紅外線人體測溫儀電路的設(shè)計(jì)
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)確的測溫要求,例如車站和機(jī)場等的人口密度較大的地方進(jìn)行人體溫度測量。雖然現(xiàn)在國外這種測溫的技術(shù)都比較成熟,但是國內(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)一種測溫速度快,準(zhǔn)確率高的測溫儀。針對一般的工業(yè)用的紅外測溫儀的精確度不夠高,我們根據(jù)這種紅外線測溫的原理,通過關(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)淖詣诱{(diào)節(jié)來提高紅外線測溫儀的精確度,設(shè)計(jì)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(jìn)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絕對零度(-273.15℃)的物體,由于分子的熱運(yùn)動,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——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3 000℃。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(yuǎn)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(shè)計(jì)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(xué)常數(shù),與儀表的具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有關(guān);ε1為被測對象的輻射率;ε2為紅外溫度計(jì)的輻射率;T1為被測對象的溫度(K);T2為紅外溫度計(jì)的溫度(K);他由一個內(nèi)置的溫度檢測元件測出。
輻射率ε是一個用以表達(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。這是一個理論上的概念,實(shí)際上并沒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ε=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(jì)算出的T1就會有誤差。在實(shí)際工作中,儀表是在ε=1.0的黑體上校準(zhǔn)好出廠的,只有測量ε=1的對象,其示值才代表對象的實(shí)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(shí)際溫度,要進(jìn)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(zhǔn)確地測定人體表面溫度。由于該波長范圍內(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,通過對人體自身輻射的紅外能量的測量,便能準(zhǔn)確地測定人體表面溫度。紅外溫度測量技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是測試速度快,1 s以內(nèi)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(xué)因素作用于人體,所以對人體無任何害處。
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。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(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(xiàng)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(biāo)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(zhuǎn)變成數(shù)字信號中,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,積分電容的精度無關(guān),故可降低對元件質(zhì)量的要求;抗于擾能力強(qiáng);他的外圍電路簡單。
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,應(yīng)該采用外接基準(zhǔn)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(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)橛脕頊y溫的速度最快也是1次/s,ICL7106工作速度較低的缺點(diǎn)對我們的設(shè)計(jì)沒有影響,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。
2.5 LCD顯示電路
顯示部分由多位液晶顯示驅(qū)動器ICL7106和標(biāo)準(zhǔn)段式液晶顯示屏EDS801及其他一些元器件組成。
3 調(diào) 試
在實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)A1輸出端的10 kΩ變阻器,使A3輸出信號的大小發(fā)生改變,當(dāng)A3的輸出小于2.0 V時,可以適應(yīng)ICL7106的量程為2.0 V的工作特性,因此A3的兩個電位器用來調(diào)節(jié)A3輸出的大小,確保在高溫時不超過2.0 V。
調(diào)試時,用一已知溫度(20~70℃)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,再換一個已知溫度,繼續(xù)調(diào)節(jié)這個電位器,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PM611傳感器和ICL7106 A/D積分器的溫度上限。