一種非接觸式耳溫傳感器研制

宮占江+孫立凱+史鑫

摘 要：文章介紹了一種基于紅外感溫原理的非接觸式耳溫傳感器。該耳溫傳感器的檢測單元包括一個感溫探頭和一個采用變送集成技術的信號調理電路。通過溫度補償、非線性補償，有效的抑制了傳感器的非線性誤差及零點穩定性，使耳溫傳感器得到很高的精度和響應速度。利用傳感器的制作工藝制作出非接觸式耳溫傳感器。非接觸式耳溫傳感器完成了性能測試，測試結果表明：傳感器的非線性誤差優于0.1%、精度優于0.1℃。

關鍵詞：耳溫傳感器；非接觸式；精度

中圖分類號：TN212 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）32-0020-02

引言

體溫是人體基本生理指標之一，是臨床疾病和生命體征判斷的重要依據。在臨床實踐中，通常采用直腸溫度、口腔溫度、腋窩溫度作為衡量機體深部平均溫度的指標[1-3]。傳統體溫測量是使用水銀溫度計進行接觸式測量，具有性能穩定、誤差小等優點，但存在測量時間長、交叉傳染風險大、玻璃破碎易引起汞中毒等缺點[4-6]。而非接觸測量主要采用紅外感溫原理實現，與傳統體溫傳感器相比具有體積小、精度高、響應速度、穩定性好等技術特點[7]。另外，非接觸式耳溫傳感器主要應用在載人航天醫療檢測系統，滿足對航天員體溫快速、高精度、非接觸測量的實際要求，解決了我國載人航天醫療檢測系統對人體體溫非接觸測量需求。

1 設計原理

非接觸的溫度探測主要采用紅外熱輻射測量方法。一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周圍空間發出紅外輻射能量。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長的分布——與它的表面溫度有著十分密切的關系[8]。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據的客觀基礎。

根據黑體輻射定律，黑體是一種理想化的輻射體，它吸收所有波長的輻射能量，沒有能量的反射和透過，其表面的發射率為1，其他的物質反射系數小于1，稱為灰體。自然界中并不存在真正的黑體，但是為了弄清和獲得紅外輻射分布規律，在理論研究中必須選擇合適的模型，這就是普朗克提出的體腔輻射的量子化振子模型，從而導出了普朗克黑體輻射的定律，即以波長表示的黑體光譜輻射度，這是一切紅外輻射理論的出發點[9-10]。

2 探頭結構設計

根據實際使用環境要求，傳感器探頭組成主要包括：紅外探測器（1個）、外殼、轉接板、導線以及電連接器。為了方便在人體耳腔安裝，探頭外殼采用有機硅橡膠材料制成，如圖2所示。紅外探測器焊接在轉接板上，通過四芯BGD扁平電纜導線將紅外探測器引線引出。利用GD414硅膠灌封的方式將以上部分灌封在外殼內部，保證其具備很好的密封效果。引出的導線焊接在4芯電連接器上，并用熱縮管封裝保護。

3 信號調理電路設計

設計中通過計算和試驗，確定電路的元件參數，保證信號處理信號符合要求；設計中通過計算和試驗，確定相關溫度補償電路元器件參數，以滿足溫度補償的要求；設計中充分考慮電磁兼容性要求，引入低通濾波電路；傳感器輸入端設計了限流電阻，解決內部短路對整個供電系統的影響。經對指標分析，可以看出本項目電路部分比較復雜，包括數據采集、數字顯示處理部分以及軟件運算補償部分，電路結構如圖3所示。本方案選擇使用國產單片機STC89C52RC。

來自探頭的信號組要包括，敏感信號和補償信號。其中敏感信號來自熱電堆敏感元件，主要表現為熱電勢信號。補償信號來自補償電阻，主要表現為阻值信號。電路首先對輸入信號進行模擬放大處理，并進行初級的溫度補償耦合處理。這主要是為了防止被測溫度低于環境溫度時，采用熱電偶效應的熱電堆輸出反向電勢差，由于補償信號為電阻信號，因此采用直流電橋將其轉換為電壓信號。顯示部分采用國產BH7275顯示驅動芯片。電路中電源回路的濾波電容組成抗電瞬變干擾電路，防止尖峰電流的沖擊，并且各芯片的電源引腳均采用了退耦電容來保證傳感器的電磁兼容。在整個電路設計中采用降額設計，保證電路可靠工作。

4 設計樣品的性能測試

依據以上設計，傳感器在結構設計上采用探頭及電路盒子分體結構。感溫探頭部分主要是以熱電式紅外探測器將被測介質的溫度變化量轉化為可測的電信號，并通過標準電連接器與電路盒連接，可實現對耳溫的非接觸測量。電路盒的供電電源以電壓方式供電，電壓范圍為（12±1）VDC，輸出為4位LED數碼顯示器，顯示分辨率達到小數點后2位即（0.01℃）。

在計量院對傳感器樣品進行精度測試，顯示范圍20℃-60℃，均勻選取3個溫度點（20℃、40℃、60℃）進行測試，傳感器每個溫度點測試3次，取平均值作為該點測試值，黑體溫度標定裝置顯示溫度與測試值之差的最大值作為傳感器測量精度，執行標準為：GB/T21417.1-2008。其主要測數據見表1。

5 結束語

通過對傳感器樣品的測試，表明傳感器在較寬的工作度范圍條件下，實現比較大量程、高精度的非接觸紅外溫度測量。傳感器采用環境溫度補償，有效的減小紅外探測器受環境溫度影響，造成其測量漂移嚴重影響傳感器測量精度及穩定性。由于傳感器制造技術采用的都是通用工藝，因此加工制作方便，尤其適合批量制作，從而大幅度提高了傳感器的一致性。總之，非接觸式耳溫傳感器研制方案是可行的，為今后非接觸式耳溫傳感器的開發研制工作做出了重要的技術積累。

參考文獻：

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