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(shù)的信號調(diào)理電路。通過溫度補(bǔ)償、非線性補(bǔ)償，有效的抑制了傳感器的非線性誤差及零點(diǎn)穩(wěn)定性，使耳溫傳感器得到很高的精度和響應(yīng)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(jié)果表明：傳感器的非線性誤差優(yōu)于0.1%、精度優(yōu)于0.1℃。

關(guān)鍵詞：耳溫傳感器；非接觸式；精度

中圖分類號：TN212 文獻(xiàn)標(biāo)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(biāo)之一，是臨床疾病和生命體征判斷的重要依據(jù)。在臨床實(shí)踐中，通常采用直腸溫度、口腔溫度、腋窩溫度作為衡量機(jī)體深部平均溫度的指標(biāo)[1-3]。傳統(tǒng)體溫測量是使用水銀溫度計(jì)進(jìn)行接觸式測量，具有性能穩(wěn)定、誤差小等優(yōu)點(diǎn)，但存在測量時間長、交叉?zhèn)魅撅L(fēng)險大、玻璃破碎易引起汞中毒等缺點(diǎn)[4-6]。而非接觸測量主要采用紅外感溫原理實(shí)現(xiàn)，與傳統(tǒng)體溫傳感器相比具有體積小、精度高、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性好等技術(shù)特點(diǎn)[7]。另外，非接觸式耳溫傳感器主要應(yīng)用在載人航天醫(yī)療檢測系統(tǒng)，滿足對航天員體溫快速、高精度、非接觸測量的實(shí)際要求，解決了我國載人航天醫(yī)療檢測系統(tǒng)對人體體溫非接觸測量需求。

1 設(shè)計(jì)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(fā)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(guān)系[8]。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準(zhǔn)確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。

根據(jù)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(fā)射率為1，其他的物質(zhì)反射系數(shù)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(guī)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(dǎo)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(fā)點(diǎn)[9-10]。

2 探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際使用環(huán)境要求，傳感器探頭組成主要包括：紅外探測器（1個）、外殼、轉(zhuǎn)接板、導(dǎo)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(jī)硅橡膠材料制成，如圖2所示。紅外探測器焊接在轉(zhuǎn)接板上，通過四芯BGD扁平電纜導(dǎo)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(nèi)部，保證其具備很好的密封效果。引出的導(dǎo)線焊接在4芯電連接器上，并用熱縮管封裝保護(hù)。

3 信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中通過計(jì)算和試驗(yàn)，確定電路的元件參數(shù)，保證信號處理信號符合要求；設(shè)計(jì)中通過計(jì)算和試驗(yàn)，確定相關(guān)溫度補(bǔ)償電路元器件參數(shù)，以滿足溫度補(bǔ)償?shù)囊?；設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)了限流電阻，解決內(nèi)部短路對整個供電系統(tǒng)的影響。經(jīng)對指標(biāo)分析，可以看出本項(xiàng)目電路部分比較復(fù)雜，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)字顯示處理部分以及軟件運(yùn)算補(bǔ)償部分，電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。本方案選擇使用國產(chǎn)單片機(jī)STC89C52RC。

來自探頭的信號組要包括，敏感信號和補(bǔ)償信號。其中敏感信號來自熱電堆敏感元件，主要表現(xiàn)為熱電勢信號。補(bǔ)償信號來自補(bǔ)償電阻，主要表現(xiàn)為阻值信號。電路首先對輸入信號進(jìn)行模擬放大處理，并進(jìn)行初級的溫度補(bǔ)償耦合處理。這主要是為了防止被測溫度低于環(huán)境溫度時，采用熱電偶效應(yīng)的熱電堆輸出反向電勢差，由于補(bǔ)償信號為電阻信號，因此采用直流電橋?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為電壓信號。顯示部分采用國產(chǎn)BH7275顯示驅(qū)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(shè)計(jì)中采用降額設(shè)計(jì)，保證電路可靠工作。

4 設(shè)計(jì)樣品的性能測試

依據(jù)以上設(shè)計(jì)，傳感器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用探頭及電路盒子分體結(jié)構(gòu)。感溫探頭部分主要是以熱電式紅外探測器將被測介質(zhì)的溫度變化量轉(zhuǎn)化為可測的電信號，并通過標(biāo)準(zhǔn)電連接器與電路盒連接，可實(shí)現(xiàn)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(shù)碼顯示器，顯示分辨率達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后2位即（0.01℃）。

在計(jì)量院對傳感器樣品進(jìn)行精度測試，顯示范圍20℃-60℃，均勻選取3個溫度點(diǎn)（20℃、40℃、60℃）進(jìn)行測試，傳感器每個溫度點(diǎn)測試3次，取平均值作為該點(diǎn)測試值，黑體溫度標(biāo)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(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為：GB/T21417.1-2008。其主要測數(shù)據(jù)見表1。

5 結(jié)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(shí)現(xiàn)比較大量程、高精度的非接觸紅外溫度測量。傳感器采用環(huán)境溫度補(bǔ)償，有效的減小紅外探測器受環(huán)境溫度影響，造成其測量漂移嚴(yán)重影響傳感器測量精度及穩(wěn)定性。由于傳感器制造技術(shù)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?？傊?，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(fā)研制工作做出了重要的技術(shù)積累。

參考文獻(xiàn)：

[1]魏計(jì)林，吳海洋，邱選兵.基于MLX90615的紅外耳溫計(jì)設(shè)計(jì)[J].光機(jī)電信息，2011，28（6）：35-38.

[2]陳可中，譚翔，董建杰.紅外測溫儀的設(shè)計(jì)[J].電子測量技術(shù)，2007，30（10）：11-14.

[3]張秀再，陳彭鑫，吳華娟，等.非接觸式紅外體溫計(jì)[J].計(jì)量技術(shù)，2015，2（2）：7-10.

[4]王勇，朱曉榮，賈永興.基于WIFI的體溫檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38（10）：119-121.

[5]柏成玉，原遵東，王鐵軍.紅外耳溫計(jì)的校準(zhǔn)[J].計(jì)量技術(shù)，2007（4）：46-49.

[6]周書銓.紅外輻射測量基礎(chǔ)[M].上海交通大學(xué)出版社，1991，3：157-165.

[7]原遵東.紅外輻射溫度計(jì)瞄準(zhǔn)的平面輻射源模型[J].計(jì)量學(xué)報，2014，35（5）：434-439.

[8]周瑋，高魁明.在線黑體輻射源的建立及其精度評價[J].東北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），1997，18（5）：498～502.

[9]段宇寧.黑體輻射源研究綜述[J].現(xiàn)代計(jì)量測試，2001，3：7～1l.

[10]張景異.黑體爐精度的實(shí)驗(yàn)研究[J].重慶工學(xué)院學(xué)報，2003，4：16-18.endprint