紅外測(cè)溫原理

紅外線人體測(cè)溫儀電路的設(shè)計(jì)技術(shù)分類： 測(cè)試與測(cè)量 消費(fèi)電子設(shè)計(jì)| 2007-11-07 來(lái)源：現(xiàn)代電子技術(shù)|唐岳湘 趙修良等由于醫(yī)學(xué)發(fā)展的需要，在很多情況下，一般的溫度計(jì)已經(jīng)滿足不了快速而又準(zhǔn)確的測(cè)溫 要求，例如車站和機(jī)場(chǎng)等的人口密度較大的地方進(jìn)行人體溫度測(cè)量。雖然現(xiàn)在國(guó)外這種測(cè)溫的技術(shù)都比較成熟， 但是國(guó)內(nèi)這方面的技術(shù)還處于發(fā)展階段。因此，為了適應(yīng)醫(yī)學(xué)發(fā)展的需要，有效地進(jìn)行特殊環(huán)境下的溫度測(cè)量，從而有力地控制和預(yù)防諸如非典之類的特殊疾病的傳播，急需設(shè)計(jì)一種測(cè)溫速度快，準(zhǔn)確率高的測(cè)溫儀。針對(duì)一般的工業(yè)用的紅外測(cè)溫儀的精 確度不夠高，我們根據(jù)這種 紅外線測(cè)溫的原理，通過(guò)關(guān)鍵器件的選擇、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及溫度補(bǔ)償?shù)淖詣?dòng)調(diào)節(jié)來(lái)提高紅外線測(cè)溫儀的精確度，設(shè)計(jì)了一種用紅外線測(cè)溫電路，用于人員密集且流量大的場(chǎng)合進(jìn)行快速的人體溫度測(cè)量。1紅外線測(cè)溫的原理自然界一切溫度高于絕對(duì)零度 (-273.15 C )的物體，由于分子的熱運(yùn)動(dòng)，都在不停地向 周圍空間輻射包括紅外波段在內(nèi)的電磁波， 其輻射能量密度與物體本身的溫度關(guān)系符合輻射 定律。組外輻射原理一一輻射定律：e - t/j式中：E為輻射出射度， Wm3; d為斯蒂芬一波爾茲曼常數(shù)，5.67 X 10-8W/ (m2 K4);&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，單位測(cè)量出所發(fā)射的 E,就可得出溫度。利用這個(gè)原理制成的溫度測(cè)量?jī)x表叫紅外溫度儀表。這種測(cè)量不需要與被測(cè)對(duì)象接觸，因此屬于非接觸式測(cè)量。紅外溫度儀表測(cè)溫范圍很寬，從-50 C直至高于3 000 C。在不同的溫度范圍，對(duì)象發(fā)出的電磁波能量的波長(zhǎng)分布不同，在常溫(0100C )范圍，能量主要集中在中紅外和遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)。 用于不同溫度范圍和用于不同測(cè)量對(duì)象的儀表，其具體的設(shè)計(jì)也不同。根據(jù)式(1)的原理，儀表所測(cè)得的紅外輻射為：E aV -Ti)式中：A為光學(xué)常數(shù)，與儀表的具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有關(guān)； 1為被測(cè)對(duì)象的輻射率；e 2為紅外溫度計(jì)的輻射率； T1為被測(cè)對(duì)象的溫度（K） ; T2為紅外溫度計(jì)的溫度（K）;他由一個(gè)內(nèi) 置的溫度檢測(cè)元件測(cè)出。輻射率e是一個(gè)用以表達(dá)物體發(fā)射電磁波能力的系數(shù)，數(shù)值由 0至1.0。最理想的輻射 物體是輻射率1.0的物體，物理上叫做黑體。這是一個(gè)理論上的概念，實(shí)際上并沒(méi)有一種物 體的輻射率能達(dá)到1.0。但可以制造出極為接近于e =1.0的實(shí)際黑體，用于溫度計(jì)的校準(zhǔn)。所有真實(shí)的物體，包括人體各部位的表面，其e值都是某個(gè)低于1.0的數(shù)值。由于e值極難測(cè)量而又不確定，所以在儀表測(cè)出E后，按式計(jì)算出的T1就會(huì)有誤差。在實(shí)際工作中，儀表是在e =1.0的黑體上校準(zhǔn)好出廠的，只有測(cè)量e =1的對(duì)象，其示值才代表對(duì)象的實(shí)際溫度，如果對(duì)象e不等于1,則儀表讀數(shù)不代表對(duì)象的實(shí)際溫度，要進(jìn)行修正。