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由于醫學發展的需要，在很多情況下，一般的溫度計已經滿足不了快速而又準確的測溫要求，例如車站和機場等的人口密度較大的地方進行人體溫度測量。雖然現在國外這種測溫的技術都比較成熟，但是國內這方面的技術還處于發展階段。因此，為了適應醫學發展的需要，有效地進行特殊環境下的溫度測量，從而有力地控制和預防諸如非典之類的特殊疾病的傳播，急需設計一種測溫速度快，準確率高的測溫儀。針對一般的工業用的紅外測溫儀的精確度不夠高，我們根據這種紅外線測溫的原理，通過關鍵器件的選擇、瞄準系統的設計以及溫度補償的自動調節來提高紅外線測溫儀的精確度，設計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，由于分子的熱運動，都在不停地向周圍空間輻射包括紅外波段在內的電磁波，其輻射能量密度與物體本身的溫度關系符合輻射定律。 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，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為物體周圍的環境溫度，單位K。 測量出所發射的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，其具體的設計也不同。 根據式(1)的原理，儀表所測得的紅外輻射為： 式中：A為光學常數，與儀表的具體設計結構有關；ε1為被測對象的輻射率；ε2為紅外溫度計的輻射率；T1為被測對象的溫度(K)；T2為紅外溫度計的溫度(K)；他由一個內置的溫度檢測元件測出。 輻射率ε是一個用以表達物體發射電磁波能力的系數，數值由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，實際上并沒有一種物體的輻射率能達到1.0。但可以制造出極為接近于ε=1.0的實際黑體，用于溫度計的校準。所有真實的物體，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)計算出的T1就會有誤差。在實際工作中，儀表是在ε=1.0的黑體上校準好出廠的，只有測量ε=1的對象，其示值才代表對象的實際溫度，如果對象ε不等于1，則儀表讀數不代表對象的實際溫度，要進行修正。 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，便能準確地測定人體表面溫度。由于該波長范圍內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系，因此，通過對人體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定人體表面溫度。紅外溫度測量技術的最大優點是測試速度快，1 s以內可測試完畢。由于他只接收人體對外發射的紅外輻射，沒有任何其他物理和化學因素作用于人體，所以對人體無任何害處。 2 結構框圖及電路設計 2.1 結構框圖設計 如圖1所示為設計系統的總體結構框圖。 2.2 溫度傳感器 本測溫裝置使用紅外線傳感器，他能接收物體發射出的紅外線并使之轉換成電壓信號。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的補償元串接的結構，故也能有效地補償環境溫度起伏，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各項指數都比較好，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 在將模擬信號轉變成數字信號中，選擇了ICL7106積分式A／D轉換器。他主要有以下的優點： 積分式A／D轉換器的轉換精度高，成本低；他的精度與積分電阻，積分電容的精度無關，故可降低對元件質量的要求；抗于擾能力強；他的外圍電路簡單。 但是，ICL7106也有一些缺點：基準電源的變化直接影響轉換精度，當芯片內部的基準電壓源一般受溫度影響比較大，當精度要求高時，應該采用外接基準電壓源；工作速度較低，一般在1～20次／s。 所以綜合ICL7106的主要特點，尤其是為了提高精度，設計中采用了外接基準電壓源。另外，因為用來測溫的速度最快也是1次／s，ICL7106工作速度較低的缺點對我們的設計沒有影響，可他的優點非常適合設計的需要，因而ICL7106是A／D轉換的首選。 2.5 LCD顯示電路 顯示部分由多位液晶顯示驅動器ICL7106和標準段式液晶顯示屏EDS801及其他一些元器件組成。 3 調 試 在實驗中通過調節A1輸出端的10 kΩ變阻器，使A3輸出信號的大小發生改變，當A3的輸出小于2.0 V時，可以適應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節A3輸出的大小，確保在高溫時不超過2.0 V。 調試時，用一已知溫度(20～70℃)的物體放置在探頭前，調節ICL7106部分中的R12，使LCD顯示出正確溫度，再換一個已知溫度，繼續調節這個電位器，使顯示值準確等于已知溫度值，反復調整幾次即可。注意不要超過PM611傳感器和ICL7106 A／D積分器的溫度上限。 |
