40机电技术2018年4月
邹小勇
(厦门ABB低压电器设备有限公司，福建厦门361006)
摘要：介绍了一种应用于数字化MNS低压开关柜的红外测温模块，介绍了红外测温的原理和设计方法，重点介绍 了红外传感器的硬件设计注意事项。对设计出来的模块进行了精度测量，结果表明其精度符合设计需求；产品推向市场，极大提高了低压开关柜的质量水平。 关键词：温度测量；红外传感器；低压开关柜；红外发射 中图分类号:TM591;TN362文献标识码:A文章编号：1672-4801 (2018)02-040-03
D01:10.19508/jki.l672-4801.2018.02.012
低压开关柜是配电系统中最重要的电气设备 之一。根据低压开关抽屉柜故障数据分析发现，大部分的故障出现在抽屉柜的接插件上；故障原 因是接插件处的电阻较高，发热较严重，导致接插 件烧毁。如果这
些发热部位的温度无法监测，得 不到及时检修，则最终会导致烧毁开关柜的火灾 事故发生。所以监测低压开关柜的接插件的温度 对提高产品质量意义十分重大。
红外测温有着响应时间快、非接触、使用安 全及使用寿命长等优点。本文介绍了基于红外 传感器的智能测温模块；本测温模块可以实时监 测低压开关抽屉柜接插件的温度，通过监测温度 进行预防性维护，起到保护低压开关柜的作用。具体设计方案：采用红外测温技术实现无线测温；采用数字化智能控制器实时采集和分析数据；采用现场总线技术实现温度数据的安全可靠 传输。
1工作原理
红外测温模块的传感器由光学系统、光电探 测器、信号放大器及信号处理等部分组成。测温 时，被测物体发射出的红外能量，通过红外测温模 块的传感器的光学系统汇聚，并聚焦在光电探测 器上转换为相应的电信号，信号经转换变为被测 目标的温度值。 本红外测温模块的传感器采用TI公司的 TM007红外传感器，该传感器将被测物体发射出 的红外能量转换成电压信号VW，同时采集传感器 自身的温度最终的被测温度可以通过以下公式计算转换得出：
T〇m=(1)其中表示塞贝克系数，由下式计算获得：來)=d、)+c2(F0B J-b)2⑵
^O S~^0 +^lC^D I E+ ^R E f)+ ^2(^D I E_ ^R E f)(3 )式中：6。、^、^—系数，分别取-2.94x l〇-5、4.
63x
10'13.4;
7W—参考温度，取298.15 K;
F o s—偏置电压，由设备中非零热阻和微
小的运行功耗产生。
其中S表示传感器的热敏性，由下式计算获得：S=S0[l+ + T r e p)+ a2(T B m-^)2](4)式中：ai、a2—系数，分别取1.75x l〇-3、-1.678x
10，
S〇—校准系数(根据实际环境校准)。
2测温模块的设计
低压开关柜的每个抽屉柜都配置一个测温模 块，每个抽屉柜都有三相进线和三相出线的接插 件，所以每个抽屉柜的测温模块最多需要配置6 个红外测温传感器。每个传感器获取传感器的 7W和值后通
过i i c总线传输给测温模块。测 温模块将采集到的r D r e和根据理论公式进行计算，最终得到每个抽屉柜的温度值；温度值也可以 通过现场总线传输到上层的监控系统。图1是总 体的系统框图。
调节板
作者简介：邹小勇（1981—)，男，工程师，硕士，主要从事低压智能电器研究。
第2期
邹小勇：应用于数字化MNS 低压开关柜的红外测温模块设计
磁悬浮鼠标亨润成型机炮筒图41
图4吸收信号和距离的关系
2.2软件设计
软件设计包括总线通信模块、LCD 显示模块、 输人输出处理模块和温度数据计算模块设计。总 线通信模块、LCD 显示模块和输入输出处理模块 设计较为成熟，本文不再赘述。温度数据计算模 块是软件设计的重点。温度数据计算模块首先需 要做的是基于数学模型获取校准系数S 。。
弹起式地面插座
(下转第66页)
-
100 -50
0 50 100
入射角/(°)
图3 A #角与信号吸收率的关系
红外测温传感器与被测目标的距离很大程度 上取决于目标的大小，目标越小应该更靠近红外测 温传感器，确保红外信号被大部分捕获。圆形目标 应放置在目标的半径(r )不到一半的距离U )上(即 火/72)，以确保传感器捕获的至少90%的红外信号
来自目标。图4说明了吸收信号和距离的关系。
域的信号，最后计算出的目标物体温度是传感器 场中所有捕捉信号的积分。因此，对准确计算目 标的能力取决于红外温度传感器捕捉目标信号的 能力。此捕获有效性取决于两个因素：入射角和 红外测温传感器与被测目标的距离。
图3是人射角与信号吸收率的关系。人射角 为0°的时候，吸收率最大，为100%。所以，在硬件 设计时候，应该使红外测温传感器和被测目标的 人射角为0°，即让被测目标的表面与红外测温传 感器表面平行。
键盘
「MCU
硬件看门狗
L
厂
总线通信接口L C D 显示
^
继电器输出
n c 总线
m r n
红外传感器
被测抽屉柜接插件
图1总体的系统框图
2.1硬件设计
硬件的键盘、硬件看门狗、总线通信接口、 LCD 显示和继电器输出电路都是比较成熟的电 路，设计较为简单，本文不再赘述。下面重点介绍 红外传感器的硬件设计注意事项。
视测目标
图2红外传感器硬件设计的框架
图2为红外传感器硬件设计的框架。硬件设 计关系到温度测量的精度，其中影响测量精度的 两个主要因素是：目标物体的表面发射率和红外 温度传感器捕捉目标信号的能力。硬件设计需要 从这两个方面着手。