人體主要輻射波長(zhǎng)在 910卩m的紅外線，通過(guò)對(duì)人體自身輻射紅外能量的測(cè)量，便能 準(zhǔn)確地測(cè)定人體表面溫度。由于該波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光線不被空氣所吸收，因而可利用人體輻射的紅外能量精確地測(cè)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(guān)系，因此，通過(guò)對(duì)人體自身輻射的紅外能量的測(cè)量，便能準(zhǔn)確地測(cè)定人體表面溫度。紅外溫度測(cè)量技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試速 度快，1s以內(nèi)可測(cè)試完畢。由于他只接收人體對(duì)外發(fā)射的紅外輻射，沒(méi)有任何其他物理和 化學(xué)因素作用于人體，所以對(duì)人體無(wú)任何害處。2結(jié)構(gòu)框圖及電路設(shè)計(jì)2.1結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì)如圖1所示為設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖。2.2溫度傳感器本測(cè)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(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。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(gè)接收元和二個(gè)并聯(lián)的補(bǔ)償元串接的結(jié)構(gòu)，故也能有效地補(bǔ)償環(huán)境溫度起伏，振動(dòng)等于擾影響。他的工作溫度是-20+70C,特別適合測(cè)量人體的溫度。 而且PM611各項(xiàng)指數(shù)都比較好， 因此選用 了他做溫度儀的探頭。閨2 漳惑M単總乩熱椿射31準(zhǔn)優(yōu)柜0?如圖3所示：將傳感器的 D, S, E分別與電路圖中標(biāo)記的D, S, E連接即可。2.3測(cè)量電路測(cè)量電路如圖4所示。2.4積分電路在將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)中，選擇了ICL7106積分式A/D轉(zhuǎn)換器。他主要有以下的優(yōu)點(diǎn)：積分式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度高，成本低；他的精度與積分電阻，積分電容的精度無(wú) 關(guān)，故可降低對(duì)元件質(zhì)量的要求；抗于擾能力強(qiáng)；他的外圍電路簡(jiǎn)單。但是，ICL7106也有一些缺點(diǎn)：基準(zhǔn)電源的變化直接影響轉(zhuǎn)換精度，當(dāng)芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓源一般受溫度影響比較大，當(dāng)精度要求高時(shí)，應(yīng)該采用外接基準(zhǔn)電壓源；工作速度較低，一般在120次/ s。所以綜合ICL7106的主要特點(diǎn)，尤其是為了提高精度，設(shè)計(jì)中采用了外接基準(zhǔn)電壓源。另外，因?yàn)橛脕?lái)測(cè)溫的速度最快也是1次/ s , ICL7106工作速度較低的缺點(diǎn)對(duì)我們的設(shè)計(jì)沒(méi)有影響，可他的優(yōu)點(diǎn)非常適合設(shè)計(jì)的需要，因而ICL7106是A/D轉(zhuǎn)換的首選。調(diào)試時(shí)，用一已知溫度（2070C ）的物體放置在探頭前，調(diào)節(jié)ICL7106部分中的R12,使LCD顯示出正確溫度，再換一個(gè)已知溫度，繼續(xù)調(diào)節(jié)這個(gè)電位器，使顯示值準(zhǔn)確等于已 知溫度值，反復(fù)調(diào)整幾次即可。注意不要超過(guò)PM611傳感器和ICL7106 A/ D積分器的溫度上限。