紅外體溫計(jì)高精度方面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

桂林電子科技大學(xué) 潘天賜

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紅外體溫計(jì)高精度方面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

桂林電子科技大學(xué) 潘天賜

【摘要】作為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵生理指標(biāo)，體溫不僅可以診斷人體生命體征，還能夠作為判斷患病與否的標(biāo)準(zhǔn)。在測(cè)量體溫的過程中都運(yùn)用到體溫計(jì)，在科技不斷發(fā)展的過程中，研發(fā)出多種類型的體溫計(jì)，紅外體溫計(jì)就是其中的一種，在精確度方面由于其他體溫計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、高效的溫度測(cè)量。本研究基于紅外體溫計(jì)高精度設(shè)計(jì)原理，對(duì)具體的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)和要點(diǎn)進(jìn)行分析，介紹了紅外體溫計(jì)功能的實(shí)現(xiàn)，以期實(shí)現(xiàn)非接觸式紅外體溫計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善測(cè)量精度。

【關(guān)鍵詞】紅外體溫計(jì)；精度；設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)

0　引言

測(cè)量范圍廣是紅外溫度計(jì)的一大顯著特征，在工業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用，均能對(duì)幾千度的高溫、常溫進(jìn)行測(cè)量。然而由于物體溫度、紅外溫度傳感器輸出二者的關(guān)系無特定規(guī)律，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果具有一定的誤差，精度范圍為±1到±2％之間。人體溫度變化范圍不大，一般都在35到42℃之間，溫度計(jì)的刻度相對(duì)較細(xì)，利用紅外體溫計(jì)能夠得到較為精確的體溫值。本研究通過對(duì)紅外體溫計(jì)高精度方面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行探究，發(fā)揮溫度補(bǔ)償電路的作用，盡可能的消除環(huán)境溫度的干擾，將紅外體溫計(jì)的測(cè)量精度提升到±0.1℃，為相關(guān)研究提供參考意見。

1　紅外體溫計(jì)的設(shè)計(jì)原理分析

普朗克黑體輻射定律是高精度紅外體溫計(jì)測(cè)量溫度時(shí)所遵循的基本原理，在設(shè)計(jì)過程中也發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用。該定律指的是投射在黑體表面的輻射能量能夠被全部吸收掉，同所處的溫度環(huán)境、波長(zhǎng)無關(guān)[1]。黑體不會(huì)出現(xiàn)透射、反射的狀況，能夠?qū)⒛芰枯椛涞酵獠?，其單色輻射出射度表示特定波長(zhǎng)輻射源在單位面積元中的輻射通量總和。若黑體溫度是T，則單色輻射出射度公式：

公式中c1、c2分別為3.7418×10-16W·m2和1.438×10-2m·K。

若將玻爾茲曼常數(shù)表示為K，計(jì)算黑體所有波長(zhǎng)的輻射出射度的公式是：

黑體同人體的皮膚有所不同，為了更好的測(cè)量出體溫，應(yīng)將波長(zhǎng)設(shè)置在5μm以上，并在紅外體溫計(jì)中安設(shè)濾波器，使通過波長(zhǎng)在5.5μm以上，從而使皮膚近似黑體。

2　紅外體溫計(jì)高精度方面的設(shè)計(jì)

2.1傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

作為高精度紅外體溫計(jì)的核心，紅外傳感器包括熱敏電阻、溫差熱電堆，直接影響著測(cè)量的準(zhǔn)確程度。紅外體溫計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)詳見圖1。

圖1　紅外體溫計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

熱電堆工藝制造技術(shù)分為微機(jī)械電子、半導(dǎo)體集成電路兩種，制作工藝等同于串聯(lián)下的多個(gè)熱電偶。熱電偶的基本構(gòu)成單元是導(dǎo)體，導(dǎo)體的密度包括兩大類，分為冷端、熱端[2]。對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量的過程中，分別要將被測(cè)物體、測(cè)量?jī)x表同熱端、冷端相接觸，密度相同的導(dǎo)體在梯度溫度作用下，會(huì)形成溫差電動(dòng)勢(shì)，電子密度的差異會(huì)導(dǎo)致金屬連接部位出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)。

通常將熱量吸收器設(shè)置在紅外傳感器的熱電堆部件中，使熱端能夠?qū)ξ矬w輻射紅外線進(jìn)行吸收，吸收的紅外線可以轉(zhuǎn)換成熱能。紅外輻射功率在熱電堆的作用下能夠以電信號(hào)的方式呈現(xiàn)出來，從而實(shí)現(xiàn)了測(cè)量溫度的目的。

2.2傳感器的輸出

對(duì)高精度紅外體溫計(jì)傳感器的輸出進(jìn)行分析，若物體溫度是Tabj，所有波長(zhǎng)輻射源在單位面積元中的功率是：

公式內(nèi)發(fā)射系數(shù)為ε，取值范圍為[0.1]。

結(jié)合熱平衡方程公式，鑒于紅外傳感器熱電堆所處的環(huán)境的實(shí)際溫度不同，運(yùn)用紅外體溫計(jì)進(jìn)行高精度測(cè)量時(shí)，可以得出紅外傳感器凈熱功率：

公式中常數(shù)為k’，物體發(fā)射系數(shù)表示為εabj，傳感器材料發(fā)射系數(shù)為εsens，傳感器環(huán)境溫度為Ta，物體溫度為Tabj。

