摘要：紅外體溫計(jì)采用紅外溫度傳感器測(cè)量體溫，利用GE公司的zTP135S—R型紅外熱電堆溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度信號(hào)的非接觸測(cè)量。詳細(xì)介紹了ZTP135S—R型傳感器的工作原理和性能。它與自帶ADC的megal6型8位單片機(jī)相連，共同實(shí)現(xiàn)體溫計(jì)的功能。

1 引言

現(xiàn)在，人們對(duì)自己的身體健康狀況十分關(guān)注，都希望自己有一個(gè)好的身體。體溫是人體的重要生理參數(shù)之一，對(duì)它的監(jiān)測(cè)十分重要。市場(chǎng)上最流行的體溫計(jì)是電子體溫計(jì)，特別是非接觸式紅外體溫計(jì)。目前國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的紅外體溫計(jì)主要有華中科技大學(xué)研制的“慧眼：HW一05”人體溫度紅外熱圖像儀.其分辨率高達(dá)0.06℃；中科院上海物理研究所研制的紅外測(cè)溫儀和蘭州大學(xué)合華技術(shù)應(yīng)用開(kāi)發(fā)中心開(kāi)發(fā)的LHW—I型紅外線測(cè)溫儀。國(guó)外產(chǎn)品有德國(guó)博郎集團(tuán)開(kāi)發(fā)的只需1秒即可測(cè)出體溫的紅外體溫計(jì)；日本歐姆龍研制的幾款非接觸式紅外體溫計(jì)和BJ40型非接觸式醫(yī)用紅外線體溫計(jì)(精度為±t0.2℃，其主要器件是紅外溫度傳感器。本文給出了應(yīng)用GE公司的ZTP135S—R型紅外溫度傳感器進(jìn)行的體溫計(jì)設(shè)計(jì)。

2 紅外溫度傳感器的原理

自然界一切溫度高于絕對(duì)零度(-273.15℃)的物體。由于分子的熱運(yùn)動(dòng)都在不停地向周圍空間輻射包括紅外波段在內(nèi)的電磁波。其輻射能量密度與物體本身的溫度關(guān)系符合普朗克(Plank)定律。紅外測(cè)溫的原理是一樣的，都是根據(jù)普朗克原理。一般理解紅外測(cè)量的是物體的溫度，其實(shí)測(cè)的是目標(biāo)物與傳感器或者說(shuō)是物體與環(huán)境溫度之間的差值。物體輻射能量的大小直接與該物體的溫度有關(guān).具體地說(shuō)，是與該物體熱力學(xué)溫度的4次方成正比。用公式可表達(dá)為：

E=δε(T4-T4o) (1)
     式中，E是輻射出射度，單位是W/m3；
     δ是斯蒂芬一波爾茲曼常數(shù)，5.67x10-8W/(m2·K4)；
     δ是物體的輻射率：
     T是物體的溫度(K)；
     To是物體周圍的環(huán)境溫度(K)。

人體主要輻射波長(zhǎng)為9μm—10μm的紅外線。通過(guò)對(duì)人體自身輻射紅外能量的測(cè)量便能準(zhǔn)確地測(cè)定人體表面溫度。由于該波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光線不被空氣所吸收，因而也可利用人體輻射的紅外能量精確地測(cè)量人體表面溫度。

紅外溫度傳感器利用熱電偶原理，測(cè)量目標(biāo)物與傳感器或者物體與環(huán)境溫度之間的差值。熱電偶的原理是二種不同的金屬A和B構(gòu)成一個(gè)閉合回路，當(dāng)二個(gè)接觸端溫度不同時(shí)(T>To)，回路中產(chǎn)生熱電勢(shì)Eab，其中T稱為熱端、工作端或測(cè)量端，To稱為冷端、自由端或參比端。A和B稱為熱電極。熱電勢(shì)的大小由接觸電勢(shì)(也叫伯爾貼電勢(shì))和溫差電勢(shì)(也叫湯姆遜電勢(shì))決定。

