關于紅外線人體測溫儀電路的設計方法

　　摘要：由于醫(yī)學發(fā)展的需要，在很多情況下，一般的溫度計已經(jīng)滿足不了快速而又準確的測溫要求，例如車站和機場等的人口密度較大的地方進行人體溫度測量。本文根據(jù)這種紅外線測溫的原理，通過關鍵器件的選擇、瞄準系統(tǒng)的設計以及溫度補償?shù)淖詣诱{節(jié)來提高紅外線測溫儀的度，設計了一種用紅外線測溫電路，用于人員密集且流量大的場合進行快速的人體溫度測量。
　　
　　由于醫(yī)學發(fā)展的需要，在很多情況下，一般的溫度計已經(jīng)滿足不了快速而又準確的測溫要求，例如車站和機場等的人口密度較大的地方進行人體溫度測量。雖然現(xiàn)在國外這種測溫的技術都比較成熟，但是國內這方面的技術還處于發(fā)展階段。因此，為了適應醫(yī)學發(fā)展的需要，有效地進行特殊環(huán)境下的溫度測量，從而有力地控制和預防諸如非典之類的特殊疾病的傳播，急需設計一種測溫速度快，準確率高的測溫儀。針對一般的工業(yè)用的紅外測溫儀的度不夠高，我們根據(jù)這種紅外線測溫的原理，通過關鍵器件的選擇、瞄準系統(tǒng)的設計以及溫度補償?shù)淖詣诱{節(jié)來提高紅外線測溫儀的度，設計了一種用紅外線測溫電路，用于人員密集且流量大的場合進行快速的人體溫度測量。
　　
　　1、紅外線測溫的原理
　　
　　自然界一切溫度高于零度（-273.15℃）的物體，由于分子的熱運動，都在不停地向周圍空間輻射包括紅外波段在內的電磁波，其輻射能量密度與物體本身的溫度關系符合輻射定律。
　　
　　組外輻射原理——輻射定律：　　
　　式中：E為輻射出射度，W/m3;σ為斯蒂芬—波爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8W/（m2·K4）;ε為物體的輻射率;T為物體的溫度，單位K;T0為物
　　
　　體周圍的環(huán)境溫度，單位K。
　　
　　測量出所發(fā)射的E，就可得出溫度。
　　
　　利用這個原理制成的溫度測量儀表叫紅外溫度儀表。這種測量不需要與被測對象接觸，因此屬于非接觸式測量。紅外溫度儀表測溫范圍很寬，從-50℃直至高于3000℃。在不同的溫度范圍，對象發(fā)出的電磁波能量的波長分布不同，在常溫（0～100℃）范圍，能量主要集中在中紅外和遠紅外波長。用于不同溫度范圍和用于不同測量對象的儀表，其具體的設計也不同。
　　
　　根據(jù)式（1）的原理，儀表所測得的紅外輻射為：　　
　　式中：A為光學常數(shù)，與儀表的具體設計結構有關;ε1為被測對象的輻射率;ε2為紅外溫度計的輻射率;T1為被測對象的溫度（K）;T2為紅外溫度計的溫度（K）;他由一個內置的溫度檢測元件測出。
　　
　　輻射率ε是一個用以表達物體發(fā)射電磁波能力的系數(shù)，數(shù)值由0至1.0。的輻射物體是輻射率1.0的物體，物理上叫做黑體。這是一個理論上的概念，實際上并沒有一種物體的輻射率能達到1.0。但可以制造出極為接近于ε=1.0的實際黑體，用于溫度計的校準。所有真實的物體，包括人體各部位的表面，其ε值都是某個低于1.0的數(shù)值。由于ε值極難測量而又不確定，所以在儀表測出E后，按式（2）計算出的T1就會有誤差。在實際工作中，儀表是在ε=1.0的黑體上校準好出廠的，只有測量ε=1的對象，其示值才代表對象的實際溫度，如果對象ε不等于1，則儀表讀數(shù)不代表對象的實際溫度，要進行修正。
　　
　　人體主要輻射波長在9～10μm的紅外線，通過對人體自身輻射紅外能量的測量，便能準確地測定人體表面溫度。由于該波長范圍內的光線不被空氣所吸收，因而可利用人體輻射的紅外能量地測量人體表面溫度。
　　
　　人體的紅外輻射特性與他的表面溫度有著十分密切的關系，因此，通過對人體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定人體表面溫度。紅外溫度測量技術的zui大優(yōu)點是測試速度快，1s以內可測試完畢。由于他只接收人體對外發(fā)射的紅外輻射，沒有任何其他物理和化學因素作用于人體，所以對人體無任何害處。
　　
　　2、結構框圖及電路設計
　　
　　2.1結構框圖設計
　　
　　如圖1所示為設計系統(tǒng)的總體結構框圖。　　
　　2.2溫度傳感器
　　
　　本測溫裝置使用紅外線傳感器，他能接收物體發(fā)射出的紅外線并使之轉換成電壓信號。我選用的是PM611單元熱釋電傳感器，這種傳感器雖是單靈敏元，由于他采用一個接收元和二個并聯(lián)的補償元串接的結構，故也能有效地補償環(huán)境溫度起伏，振動等于擾影響。他的工作溫度是-20～+70℃，特別適合測量人體的溫度。而且PM611各項指數(shù)都比較好，因此選用了他做溫度儀的探頭。　　
　　如圖3所示：將傳感器的D，S，E分別與電路圖中標記的D，S，E連接即可。
　　
　　2.3測量電路
　　
　　測量電路如圖4所示。　　
　　2.4積分電路
　　
　　在將模擬信號轉變成數(shù)字信號中，選擇了ICL7106積分式A/D轉換器。他主要有以下的優(yōu)點：
　　
　　積分式A/D轉換器的轉換精度高，成本低;他的精度與積分電阻，積分電容的精度無關，故可降低對元件質量的要求;抗于擾能力強;他的外圍電路簡單。
　　
　　但是，ICL7106也有一些缺點：基準電源的變化直接影響轉換精度，當芯片內部的基準電壓源一般受溫度影響比較大，當精度要求高時，應該采用外接基準電壓源;工作速度較低，一般在1～20次/s。
　　
　　所以綜合ICL7106的主要特點，尤其是為了提高精度，設計中采用了外接基準電壓源。另外，因為用來測溫的速度zui快也是1次/s，ICL7106工作速度較低的缺點對我們的設計沒有影響，可他的優(yōu)點非常適合設計的需要，因而ICL7106是A/D轉換的。
　　
　　2.5LCD顯示電路
　　
　　顯示部分由多位液晶顯示驅動器ICL7106和標準段式液晶顯示屏EDS801及其他一些元器件組成。　　
　　3、調試
　　
　　在實驗中通過調節(jié)A1輸出端的10kΩ變阻器，使A3輸出信號的大小發(fā)生改變，當A3的輸出小于2.0V時，可以適應ICL7106的量程為2.0V的工作特性，因此A3的兩個電位器用來調節(jié)A3輸出的大小，確保在高溫時不超過2.0V。
　　
　　調試時，用一已知溫度（20～70℃）的物體放置在探頭前，調節(jié)ICL7106部分中的R12，使LCD顯示出正確溫度，再換一個已知溫度，繼續(xù)調節(jié)這個電位器，使顯示值準確等于已知溫度值，反復調整幾次即可。注意不要超過PM611傳感器和ICL7106A/D積分器的溫度上限。