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关于红外线人体测温仪电路的设计方法

更新时间:2012-08-03      点击次数:4079
  摘要:由于医学发展的需要,在很多情况下,一般的温度计已经满足不了快速而又准确的测温要求,例如车站和机场等的人口密度较大的地方进行人体温度测量。本文根据这种红外线测温的原理,通过关键器件的选择、瞄准系统的设计以及温度补偿的自动调节来提高红外线测温仪的度,设计了一种用红外线测温电路,用于人员密集且流量大的场合进行快速的人体温度测量。
  
  由于医学发展的需要,在很多情况下,一般的温度计已经满足不了快速而又准确的测温要求,例如车站和机场等的人口密度较大的地方进行人体温度测量。虽然现在国外这种测温的技术都比较成熟,但是国内这方面的技术还处于发展阶段。因此,为了适应医学发展的需要,有效地进行特殊环境下的温度测量,从而有力地控制和预防诸如非典之类的特殊疾病的传播,急需设计一种测温速度快,准确率高的测温仪。针对一般的工业用的红外测温仪的度不够高,我们根据这种红外线测温的原理,通过关键器件的选择、瞄准系统的设计以及温度补偿的自动调节来提高红外线测温仪的度,设计了一种用红外线测温电路,用于人员密集且流量大的场合进行快速的人体温度测量。
  
  1、红外线测温的原理
  
  自然界一切温度高于零度(-273.15℃)的物体,由于分子的热运动,都在不停地向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波,其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合辐射定律。
  
  组外辐射原理——辐射定律:
  
  式中:E为辐射出射度,W/m3;σ为斯蒂芬—波尔兹曼常数,5.67×10-8W/(m2·K4);ε为物体的辐射率;T为物体的温度,单位K;T0为物
  
  体周围的环境温度,单位K。
  
  测量出所发射的E,就可得出温度。
  
  利用这个原理制成的温度测量仪表叫红外温度仪表。这种测量不需要与被测对象接触,因此属于非接触式测量。红外温度仪表测温范围很宽,从-50℃直至高于3000℃。在不同的温度范围,对象发出的电磁波能量的波长分布不同,在常温(0~100℃)范围,能量主要集中在中红外和远红外波长。用于不同温度范围和用于不同测量对象的仪表,其具体的设计也不同。
  
  根据式(1)的原理,仪表所测得的红外辐射为:
  
  式中:A为光学常数,与仪表的具体设计结构有关;ε1为被测对象的辐射率;ε2为红外温度计的辐射率;T1为被测对象的温度(K);T2为红外温度计的温度(K);他由一个内置的温度检测元件测出。
  
  辐射率ε是一个用以表达物体发射电磁波能力的系数,数值由0至1.0。的辐射物体是辐射率1.0的物体,物理上叫做黑体。这是一个理论上的概念,实际上并没有一种物体的辐射率能达到1.0。但可以制造出极为接近于ε=1.0的实际黑体,用于温度计的校准。所有真实的物体,包括人体各部位的表面,其ε值都是某个低于1.0的数值。由于ε值极难测量而又不确定,所以在仪表测出E后,按式(2)计算出的T1就会有误差。在实际工作中,仪表是在ε=1.0的黑体上校准好出厂的,只有测量ε=1的对象,其示值才代表对象的实际温度,如果对象ε不等于1,则仪表读数不代表对象的实际温度,要进行修正。
  
  人体主要辐射波长在9~10μm的红外线,通过对人体自身辐射红外能量的测量,便能准确地测定人体表面温度。由于该波长范围内的光线不被空气所吸收,因而可利用人体辐射的红外能量地测量人体表面温度。
  
  人体的红外辐射特性与他的表面温度有着十分密切的关系,因此,通过对人体自身辐射的红外能量的测量,便能准确地测定人体表面温度。红外温度测量技术的zui大优点是测试速度快,1s以内可测试完毕。由于他只接收人体对外发射的红外辐射,没有任何其他物理和化学因素作用于人体,所以对人体无任何害处。
  
  2、结构框图及电路设计
  
  2.1结构框图设计
  
  如图1所示为设计系统的总体结构框图。
  
  2.2温度传感器
  
  本测温装置使用红外线传感器,他能接收物体发射出的红外线并使之转换成电压信号。我选用的是PM611单元热释电传感器,这种传感器虽是单灵敏元,由于他采用一个接收元和二个并联的补偿元串接的结构,故也能有效地补偿环境温度起伏,振动等于扰影响。他的工作温度是-20~+70℃,特别适合测量人体的温度。而且PM611各项指数都比较好,因此选用了他做温度仪的探头。
  
  如图3所示:将传感器的D,S,E分别与电路图中标记的D,S,E连接即可。
  
  2.3测量电路
  
  测量电路如图4所示。
  
  2.4积分电路
  
  在将模拟信号转变成数字信号中,选择了ICL7106积分式A/D转换器。他主要有以下的优点:
  
  积分式A/D转换器的转换精度高,成本低;他的精度与积分电阻,积分电容的精度无关,故可降低对元件质量的要求;抗于扰能力强;他的外围电路简单。
  
  但是,ICL7106也有一些缺点:基准电源的变化直接影响转换精度,当芯片内部的基准电压源一般受温度影响比较大,当精度要求高时,应该采用外接基准电压源;工作速度较低,一般在1~20次/s。
  
  所以综合ICL7106的主要特点,尤其是为了提高精度,设计中采用了外接基准电压源。另外,因为用来测温的速度zui快也是1次/s,ICL7106工作速度较低的缺点对我们的设计没有影响,可他的优点非常适合设计的需要,因而ICL7106是A/D转换的。
  
  2.5LCD显示电路
  
  显示部分由多位液晶显示驱动器ICL7106和标准段式液晶显示屏EDS801及其他一些元器件组成。
  
  3、调试
  
  在实验中通过调节A1输出端的10kΩ变阻器,使A3输出信号的大小发生改变,当A3的输出小于2.0V时,可以适应ICL7106的量程为2.0V的工作特性,因此A3的两个电位器用来调节A3输出的大小,确保在高温时不超过2.0V。
  
  调试时,用一已知温度(20~70℃)的物体放置在探头前,调节ICL7106部分中的R12,使LCD显示出正确温度,再换一个已知温度,继续调节这个电位器,使显示值准确等于已知温度值,反复调整几次即可。注意不要超过PM611传感器和ICL7106A/D积分器的温度上限。
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