體溫計(jì)的紅外傳感器輸出電壓為：

傳感器靈敏性表示為S。因?yàn)槿梭w溫度測(cè)量條件下，紅外傳感器對(duì)波長(zhǎng)有著嚴(yán)格的規(guī)定，可以將公式進(jìn)行調(diào)整，可得：

綜合上述公式能夠得知：環(huán)境溫度固定情況下，物體絕對(duì)溫度、紅外傳感器輸出電壓二者的4-δ次方的關(guān)系呈線性特征[3]。物體溫度分別對(duì)應(yīng)不同的傳感器輸出量，所以能夠通過對(duì)傳感器輸出進(jìn)行測(cè)量的方式來獲取物體溫度狀況。但因?yàn)榄h(huán)境溫度具有變化的特征，因此運(yùn)用紅外體溫計(jì)測(cè)量人體溫度時(shí)，要對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行一定的補(bǔ)償。

2.3環(huán)境溫度補(bǔ)償及電路設(shè)計(jì)

熱電偶的冷端、熱端二者的溫度差值能夠通過熱電堆輸出的電信號(hào)體現(xiàn)出來，得到的是熱電堆冷端、物體在溫度方面的差值，并非溫度測(cè)量的結(jié)果，為了解決這一問題就需要對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行補(bǔ)償。環(huán)境溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)主要分為數(shù)字電路處理、模擬電路處理兩大方式。

1）數(shù)字電路處理方式

在對(duì)熱電堆溫度、環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)量的過程中，可以借助基于單片機(jī)的查表法來實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過數(shù)字電路處理能夠使最終測(cè)量的結(jié)果更加準(zhǔn)確，精度為±0.1℃。本研究在設(shè)計(jì)紅外體溫計(jì)時(shí)采用了數(shù)字電路處理方式，確保了高精度設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

2）模擬電路處理方式

當(dāng)溫度在特定范圍內(nèi)固定的情況下，溫度、熱敏電阻值二者的4次方的關(guān)系可看作具有線性特征，表示為均為常數(shù)。紅外體溫計(jì)模擬電路處理圖詳見圖2。

圖2　模擬電路處理示意圖

結(jié)合紅外傳感器輸出公式，對(duì)放大器的倍數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)控，能夠保證物體溫度、輸出電信號(hào)二者的4-δ次方的關(guān)系呈線性特征，有效消除了環(huán)境溫度輸出量的干擾，能夠得出較為準(zhǔn)確的溫度結(jié)果。這種處理方式雖然方便、靈活，但結(jié)果精度較差。

3　紅外體溫計(jì)高精度的實(shí)現(xiàn)

3.1紅外體溫計(jì)高精度系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

高精度紅外體溫計(jì)運(yùn)用的為TPS334（PERKINELMER）紅外傳感器，能夠同Lcd顯示屏（96段）進(jìn)行有效的連接。其中單片機(jī)的功耗較低，包括Lcd設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。將AD7715 16位∑-△模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為紅外體溫計(jì)的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，共包括兩路輸入，分別同熱敏電阻、熱電堆進(jìn)行連接[4]。轉(zhuǎn)換器附帶恒定電流源，能夠?qū)︱?qū)動(dòng)熱敏電阻進(jìn)行有效的補(bǔ)償，紅外體溫計(jì)高精度系統(tǒng)的數(shù)字處理方式實(shí)現(xiàn)結(jié)果詳見圖3。溫度有限，僅在35至42℃之間，無需設(shè)置較細(xì)的刻度。因此能夠擺脫傳統(tǒng)測(cè)量方式的約束，不再依靠原有的公式來開展測(cè)量和計(jì)算工作。運(yùn)用高精度紅外體溫計(jì)時(shí)，可以忽略環(huán)境、人體皮膚的實(shí)際溫度，僅可以將二者件的溫度差值函數(shù)視為紅外傳感器的輸出電壓。進(jìn)行單片機(jī)查表操作后，能夠得出實(shí)際的溫度差值，再加上環(huán)境溫度（通過熱敏電阻測(cè)量所得），即可得到最終的人體溫度。

圖3　數(shù)字處理方式系統(tǒng)框架的實(shí)現(xiàn)流程

圖4　紅外體溫計(jì)高精度的實(shí)現(xiàn)過程示意圖

3.3系統(tǒng)軟件流程的實(shí)現(xiàn)

在數(shù)字處理方式下，紅外體溫計(jì)高精度的實(shí)現(xiàn)過程詳見圖4。

4　結(jié)語

綜上所述，在對(duì)高精度紅外體溫計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主體是低功耗單片機(jī)，聯(lián)合放大器、16位精度內(nèi)部溫度傳感器液晶顯示，大大降低了成本費(fèi)用的消耗，具有操作簡(jiǎn)便，測(cè)量快速、精確等優(yōu)勢(shì)，且擁有良好的重復(fù)利用能力。在優(yōu)化設(shè)計(jì)方案下，紅外體溫計(jì)能夠?qū)Ⅲw溫測(cè)量精度控制在0.3℃，在同電腦進(jìn)行連接的情況下，為醫(yī)學(xué)病房運(yùn)用提供了很大的便利。

參考文獻(xiàn)

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[4]王會(huì)強(qiáng),郝曉劍,周漢昌.MEMS熱電堆高溫測(cè)試系統(tǒng)中單晶材料的紅外衰減特性研究[J].傳感器世界,2010(04).

潘天賜（1985－），女，廣西桂林人，大學(xué)本科，工程師，研究方向：儀表儀器工程。

作者簡(jiǎn)介：