紅外體溫計高精度方面的設計與實現

桂林電子科技大學 潘天賜

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紅外體溫計高精度方面的設計與實現

桂林電子科技大學 潘天賜

【摘要】作為醫學領域的一項關鍵生理指標，體溫不僅可以診斷人體生命體征，還能夠作為判斷患病與否的標準。在測量體溫的過程中都運用到體溫計，在科技不斷發展的過程中，研發出多種類型的體溫計，紅外體溫計就是其中的一種，在精確度方面由于其他體溫計，能夠實現快速、高效的溫度測量。本研究基于紅外體溫計高精度設計原理，對具體的設計環節和要點進行分析，介紹了紅外體溫計功能的實現，以期實現非接觸式紅外體溫計的優化設計，改善測量精度。

【關鍵詞】紅外體溫計；精度；設計；實現

0　引言

測量范圍廣是紅外溫度計的一大顯著特征，在工業領域中發揮著重要的作用，均能對幾千度的高溫、常溫進行測量。然而由于物體溫度、紅外溫度傳感器輸出二者的關系無特定規律，導致測量結果具有一定的誤差，精度范圍為±1到±2％之間。人體溫度變化范圍不大，一般都在35到42℃之間，溫度計的刻度相對較細，利用紅外體溫計能夠得到較為精確的體溫值。本研究通過對紅外體溫計高精度方面的設計與實現進行探究，發揮溫度補償電路的作用，盡可能的消除環境溫度的干擾，將紅外體溫計的測量精度提升到±0.1℃，為相關研究提供參考意見。

1　紅外體溫計的設計原理分析

普朗克黑體輻射定律是高精度紅外體溫計測量溫度時所遵循的基本原理，在設計過程中也發揮著關鍵性的作用。該定律指的是投射在黑體表面的輻射能量能夠被全部吸收掉，同所處的溫度環境、波長無關[1]。黑體不會出現透射、反射的狀況，能夠將能量輻射到外部，其單色輻射出射度表示特定波長輻射源在單位面積元中的輻射通量總和。若黑體溫度是T，則單色輻射出射度公式：

公式中c1、c2分別為3.7418×10-16W·m2和1.438×10-2m·K。

若將玻爾茲曼常數表示為K，計算黑體所有波長的輻射出射度的公式是：

黑體同人體的皮膚有所不同，為了更好的測量出體溫，應將波長設置在5μm以上，并在紅外體溫計中安設濾波器，使通過波長在5.5μm以上，從而使皮膚近似黑體。

2　紅外體溫計高精度方面的設計

2.1傳感器結構設計

作為高精度紅外體溫計的核心，紅外傳感器包括熱敏電阻、溫差熱電堆，直接影響著測量的準確程度。紅外體溫計的傳感器結構詳見圖1。

圖1　紅外體溫計的傳感器結構示意圖

熱電堆工藝制造技術分為微機械電子、半導體集成電路兩種，制作工藝等同于串聯下的多個熱電偶。熱電偶的基本構成單元是導體，導體的密度包括兩大類，分為冷端、熱端[2]。對溫度進行測量的過程中，分別要將被測物體、測量儀表同熱端、冷端相接觸，密度相同的導體在梯度溫度作用下，會形成溫差電動勢，電子密度的差異會導致金屬連接部位出現電動勢。

通常將熱量吸收器設置在紅外傳感器的熱電堆部件中，使熱端能夠對物體輻射紅外線進行吸收，吸收的紅外線可以轉換成熱能。紅外輻射功率在熱電堆的作用下能夠以電信號的方式呈現出來，從而實現了測量溫度的目的。

2.2傳感器的輸出

對高精度紅外體溫計傳感器的輸出進行分析，若物體溫度是Tabj，所有波長輻射源在單位面積元中的功率是：

公式內發射系數為ε，取值范圍為[0.1]。

結合熱平衡方程公式，鑒于紅外傳感器熱電堆所處的環境的實際溫度不同，運用紅外體溫計進行高精度測量時，可以得出紅外傳感器凈熱功率：

公式中常數為k’，物體發射系數表示為εabj，傳感器材料發射系數為εsens，傳感器環境溫度為Ta，物體溫度為Tabj。

體溫計的紅外傳感器輸出電壓為：

傳感器靈敏性表示為S。因為人體溫度測量條件下，紅外傳感器對波長有著嚴格的規定，可以將公式進行調整，可得：

綜合上述公式能夠得知：環境溫度固定情況下，物體絕對溫度、紅外傳感器輸出電壓二者的4-δ次方的關系呈線性特征[3]。物體溫度分別對應不同的傳感器輸出量，所以能夠通過對傳感器輸出進行測量的方式來獲取物體溫度狀況。但因為環境溫度具有變化的特征，因此運用紅外體溫計測量人體溫度時，要對環境溫度進行一定的補償。

