的50MHz时钟作为输入，输出时钟Sys_Clk作为系统时钟分频模块、A/D采集控制模块、数字滤波模块、温度算法模块、数据转BCD码表示形式模块、LCD驱动模块、串口发送模块和蜂鸣器温度异常报警模块的输入时钟，频率为10MHz，另一输出时钟Adc_Clk作为A/D转换模块的输入...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢景琦，冯天琪，金俊雄，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：