技术文章

　　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。