關于穿戴式體溫監(jiān)測感知節(jié)點的研究

章樂毅

摘 要 體溫的測量需要通過溫度傳感器來實現(xiàn)。不同的溫度傳感器影響體溫測量的精度和穩(wěn)定性，本文通過各種類型的傳感器的比較探討，給體溫監(jiān)測提供了多種方法可能。

關鍵詞 體溫檢測;傳感器;精度;快速測量

引言

隨著科技水平的進步，人類壽命的延長，人們對自身的健康日益關注，人們對健康的認識化在發(fā)生改變：健康不僅是指身體沒有疾病， 更是一種與體質、環(huán)境、心理密切相關的狀態(tài)。體溫是一個重要的生理參數(shù)，病人的體溫為醫(yī)生提供了生理狀態(tài)的重要信息。

1 溫度傳感器

1.1 基本溫度傳感器的介紹

（1）熱電偶傳感器

熱電偶溫度傳感器是基于熱電效應原理的測溫傳感器。將兩種不同的金屬絲一端熔合起來，如果給它們的連接點和基準點之間提供不同的溫度，就會產生電壓，即熱電勢。這種現(xiàn)象叫作塞貝克效應。

熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。其優(yōu)點是：

1）測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質的影響。

2）測量范圍廣。測溫范圍極寬、從-270℃的極低溫度到2600℃的超高溫度都可以測量，而且在600℃～2000℃的溫度范圍內可以進行精確的測量（600℃以下時，鉑電阻的測量精度更高）。某些特殊熱電偶最低可測到-269℃（如金鐵鎳鉻），最高可達+2800℃（如鎢-錸）。

3）構造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護套管，用起來非常方便。

4）測溫精度高、準確、可靠、性能穩(wěn)定、熱慣性小。通常用于高溫爐的測量和快速測量方面。

但是熱電偶傳感器靈敏度比較低，容易受到環(huán)境干擾信號的影響，也容易受到前置放大器溫度漂移的影響，因此不適合測量微小的溫度變化[1]。

5）熱電偶的種類

常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所調用標準熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標準化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。標準化熱電偶 我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標準生產，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設計型熱電偶。

6）熱電偶的結構形式。為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作，對它的結構要求如下：

a.組成熱電偶的兩個熱電極的焊接必須牢固。

b.兩個熱電極彼此之間應很好地絕緣，以防短路。

c.補償導線與熱電偶自由端的連接要方便可靠。

d. 保護套管應能保證熱電極與有害介質充分隔離。

7）熱電偶冷端的溫度補償

由于熱電偶的材料一般都比較貴重（特別是采用貴金屬時），而測溫點到儀表的距離都很遠，為了節(jié)省熱 電偶材料，降低成本，通常采用補償導線把熱電偶的冷 端（自由端）延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內，連接到 儀表端子上。

（2）電阻式溫度傳感器

1）熱電阻溫度傳感器

熱電阻溫度傳感器是利用純金屬、合金和半導體材料的電阻隨溫度變化的特性，對溫度和溫度有關的參數(shù)進行檢測的裝置。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。它分為金屬熱電阻和半導體熱電阻兩大類。

2）熱敏電阻溫度傳感器

高精度熱敏電阻溫度傳感器使用的主要元件是熱敏電阻。熱敏電阻的物理特性是其電阻值隨著溫度變化而顯著變化，又分為兩種：一種是電阻值隨溫度的升高而增大，稱為正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）;另一種是電阻值隨溫度的升高而減小，稱為負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）。在一定溫度范圍內，NTC熱敏半導體陶瓷的電阻率對溫度具有明顯的敏感性，電阻率隨溫度升高而急劇減小。

（3）半導體溫度傳感器

PN結半導體溫度傳感器是利用半導體PN結的溫度特性制成的。 其工作原理是PN結兩端的電壓隨著溫度的升高而減少。PN結溫度傳感器則具有靈敏度高、線性好、熱響應快和體積輕巧等特點，尤其是溫度數(shù)字化、溫度控制以及用微機進行溫度實時訊號處理等方面，乃是其他溫度傳感器所不能比擬的。

1.2 近年來溫度測量技術的發(fā)展重點

（1）溫度傳感功能薄膜技術

薄膜溫度傳感器是隨著薄膜技術的成熟而發(fā)展起來的一種新型微傳感器，具有體積小、熱動態(tài)響應時間短、靈敏度高、便于集成等特點。它可以替代傳統(tǒng)的溫度傳感器，而且更適用于物體表面快速和小間隙場所的溫度測量。

