人體紅外溫度計電路的設計和工作原理由于醫療發(fā)展的需要,在很多情況下,通用溫度計不能滿(mǎn)足快速準確測溫的要求,如車(chē)站和機場(chǎng)。
由于醫療發(fā)展的需要,普通型溫度計在很多情況下不能滿(mǎn)足快速準確測溫的要求,如在車(chē)站、機場(chǎng)等人口密度高的地方進(jìn)行人體體溫測量。雖然目前國外的溫度測量技術(shù)相對成熟,但國內該領(lǐng)域的技術(shù)仍處于發(fā)展階段。因此,為了適應醫學(xué)發(fā)展的需要,在特殊環(huán)境下有效地進(jìn)行溫度測量,從而有效地控制和預防非典等特殊疾病的傳播,迫切需要設計一種測溫速度快、精度高的溫度計。針對一般工業(yè)用紅外溫度計溫度不夠高的事實(shí),根據這種紅外溫度計的原理,通過(guò)關(guān)鍵部件的選擇、瞄準系統的設計和溫度補償的自動(dòng)調節,提高了紅外溫度計的溫度,設計了一種在擁擠和大流量場(chǎng)合快速測量人體溫度的紅外溫度計電路。
1紅外測溫原理自然界中所有溫度在零度以上(-273.15℃)的物體,由于分子的熱運動(dòng),不斷向周?chē)臻g輻射電磁波,包括紅外波段。輻射能量密度和物體本身溫度之間的關(guān)系符合輻射定律。外部輻射原理& mdash& mdash輻射定律:公式中:e是輻射率,w/m3;&sigma。斯蒂芬& mdash玻爾茲曼常數,5.67倍;10-8W/(m2 & middot;K4);& epsilon是物體的光輝;t是物體的溫度,單位為k;T0是物體周?chē)沫h(huán)境溫度,單位為k。溫度可以通過(guò)測量發(fā)射的e來(lái)獲得。由這一原理制成的溫度測量?jì)x稱(chēng)為紅外溫度計。這種測量不需要與被測物體接觸,因此屬于非接觸測量。紅外溫度計的溫度測量范圍很寬,從-50℃到3000℃以上。在不同的溫度范圍內,物體發(fā)射的電磁波能量的波長(cháng)分布是不同的。在正常溫度范圍(0 ~ 100℃)內,能量主要集中在中紅外和遠紅外波長(cháng)。不同溫度范圍和不同測量對象的儀器的具體設計也不同。根據公式(1)的原理,儀器測得的紅外輻射如下:公式中:a為光學(xué)常數,與儀器的具體設計結構有關(guān);& epsilon1是被測物體的亮度;& epsilon2是紅外溫度計的發(fā)射率;T1是被測物體的溫度(k);T2是紅外線(xiàn)溫度計的溫度(k);他被內置的溫度探測器探測到了。發(fā)射率&ε;是用來(lái)表示物體發(fā)射電磁波能力的系數,范圍從0到1.0。Zui的理想輻射物體是發(fā)射率為1.0的物體,物理上稱(chēng)為黑體。這是一個(gè)理論概念。事實(shí)上,沒(méi)有物體的發(fā)射率是1.0。但是它可以做得非常接近ε;= 1.0溫度計校準的實(shí)際黑體。所有真實(shí)的物體,包括人體每個(gè)部分的表面,它的ε;這些值都是低于1.0的一些值。由于ε;該值極難測量且不確定,因此在儀表測量e之后,根據等式(2)計算的T1將會(huì )有誤差。在實(shí)際工作中,儀器位于ε;值為=1.0的黑體在出廠(chǎng)前已經(jīng)校準,只有測量值ε;=1時(shí),其指示代表物體的實(shí)際溫度。如果物體ε;如果不等于1,儀表讀數不代表物體的實(shí)際溫度,需要進(jìn)行校正。人體主要輻射波長(cháng)為9 ~ 10 μm;紅外線(xiàn)可以通過(guò)測量人體自身輻射的紅外能量來(lái)精確測量人體的表面溫度。由于該波長(cháng)范圍內的光不被空氣吸收,所以可以使用人體輻射的紅外能量來(lái)測量人體的表面溫度。人體的紅外輻射特性與其表面溫度密切相關(guān)。因此,可以通過(guò)測量人體自身輻射的紅外能量來(lái)精確測量人體的表面溫度。紅外測溫技術(shù)的較大優(yōu)點(diǎn)是測試速度快,可在1秒內完成。因為他只接收人體發(fā)出的紅外輻射,而沒(méi)有其他物理或化學(xué)因素作用于人體,所以對人體沒(méi)有傷害。
2結構框圖和電路設計2.1結構框圖顯示了設計系統的總體結構框圖。2.2溫度傳感器(Temperature Sensor)這種溫度測量裝置使用紅外傳感器,可以接收物體發(fā)出的紅外線(xiàn),并將它們轉換成電壓信號。我選擇了PM611單元熱釋電傳感器。雖然這種傳感器是單個(gè)敏感元件,但是它可以有效地補償環(huán)境溫度的波動(dòng),并且振動(dòng)等于干擾影響,因為它采用了一個(gè)接收元件和兩個(gè)并聯(lián)的補償元件串聯(lián)連接的結構。他的工作溫度是-20 ~+70℃,特別適合測量人體溫度。另外,PM611的各項指標都比較好,所以他被選為溫度計的探頭。將傳感器的d、s、e分別與電路圖中標記的d、s、e連接。2.3測量電路測量電路如圖4所示。2.4集成電路中選擇ICL7106集成模數轉換器,用于將模擬信號轉換成數字信號。他具有以下優(yōu)點(diǎn):轉換精度高,積分模數轉換器成本低;其精度與積分電阻和積分電容的精度無(wú)關(guān),因此可以降低對元器件質(zhì)量的要求??垢蓴_能力強;他的外圍電路很簡(jiǎn)單。然而,ICL7106也有一些缺點(diǎn):參考功率的變化直接影響轉換精度。當芯片內部的基準電壓源通常受溫度影響較大時(shí),當精度要求較高時(shí),應使用外部基準電壓源。工作速度相對較低,一般為1 ~ 20倍/秒,因此,為了提高ICL7106的精度,設計中采用了外部參考電壓源。此外,由于用于溫度測量的速度zui也是1/s,ICL7106較低工作速度的缺點(diǎn)對我們的設計沒(méi)有影響,但其優(yōu)點(diǎn)非常適合設計需要,所以ICL7106被a/d轉換。2.5液晶顯示電路的顯示部分由多位液晶顯示驅動(dòng)器ICL7106、標準段液晶顯示器EDS801等部件組成。
3調試實(shí)驗中,A1的輸出調整到10kω;變阻器,改變A3輸出信號的大小。A3輸出小于2.0 V時(shí),可以適應測量范圍為2.0V的ICL7106的工作特性,因此A3使用兩個(gè)電位計來(lái)調整A3輸出的大小,以確保在高溫下不超過(guò)2.0V。調試時(shí),在探頭前放置一個(gè)已知溫度(20 ~ 70℃)的物體,調整ICL7106中的R12使液晶顯示器顯示正確的溫度,改變另一個(gè)已知溫度,繼續調整該電位器使顯示值與已知溫度值完全相等,并調整幾次。紅外溫度計不得超過(guò)PM611傳感器和ICL 7106A/D積分器的溫度上限。
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