紅外傳感器ZTP-135SR及其在紅外體溫測量中的應(yīng)用

【作者】 李若薇 ，劉梓晨 ，袁思念 ，朱子孚，葉繼倫,3，張旭,3

1 深圳市生物醫(yī)學(xué)工程重點實驗室，深圳市，518000

2 深圳大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，深圳市，518000

3 廣東省生物醫(yī)學(xué)信息檢測與超聲成像重點實驗室，深圳市，518000

0 引言

體溫是人體一項基本的生命體征參數(shù)，正常的體溫是人體維持正常生理活動的基礎(chǔ)[1]。為了解人體的體溫情況，基于部分特殊物質(zhì)的溫度特性設(shè)計出了體溫計。體溫計根據(jù)其測量原理可以分為三類，分別是水銀溫度計、電子溫度計和紅外體溫計。紅外體溫計的測量原理是通過紅外溫度傳感器感知被測體向外輻射的紅外能量，不需要與被測者接觸，可以避免因接觸式測溫而產(chǎn)生的交叉感染，并且測量速度快，克服了傳統(tǒng)接觸式體溫計的缺點，在公共場所的使用愈加廣泛。2020年新型冠狀病毒肺炎暴發(fā)，這種疾病傳染力很強，感染者的典型患病特征之一就是發(fā)熱，體溫測量也成了防控疫情的重要手段。紅外體溫測量由于其快速、無接觸式的測量特點，是疫情防控期間在公共場所進行體溫測量的優(yōu)先手段，對疫情的防控具有重要作用。

1 紅外體溫計的測量原理

任何溫度高于絕對零度（-273.15 ℃）的物體都會自發(fā)地向外輻射紅外能量[2]，物體溫度越高，向外輻射的能量越強。紅外輻射遵循一些特殊規(guī)律，如基爾霍夫定律、斯特藩-玻爾茲曼定律、維恩位移定律、普朗克定律等，這些規(guī)律針對黑體[3]而言，它們不僅揭示了黑體紅外輻射的本質(zhì)特性，還奠定了紅外應(yīng)用的基礎(chǔ)。斯特藩-玻爾茲曼定律[3]表明一個黑體的表面單位面積在單位時間內(nèi)輻射出的總能量MB(T)與它的熱力學(xué)溫度T的四次方成正比，表達(dá)式為：

其中σ為斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)。當(dāng)溫度有微小變化時，就會引起輻射的總能量有很大變化，通過測量物體向外輻射的能量MB(T)，則可計算出其溫度值T。由于自然界中并不存在理想黑體，實際物體的紅外輻射都屬于非黑體輻射，所以在使用上述針對黑體而言的紅外輻射定律時要進行修正。自然界普通物體的輻射和溫度，材料以及表面狀況有關(guān)[4]，對熱輻射的吸收比總是小于1，它們的輻射度會通過與同溫度的黑體輻射進行比較，故再定義一個比輻射率ε來衡量實際物體的輻射性能。因此，實際物體輻射的輻射能量公式就改寫為下式：

人體主要輻射9～10 μm波長[3]的紅外線，這一波長范圍內(nèi)的紅外線不會被空氣吸收，根據(jù)上述所述定律可知，已知人體表面皮膚的發(fā)射率和被測部位向外輻射的能量，就可得知人體的表面溫度。

2 紅外溫度傳感器和系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 紅外溫度傳感器ZTP-135SR

系統(tǒng)采用安費諾公司的熱電堆紅外溫度傳感器ZTP-135SR，它能夠接收被測目標(biāo)發(fā)出的紅外輻射能量并將其轉(zhuǎn)換成電信號。傳感器內(nèi)部主要由熱敏電阻和熱電堆組成，熱敏電阻用于感知環(huán)境溫度，阻值隨著環(huán)境溫度的變化而變化，用作環(huán)境溫度補償；熱電堆感知被測目標(biāo)溫度和環(huán)境溫度之間的溫度差，兩端的輸出電壓與溫差成正比。

2.2 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

紅外溫度計的系統(tǒng)框架如圖1所示。電源模塊為各個模塊提供穩(wěn)定的電壓，紅外傳感器感知目標(biāo)溫度和環(huán)境溫度并將其轉(zhuǎn)換成電信號輸出，通過AD轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)組CU中進行處理。

圖1 紅外溫度計系統(tǒng)框架Fig.1 The block diagram of infrared thermometer system

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 熱電堆輸出信號的放大及濾波

傳感器熱電堆的輸出信號是低頻微弱的生理信號，需要對信號進行放大處理和低通濾波處理。熱電堆輸出信號的放大電路和濾波電路如下圖所示。熱電堆輸出信號微弱，在設(shè)計放大電路時，應(yīng)當(dāng)選用偏置電流和溫度漂移都很小的運算放大器。系統(tǒng)采用同相比例放大電路，其中R15電阻兩端并聯(lián)一個電容C4，可防止電路震蕩并抑制高頻噪聲。

圖2 熱電堆輸出信號電路Fig.2 Thermopile output signal circuit

3.2 熱敏電阻輸出信號

ZTP-135SR中的熱敏電阻阻值和溫度成反比，環(huán)境溫度越高，電阻阻值越低。通過電壓跟隨器和三極管組成恒流源，給熱敏電阻提供一個恒定電流，再通過用ADC采集熱敏電阻兩端的電壓，即可得到熱敏電阻的阻值大?。ㄒ妶D3）。根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)手冊提供的熱敏電阻和環(huán)境溫度的R-T關(guān)系表，即可得到環(huán)境溫度的值。