（2）熱電偶材料性能的提高

在熱電偶絲材料方面，一些類型的熱電偶性能得到了提高，并出現(xiàn)了一些新型熱電偶類型。

1）N型熱電偶越來越受到重視。與K型熱電偶相比，N型熱電偶的高溫穩(wěn)定性與使用壽命均明顯提高。

2）鎢錸熱電偶抗氧化技術得到了發(fā)展，拓寬了其應用領域。主要是采用熱電偶絲材鍍膜或采用高致密保護套管隔絕等技術，可以延長鎢錸熱電偶在氧化氣氛下的使用時間，使之不局限在還原條件下使用，可在一定程度上取代鉑銠等貴金屬熱電偶。

3）一些非標準分度的金屬、非金屬熱電偶正在研制并逐步得到應用。為了提高溫度測量上限，一些非標準分度的鉑銠、銥銠等貴金屬熱電偶已經在工程上得到應用。

（3）光纖測溫技術

光纖溫度傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經過光纖送入調制器，待測參數(shù)溫度與進入調制區(qū)的光相互作用后，導致光的光學性質（如光的強度、波長、頻率、相位等）發(fā)生變化，稱為被調制的信號光。再經過光纖送入光探測器，經解調后，獲得被測參數(shù)。

①分布式光纖溫度傳感器

分布式光纖溫度傳感器，通常用在檢測空間溫度分布的系統(tǒng)，其原理的發(fā)展是基于三種傳感器的研究，分別是瑞利散射、布里淵散射、喇曼散射。在瑞利散射（OTDR）和布里淵散射（OTDR）的研究已取得了很大的進展，因此未來的傳感器研究熱點，將放在對基于喇曼散射（OTDR）的新分布式光纖傳感器的研究上。土耳其Gunes Yilmaz開發(fā)出了一種分布式光纖溫度傳感器，此傳感器的溫度分辨率是10C，空間分辨率是1.23m。

②干涉型光纖溫度傳感器

干涉型光纖溫度傳感器是一種相位調制型光纖傳感器。它是利用溫度改變Mach- Zehnder 干涉儀、Fabry- Perot 干涉儀、Sagnac 干涉儀等一些干涉儀的干涉條紋來外界測量溫度。

③半導體吸收型光纖溫度傳感器

利用半導體材料的吸收光譜隨溫度變化而變化的特性實現(xiàn)的。光通過半導體材料時，材料會吸收一部分光子能量，當光子能量超過半導體禁帶寬度能量Eg（T）時，傳輸光的波長發(fā)生變化，由于禁帶寬度隨溫度的變化而變化，因此半導體材料吸收的波長會隨溫度而變化，同時進入半導體材料的光強將發(fā)生變化。

④光纖光柵溫度傳感器

光纖光柵溫度傳感器的工作原理是當光纖光柵所處環(huán)境的溫度發(fā)生變化時，光柵的周期或纖芯折射率將發(fā)生變化，從而使發(fā)射光的波長發(fā)生變化，通過測量溫度變化前后反射光波長的變化，就可以獲得溫度的變化情況。

（4）輻射測溫技術

輻射式濕度傳感器利用一定溫度物體的熱輻射原理制成的，輻射能隨物體溫度的變化而變化。在應用輻射式溫度傳感器檢測溫度時，只需把傳感器對準被測物體，不必與被測物體直接接觸，屬于非接觸測溫。它不會破壞被測對象的溫度場，可測量運動物體的溫度和小的被測對象的溫度;傳感器或熱輻射能探測器不必達到與被測對象同樣的溫度，測溫上限不受傳感器材料熔點的限制;屬于被動式溫度測量（即無須電源）;檢測時傳感器不必和被測對象達到熱平衡，響應時間短，檢測速度快，適于快速測溫[2]。

2 結束語

體溫是反映人體健康狀況的重要指標之一，是進行新陳代謝和正常生命活動的必要條件，也是臨床最常用的診斷指標。體溫的變化提示多種疾病的變化、轉歸。準確的體溫測量數(shù)據(jù)可為臨床診斷和治療提供重要依據(jù)同時也為制定護理措施提供依據(jù)。

參考文獻

[1]Chen Y，Zhang H，Wang N. Body temperature monitor and alarm system used in hospital based on 1-wire and wireless communication technology[C].International Workshop on Education Technology & Training & International Workshop on Geoscience & Remote Sensing. IEEE Computer Society，2008：401-404.

[2] 沙占友.智能溫度傳感器的發(fā)展趨勢[J].電子技術應用，2002，（5）：6-7.