2.3環境溫度補償及電路設計

熱電偶的冷端、熱端二者的溫度差值能夠通過熱電堆輸出的電信號體現出來，得到的是熱電堆冷端、物體在溫度方面的差值，并非溫度測量的結果，為了解決這一問題就需要對環境溫度進行補償。環境溫度補償電路設計主要分為數字電路處理、模擬電路處理兩大方式。

1）數字電路處理方式

在對熱電堆溫度、環境溫度進行測量的過程中，可以借助基于單片機的查表法來實現，經過數字電路處理能夠使最終測量的結果更加準確，精度為±0.1℃。本研究在設計紅外體溫計時采用了數字電路處理方式，確保了高精度設計目標的實現。

2）模擬電路處理方式

當溫度在特定范圍內固定的情況下，溫度、熱敏電阻值二者的4次方的關系可看作具有線性特征，表示為均為常數。紅外體溫計模擬電路處理圖詳見圖2。

圖2　模擬電路處理示意圖

結合紅外傳感器輸出公式，對放大器的倍數進行適當的調控，能夠保證物體溫度、輸出電信號二者的4-δ次方的關系呈線性特征，有效消除了環境溫度輸出量的干擾，能夠得出較為準確的溫度結果。這種處理方式雖然方便、靈活，但結果精度較差。

3　紅外體溫計高精度的實現

3.1紅外體溫計高精度系統框架結構

高精度紅外體溫計運用的為TPS334（PERKINELMER）紅外傳感器，能夠同Lcd顯示屏（96段）進行有效的連接。其中單片機的功耗較低，包括Lcd設備驅動程序。將AD7715 16位∑-△模數轉換器作為紅外體溫計的模擬數字轉換器，共包括兩路輸入，分別同熱敏電阻、熱電堆進行連接[4]。轉換器附帶恒定電流源，能夠對驅動熱敏電阻進行有效的補償，紅外體溫計高精度系統的數字處理方式實現結果詳見圖3。溫度有限，僅在35至42℃之間，無需設置較細的刻度。因此能夠擺脫傳統測量方式的約束，不再依靠原有的公式來開展測量和計算工作。運用高精度紅外體溫計時，可以忽略環境、人體皮膚的實際溫度，僅可以將二者件的溫度差值函數視為紅外傳感器的輸出電壓。進行單片機查表操作后，能夠得出實際的溫度差值，再加上環境溫度（通過熱敏電阻測量所得），即可得到最終的人體溫度。

圖3　數字處理方式系統框架的實現流程

圖4　紅外體溫計高精度的實現過程示意圖

3.3系統軟件流程的實現

在數字處理方式下，紅外體溫計高精度的實現過程詳見圖4。

4　結語

綜上所述，在對高精度紅外體溫計進行設計的過程中，設計系統的主體是低功耗單片機，聯合放大器、16位精度內部溫度傳感器液晶顯示，大大降低了成本費用的消耗，具有操作簡便，測量快速、精確等優勢，且擁有良好的重復利用能力。在優化設計方案下，紅外體溫計能夠將體溫測量精度控制在0.3℃，在同電腦進行連接的情況下，為醫學病房運用提供了很大的便利。

參考文獻

[1]傅中君,侯雪亞.基于TS118-1的無接觸式人體體溫計的實現[J].江蘇技術師范學院學報,2007(02).

[2]宋榮,林日凱.高精度A/D轉換器AD7710及其在非接觸紅外體溫測量儀中的應用[J].電子質量,2003(11).

[3]謝海源,錢明理.基于數字式紅外熱電堆傳感器的耳溫儀設計[J].中國醫療器械雜志,2013(05).

[4]王會強,郝曉劍,周漢昌.MEMS熱電堆高溫測試系統中單晶材料的紅外衰減特性研究[J].傳感器世界,2010(04).

潘天賜（1985－），女，廣西桂林人，大學本科，工程師，研究方向：儀表儀器工程。

作者簡介：