圖3 熱電阻輸出信號電路Fig.3 Thermistor output signal circuit

3.3 信號采樣電路

為保證溫度信號的采樣精度，選用24位的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1220，它的有效分辨率可達(dá)到20位，可以實現(xiàn)兩個差分輸入或四個單端輸入，還帶有數(shù)字濾波器可同時抑制 50 Hz和60 Hz工頻干擾。采用差分輸入接法對熱電堆輸出電壓和熱敏電阻輸出電壓進行采集，在模擬信號輸入處使用一階無源 RC 濾波器進一步改善采樣性能。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

紅外體溫計的軟件部分主要由系統(tǒng)初始化、按鍵處理、工作模式切換、溫度數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換和溫度數(shù)據(jù)校準(zhǔn)等部分組成。溫度測量子程序，如圖4所示。主要包括讀取熱敏電阻和熱電堆兩端的電壓值和溫度轉(zhuǎn)換。溫度轉(zhuǎn)換的作用是將ADC采集到的熱電堆兩端的電壓值轉(zhuǎn)換為經(jīng)過環(huán)境溫度補償后的被測物體的實際溫度。

圖4 溫度測量子程序流程Fig.4 The subroutine flowchart of temperature measurement

系統(tǒng)采用多項式擬合的方法得到環(huán)境溫度-熱敏電阻阻值擬合曲線和被測物體溫度-熱電堆輸出電壓的擬合曲線，以得到溫度補償后的實際溫度。設(shè)熱敏電阻兩端檢測到的電壓為U，根據(jù)熱敏電阻的R-T公式和熱敏電阻兩端的電壓U-R公式，則可以利用Matlab得到熱敏電阻U和T的關(guān)系式，圖5為熱敏電阻的U-T曲線。

圖5 熱敏電阻溫度特性曲線Fig.5 Thermistor temperature characteristic curve

使用ZTP135-SR傳感器在環(huán)境溫度為0oC時測量不同目標(biāo)溫度對應(yīng)的傳感器熱電堆兩端的電壓值，據(jù)此做出溫度特性表，則可擬合出目標(biāo)溫度T和熱電堆電壓U的關(guān)系曲線（見圖6）。

圖6 熱電堆溫度特性曲線Fig.6 Thermopile temperature characteristic curve

熱電堆由多個熱電偶組成，熱電偶的測溫原理是基于“熱電效應(yīng)”，該效應(yīng)是指熱電偶兩個接點處的溫度不相同時，回路中將產(chǎn)生熱電勢[5]。當(dāng)熱電偶的熱端A和冷端B的溫度分別為t、t0，根據(jù)熱電偶的中間溫度定律[5]，產(chǎn)生的電動勢可表示為式(3)：

當(dāng)冷端溫度為0 ℃時，計算變化如下：

根據(jù)上述公式，則進一步可推導(dǎo)出在當(dāng)前環(huán)境溫度下的目標(biāo)溫度，計算表達(dá)式如下：

5 系統(tǒng)測試與分析

5.1 系統(tǒng)實現(xiàn)與測試

紅外溫度計板卡，如圖7所示。板卡長、寬分別為40 mm和23 mm。電源接口給板子供電后即可實現(xiàn)溫度測量功能，顯示屏上顯示被測物體的溫度數(shù)據(jù)。

圖7 紅外溫度計板卡Fig.7 The circuit board of infrared thermometer

系統(tǒng)搭建好后驗證測量的準(zhǔn)確性和平穩(wěn)性，圖8是系統(tǒng)在穩(wěn)定的室內(nèi)環(huán)境中分別對著空氣、手掌和額頭ADC采集的濾波處理后的熱電堆兩端輸出電壓數(shù)據(jù)。

圖8 測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計Fig.8 Test data statistics chart

為了驗證本紅外測溫系統(tǒng)在體溫測量范圍內(nèi)的精度，選取30 ℃、35 ℃、38 ℃、40 ℃和45 ℃五個溫度點[6]，在相同測試環(huán)境下測量這五個點的系統(tǒng)溫度精度，每個測量點測量樣本數(shù)為7個。圖9表明了這五個測試點下的溫度測量誤差，可以看出，在人體體溫范圍內(nèi)的溫度測量誤差范圍控制在±0.2 ℃以內(nèi)，滿足國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 21417.1—2008 《醫(yī)用紅外體溫計》中規(guī)定的±0.2 ℃測量精度的要求。

5.2 系統(tǒng)誤差分析

紅外傳感器感知測量目標(biāo)向外輻射的紅外能量易受到外部干擾[7]。當(dāng)人體處于熱對流小的室內(nèi)環(huán)境時，則環(huán)境溫度變化對測溫造成的影響即可忽略。由于人體向外輻射的能量會逐漸衰減，因此測量距離也是影響測量精度的重要因素，測量距離越大，測量誤差也越來越大[7]。為保證溫度測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，應(yīng)當(dāng)盡可能減少因環(huán)境造成的誤差，并且要確保測量環(huán)境附近沒有其他熱源干擾，使用環(huán)境要在傳感器預(yù)期的范圍之內(nèi)。同時，手持紅外溫度計測溫時傳感器與待測物之間應(yīng)避免移動，以便傳感器準(zhǔn)確感知被測物體的輻射能量。溫度誤差分析，如圖9所示。

圖9 溫度誤差分析Fig.9 Temperature accuracy error analysis chart

6 總結(jié)

我們依據(jù)紅外輻射原理設(shè)計了一款準(zhǔn)確測量人體溫度的紅外溫度計，不僅在硬件條件上充分考慮測量精度問題，選用高精度放大芯片和采樣芯片，在軟件上也利用多項式擬合補償環(huán)境溫度所造成的誤差，提高了測量精度，具有良好的應(yīng)用價值，確保了工程化應(yīng)用。