[转发]非接触式红外遥感体温计的设计和实现

非接触式红外遥感体温计的设计和实现

摘要 讨论红外遥感体温计的基本原理，并论证了用之体温计的可行性。在此基础上，我们给出了使用红外传感器来实现体温计的电路原理图和程序流程。
关键词 红外体温计；热电堆；热敏电阻；ADC(模数转换器)；单片机
1 引言
人体体温是鉴别人体健康状况的重要参数，所以体温在医疗领域中占有十分重要的地位。现有体温计大概分为三种类型：一种是常见的玻璃水银体温计；一种是电子体温计；另一种是较高档的耳道式红外遥感体温计。
水银体温计虽然价格便宜但是有诸多弊端：首先，水银体温计遇热或安置不当，体温计容易破裂。其次，人体接触水后会中毒，中毒症状是恶心、头痛、腹泻、脱发等，严重者会造成血液凝固。因为水银有剧毒，一旦它污染了水源或食物，可以对人的肾脏、肺等造成极大的伤害，水银也能加速人神经系统退变。最后，采用水银体温计测温需要相当长的时间(5min-l0min)，使用不便。美国一些城市和医院已开始禁止使用水银体温计(北京青年报2001年7月10日，《环球时报》2001年7月13日)。
电子体温计是采用热敏电阻测量温度的，采用电子体温计测温也需要较长的时间，同样使用不便。耳道式体温计是根据黑体辐射原理通过测量人体辐射的红外线而测量温度的。它用的红外传感器只是吸收人体辐射的红外线而不向人体发射任何射线，它采用的是被动式且非接触式的测量方式，因此红外体温计不会对人体产生辐射伤害。三种体温计比较之，耳式体温计的性能最好，它不仅测量速度快(测量时间小于1s)而且精度最高(±0.1℃)。
红外温度计在工业中已有广泛的应用，其测量范围可从常温到达上千摄氏度。但是红外温度传感器的输出与被测物体的温度是非线性关系，所以会存在较大的误差，精度一般在±1%-±2％。因而其绝对误差值是较大。
人体的温度只在较小的范围内变化(35℃-42℃)，因此，只要进行较细的刻度，红外体温计就可获得较高的测量精度。为了排除环境温度变化对测量结果的影响，还要采用温度补偿电路对环境温度进行补偿。我们要设计的红外体温计其测量范围是35℃-42℃，且精度为±0.1℃。在该设计中，以低功耗单片机为主体，配有高精度放大器和16位ADC，测量值用LCD进行温度显示，具有成本较低、使用方便、测量时间短、精度较高、可重复性好。更重要的是，通过进一步设计完善，它可以与电脑连接，因此更适用于病房和护士工作站使用。以下详细阐述测温基本原理和系统实现。
2 基本原理
首先介绍红外遥感体温计的物理原理，然后介绍红外传感器的原理和结构，最后介绍环境温度补偿的方法，及其提高测量精度的可行性。
2.1 黑体辐射定律
红外体温计的测温原理是基于黑体辐射定律，黑体是在任何温度下都能全部的吸收投射到其表面的任何波长的辐射能量。既没有反射，也没有透射的物体。同时它也向外界辐射能量。黑体的单色辐射出度是描述在某一波长辐射源单位面积上发出的辐射通量。温度为T的黑体单色辐射出度为其中：c1是3.7418×l0-16W·m2，c2是1.438×10-2m·k。
由此可以计算出在温度位T的黑体在全部波长范围内的辐射出度为 其中：A是波尔兹曼常数。
此外，由于人体皮肤不是理想的黑体，只有在大于5um波长范围才可以近似看成是黑体，所以在红外传感器上要装有大于5.5um的波长才可以通过的滤波器。
2.2 红外传感器结构 红外传感器是红外体温计的关键部件，它是由温差热电堆和热敏电阻两部分构成的。热电堆是用半导体集成电路(IC)工艺和微机械电子(MEMS)工艺制造的，它可以等效为多个热电偶串联组成的。而热电偶是由两种电子密度不同的导体相连接组成的。热电偶有冷热两个端点。在测量物体温度时，热端与被测物体接触，冷端与测量仪表接触。热电偶的同种导体上会因为存在温度剃度而产生汤姆孙电动势，两种金属的连接处会因为电子密度差而产生珀而粘电动势，所以在热电偶的两端会产生温差电动势。
在红外传感器热电堆的热端贴有热量吸收器，它用来吸收被测物体辐射的红外线并转化为热能。通过热电堆把辐射红外线的功率转化为电信号进行测量。
2.3 红外传感器的输出特性 温度为Tobj的物体，其单位面积在全部波长的辐射功率可以表示为其中：K是波尔兹曼常数，ε是物体的发射系数ε∈[0,1]。当用于红外传感器测量温度时，考虑到红外传感器热电堆另-端的环境温度，由热平衡方程，于是红外传感器其吸收的净热功率为其中：K/是一常数 (由传感器决定)，εobi和εsents分别为被测物体和传感器材料的发射系数，Tobi和Ta分别是被测物体温度和传感器的环境温度。由此可得出红外传感器的输出电压其中：堤传感器的敏感度(V／W)，为一常数。由于实际传感器只测量一定的波长范围并且其敏感度只有在一定的波长范围才可以看为是常数。当环境温度一定时，红外传感器其输出电压与被测物体的绝对温度的4-δ次方成线性关系。传感器的输出与被测物体的温度是单调的，即传感器的输出量与被测物体的温度是一一对应的，由此可以通过测量传感器的输出来确定被测物体的温度。由于环境温度是可变的，所以还要进行环境温度补偿。
2.4 环境温度补偿 热电堆输出端的电信号是反映热电偶冷热两端的温度差，也就是被测物体与热电堆冷端的温度差，而不是反映被测物体的真实温度。因此，还需要环境温度补偿，也就是要测出热电堆的冷端温度。环境温度补偿是通过红外传感器中负温度系数的热敏电阻完成的，它的阻值随着温度的升高而降低。由此通过测量其阻值就可以得知环境温度。实现电路可以采用模拟电路处理方法和数字电路处理方法。
2.4.1 模拟处理方法 `在有限的温度范围内，热敏电阻的阻值与温度的4次方近似为线性关系。可以通过调整2个放大器的放大倍数，可使得输出信号只与被测物体温度的4-8次方成线性关系，去除由环境温度而产生的输出分量。由此可确定物体温度 模拟处理方法的测量精度不高，只能达到±4℃。但灵活性好，可以通过调节放大倍数以适合不同物体的温度测量。
2.4.2 数字处理方法 采用单片机查表的方法分别测量环境温度和热电堆的温差，通过求和可得出被测物体的温度值。数字处理方法具有较高的精度，可达±0.1℃这是我们所采用的设计方案，下面将详细介绍。
3 体温计的实现