目标物体的表面发射率是一个物体相对于黑 体辐射能力大小的物理量，它与物体的材料形状、 表面粗糙度和凹凸度等有关。若物体为光洁表面 时，其方向性更为敏感。不同物质的辐射率是不 同的，红外测温仪从物体上接收到辐射能量大小 正比于它的发射率。该发射率值适用于大多数有 机材料、
油漆或氧化表面的表面温度，若表面为其 他材料，则要用一种胶带或平光黑漆涂于被测表 面加以补偿。低压开关柜中的被测接插件的材质 的发射率较小，应涂上发射率为0.96的油漆加以 补偿。
红外测温传感器可准确检测几乎整个180°领
^__\椎若距离
\\
^_
锿
圈桦繫
l i l t
00000^0 0987654(3
66
机电技术2018年4月
制策略进行仿真，仿真结果表明均衡主电路可满 于所设计的均衡电路，且伴随着电池的老化不会 足设计要求，所提出的均衡电路的控制策略适用tmch
影响均衡系统的均衡效率。
参考文献：
[1] 工业和信息化部.电动汽车用电池管理系统技术条件:QC/T 897—2011[S ].北京：中国计划出版，2011.
[2] 戴海峰，魏学哲，孙泽昌，等.电动汽车用锂离子动力电池电感主动均衡系统[J ].同济大学学报（自然科学版），2013，42 (10)：1547-1553.
[3] Freedom CAR Battery Test Manual for Power Assist Hybrid Electric Vehicles ： DOE /ID -11069[S ]. Washington - DC ： US De - partmant of Energy , 2003.共沸精馏
[4] 贺红.电动汽车电池组均衡系统设计及控制策略研究[D ].长春：吉林大学，2015.[5] 郑岳久.车用锂离子动力电池组的一致性研究[D ].北京：清华大学，2014.
[6] KRANJANAPIBOON C , JIRASEREEAMORNKUL K , MONYAKUL V . Charge equalized mod
ule for serially connected VRLA battery sting using Quasi-resonant fly converter [C ]. IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications , 2010:2148- 2153.
[7] 韩广欣，韩金东，张秀军，等.锂离子电池组均衡充电的研究进展[J ].电池工业，2009，14( 1):65-68.
[8] CAO J,SCHOFIELD N,EMADI A . Battery balancing methods ： A comprehensive review [C ]. IEEE Vehicle Power and Propul sion Conference , 2008 ： 1-6.
(上接第41页)
校准系数*S 。可以基于以下公式推导得出：
S =________________________________________
[i +
+ T n E ¥) + a 2(T m E - T m ¥f]x (t 〇B } - r D 4I E )]
7^和^^值可以从传感器中读取，被测目标 的实际温度7^首先必须使用精确的温度探头测 量。测试多个点的温度，然后取得校准系数S 。，如 图5所示斜率。图5中的纵坐标表示赛贝克系数0.0014
测算值
图5系数5。的校准
♦
O B J )，横坐标表示测算值为
+ a i(^D IE + ’REF) + a 2(’DIE _ ’REF) j X (^O B J _ ’DIE)
获取校准系数<S 。后，温度7^的计算可以根据 公式(1)在软件中由温度数据计算模块实现。
3测试结论及应用效果
本红外测温模块开发完成后，进行了测试，以 检验其精度；测试误差在±4°C 以内，该精度对于低 压开关柜的应用场合已经足够。本模块开发完成 后推向市场，极大提高了低压开关柜的质量水 平。应用效果表明：根据状态监测数据进行预防 性维护可让开关柜减少停机风险，增加使用寿命。
参考文献：
[1] (波)罗格尔斯基.红外探测器[M ].周海宪，程云芳，译.2版.北京：机械工业出版社，2014:80-90.[2] 杨立，杨桢•红外热成像测温原理与技术[M ]•北京：科学出版社，2012:23-40.[3] 刘辉.红外光电探测原理[M ].北京：国防工业出版社，2016:50-66.[4] 陈永甫.红外探测与控制电路[M ].北京：人民邮电出版社，2004:290-320.[5] 李松林•红外温度模块体温测量系统[J ]•电子测量技术，2005(1) :39-40.[6] 程玉兰•红外诊断实用技术[M ]•北京：机械工业出版社，2002.
[7] 赵全利，肖兴达.单片机原理及应用教程[M ]. 2版.北京：机械工业出版社，2008.[8] 彭承琳.生物医学传感器原理及应用[M ].北京：高等教育出版社，2000.[9] 何希才.传感器及其应用实例[M ].北京：机械工业出版社，
2004.
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议