基于溫度傳感器和轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)紅外線測溫電路的設(shè)計(jì)

作者：唐岳湘，趙修良，單健，俞紅 來源：現(xiàn)代電子技術(shù)

由于醫(yī)學(xué)發(fā)展的需要，在很多情況下，一般的溫度計(jì)已經(jīng)滿足不了快速而又準(zhǔn)確的測溫要求，例如車站和機(jī)場等的人口密度較大的地方進(jìn)行人體溫度測量。雖然現(xiàn)在國外這種測溫的技術(shù)都比較成熟，但是國內(nèi)這方面的技術(shù)還處于發(fā)展階段。因此，為了適應(yīng)醫(yī)學(xué)發(fā)展的需要，有效地進(jìn)行特殊環(huán)境下的溫度測量，從而有力地控制和預(yù)防諸如非典之類的特殊疾病的傳播，急需設(shè)計(jì)一種測溫速度快，準(zhǔn)確率高的測溫儀。針對一般的工業(yè)用的紅外測溫儀的精確度不夠高，我們根據(jù)這種紅外線測溫的原理，通過關(guān)鍵器件的選擇、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及溫度補(bǔ)償?shù)淖詣?dòng)調(diào)節(jié)來提高紅外線測溫儀的精確度，設(shè)計(jì)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(jìn)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(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(shù)，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(huán)境溫度，單位K。

測量出所發(fā)射的E，就可得出溫度。

利用這個(gè)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(fā)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(yuǎn)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(shè)計(jì)也不同。

根據(jù)式（1）的原理，儀表所測得的紅外輻射為：

式中：A為光學(xué)常數(shù)，與儀表的具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有關(guān)；ε1為被測對象的輻射率；ε2為紅外溫度計(jì)的輻射率；T1為被測對象的溫度（K）；T2為紅外溫度計(jì)的溫度（K）；他由一個(gè)內(nèi)置的溫度檢測元件測出。

輻射率ε是一個(gè)用以表達(dá)物體發(fā)射電磁波能力的系數(shù)，數(shù)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(gè)理論上的概念，實(shí)際上并沒有一種物體的輻射率能達(dá)到1.0。但可以制造出極為接近于ε=1.0的實(shí)際黑體，用于溫度計(jì)的校準(zhǔn)。所有真實(shí)的物體，包括人體各部位的表面，其ε值都是某個(gè)低于1.0的數(shù)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(jì)算出的T1就會有誤差。在實(shí)際工作中，儀表是在ε=1.0的黑體上校準(zhǔn)好出廠的，只有測量ε=1的對象，其示值才代表對象的實(shí)際溫度，如果對象ε不等于1，則儀表讀數(shù)不代表對象的實(shí)際溫度，要進(jìn)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(zhǔn)確地測定人體表面溫度。由于該波長范圍內(nèi)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(guān)系，因此，通過對人體自身輻射的紅外能量的測量，便能準(zhǔn)確地測定人體表面溫度。紅外溫度測量技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是測試速度快，1 s以內(nèi)可測試完畢。由于他只接收人體對外發(fā)射的紅外輻射，沒有任何其他物理和化學(xué)因素作用于人體，所以對人體無任何害處。

2 結(jié)構(gòu)框圖及電路設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì)

如圖1所示為設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)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(fā)射出的紅外線并使之轉(zhuǎn)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(gè)接收元和二個(gè)并聯(lián)的補(bǔ)償元串接的結(jié)構(gòu)，故也能有效地補(bǔ)償環(huán)境溫度起伏，振動(dòng)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(xiàng)指數(shù)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(biāo)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(zhuǎn)變成數(shù)字信號中，選擇了ICL7106積分式A／D轉(zhuǎn)換器。他主要有以下的優(yōu)點(diǎn)：

積分式A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)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(guān)，故可降低對元件質(zhì)量的要求；抗于擾能力強(qiáng)；他的外圍電路簡單。

但是，ICL7106也有一些缺點(diǎn)：基準(zhǔn)電源的變化直接影響轉(zhuǎn)換精度，當(dāng)芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓源一般受溫度影響比較大，當(dāng)精度要求高時(shí)，應(yīng)該采用外接基準(zhǔn)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(diǎn)，尤其是為了提高精度，設(shè)計(jì)中采用了外接基準(zhǔn)電壓源。另外，因?yàn)橛脕頊y溫的速度最快也是1次／s，ICL7106工作速度較低的缺點(diǎn)對我們的設(shè)計(jì)沒有影響，可他的優(yōu)點(diǎn)非常適合設(shè)計(jì)的需要，因而ICL7106是A／D轉(zhuǎn)換的首選。

2.5 LCD顯示電路

顯示部分由多位液晶顯示驅(qū)動(dòng)器ICL7106和標(biāo)準(zhǔn)段式液晶顯示屏EDS801及其他一些元器件組成。

3 調(diào) 試

在實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)A1輸出端的10 kΩ變阻器，使A3輸出信號的大小發(fā)生改變，當(dāng)A3的輸出小于2.0 V時(shí)，可以適應(yīng)ICL7106的量程為2.0 V的工作特性，因此A3的兩個(gè)電位器用來調(diào)節(jié)A3輸出的大小，確保在高溫時(shí)不超過2.0 V。

調(diào)試時(shí)，用一已知溫度（20～70℃）的物體放置在探頭前，調(diào)節(jié)ICL7106部分中的R12，使LCD顯示出正確溫度，再換一個(gè)已知溫度，繼續(xù)調(diào)節(jié)這個(gè)電位器，使顯示值準(zhǔn)確等于已知溫度值，反復(fù)調(diào)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。

責(zé)任編輯：gt