3.1 本设计中采用的红外传感器是PerkinElmer Optoelectronics的TPS334。单片机是TI公司的带有LCD驱动的低功耗单片机，可以直接与LCD屏相连而不需要另外的驱动电路，它最多可以显示96段。ADC采用的是AD公司带有恒定电流源的高精度的16位∑-△AD，它为两路输入，-路与热电堆相连，另一路与热敏电阻相连。恒定电流源可以用于补偿电路中驱动热敏电阻。红外传感器的两路输出(热电堆输出电压信号和热敏电阻两端电压信号)送到ADC，然后送到单片机，经单片机查表分别得出热电堆的两端温差和环境温度，并两值相加求出物；体的真实温度，并把结果送到LCD进行显示。
3.2 数据处理方法 经数字化的温度信号，送到单片机进行查表处理。对于红外体温计，其对温度的刻度要求就会降低，因为它的测量范围只是很小的一段，从35℃到42℃。在这么小的范围内，就不需要按照上述的复杂公式进行计算或刻度。只需要把传感器的输出电压看为是物体与环境的温差函数而不考虑被测物体和环境的具体温度值。通过单片机查表就可以得知被测物体与环境的温度差，再与热敏电阻测得的环境温度相加就可以得出被测物体的温度。这就是单片机处理数据的基本算法。
3.3软件流程 我们利用数字处理的方法实现的非接触式红外体温计的程序流程图。
4 结束语 现在已经完成了电路硬件的连接，单片机的程序调试已经基本完成，正在进行稳定性调试和性能测试。
信息来源： 毛志毅 苏东明 李开元等

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