3 ZTPl35S—R的工作原理和性能

GE公司生產(chǎn)的ZTP135S—R型紅外溫度傳感器是一種專門用于非接觸式測(cè)量體溫的器件，其主要參數(shù)如下：

芯片尺寸大?。?.8mm x l.8mm；
     光孔大?。?.4mm x 1.4mm；
     電偶數(shù)：60對(duì)：
     作用面積：0.7mm x 0.7ram；
     內(nèi)阻：60kn±30%；
     電阻溫度系數(shù)：<0.12%/℃；
     敏感度：65V/W±30%；
     噪聲電壓：32nVrms(典型值)；
    探測(cè)靈敏度：1.4E08emHz(1/2)W(典型值)；
     時(shí)間系數(shù)：25ms(典型值)；
     電熱堆作溫度補(bǔ)償：R=100kΩ，溫度為25℃(R公差為±3%)，β=3960(β公差為±0.5%)；
     封裝型號(hào)：TO-46；
     工作溫度：-20℃～100℃；
     存貯溫度：-40℃～120℃。
     其外形和引腳排列如圖1所示。

被測(cè)物體的輻射能經(jīng)過(guò)窗口和光闌聚焦在接收元件(熱電堆)的受熱片上，受熱片上有60只串聯(lián)的熱電偶。每只熱電偶的熱端在受熱片的中央部位圍成一圈，焊接在一起，從引線就可以得到所有電偶的熱電勢(shì)之和。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有較小的熱慣性和較高的靈敏度。傳感器采用負(fù)溫度系數(shù)電熱調(diào)節(jié)器進(jìn)行環(huán)境溫度補(bǔ)償。

圖2、圖3和圖4分別示出該傳感器的靈敏度變化曲線、內(nèi)阻變化率曲線和傳輸波形。

4 紅外傳感器的應(yīng)用

本設(shè)計(jì)采用AVR單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，它與z1"P135S—R相連，對(duì)其采集到的溫度電信號(hào)進(jìn)行處理，再經(jīng)過(guò)濾波和放大，把溫度的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)提取出來(lái)進(jìn)行MD轉(zhuǎn)換，最終在液晶顯示器(LMD)上顯示出來(lái)。LCD的8條數(shù)據(jù)線接.PB口；控制線RS、R/W、EN分別接PD0、PDl、PD3；LCD的背光燈由PD4控制。蜂鳴器由PD5控制。紅外的溫度信號(hào)接單片機(jī)的PA0口，環(huán)境溫度補(bǔ)償信號(hào)接單片機(jī)的PAI口。其中還設(shè)計(jì)了二個(gè)按鈕(keyl，key2)，keyl為系統(tǒng)控制開(kāi)關(guān)，key2為復(fù)位開(kāi)關(guān)。圖5示出megal6型單片機(jī)的外圍電路。

5 結(jié)束語(yǔ)

在溫度測(cè)量系統(tǒng)中，溫度傳感器是一個(gè)重要的器件，它的性能直接影響溫度測(cè)量的準(zhǔn)確度.需要根據(jù)不同的測(cè)量精度來(lái)選擇傳感器，對(duì)于紅外溫度傳感器來(lái)說(shuō)，因?yàn)樗欠墙佑|式的，所以對(duì)環(huán)境的要求特別高，采用熱電偶的測(cè)量原理，對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行補(bǔ)償，從而獲得準(zhǔn)確的測(cè)量效果。本設(shè)計(jì)采用ZTPl35S—R型傳感器很好地滿足了要求。測(cè)量溫度成線性變化，并且.本裝置所用的紅外傳感器只是吸收人體輻射的紅外線而不向人體發(fā)射任何射線，它采用的是被動(dòng)式和非接觸式測(cè)量方式，不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生輻射傷害。