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(cè)單元包括一個(gè)感溫探頭和一個(gè)采用變送集成技術(shù)的信號(hào)調(diào)理電路。通過(guò)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(cè)試，測(cè)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(hào)：TN212 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(cè)量是使用水銀溫度計(jì)進(jìn)行接觸式測(cè)量，具有性能穩(wěn)定、誤差小等優(yōu)點(diǎn)，但存在測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、交叉?zhèn)魅撅L(fēng)險(xiǎn)大、玻璃破碎易引起汞中毒等缺點(diǎn)[4-6]。而非接觸測(cè)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(cè)系統(tǒng)，滿足對(duì)航天員體溫快速、高精度、非接觸測(cè)量的實(shí)際要求，解決了我國(guó)載人航天醫(yī)療檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)人體體溫非接觸測(cè)量需求。

1 設(shè)計(jì)原理

非接觸的溫度探測(cè)主要采用紅外熱輻射測(cè)量方法。一切溫度高于絕對(duì)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(zhǎng)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(guò)對(duì)物體自身輻射的紅外能量的測(cè)量，便能準(zhǔn)確地測(cè)定它的表面溫度，這就是紅外輻射測(cè)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(zhǎng)的輻射能量，沒(méi)有能量的反射和透過(guò)，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(zhǎng)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(cè)器（1個(gè)）、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(cè)器焊接在轉(zhuǎn)接板上，通過(guò)四芯BGD扁平電纜導(dǎo)線將紅外探測(cè)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(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中通過(guò)計(jì)算和試驗(yàn)，確定電路的元件參數(shù)，保證信號(hào)處理信號(hào)符合要求；設(shè)計(jì)中通過(guò)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(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)的影響。經(jīng)對(duì)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(guó)產(chǎn)單片機(jī)STC89C52RC。

來(lái)自探頭的信號(hào)組要包括，敏感信號(hào)和補(bǔ)償信號(hào)。其中敏感信號(hào)來(lái)自熱電堆敏感元件，主要表現(xiàn)為熱電勢(shì)信號(hào)。補(bǔ)償信號(hào)來(lái)自補(bǔ)償電阻，主要表現(xiàn)為阻值信號(hào)。電路首先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行模擬放大處理，并進(jìn)行初級(jí)的溫度補(bǔ)償耦合處理。這主要是為了防止被測(cè)溫度低于環(huán)境溫度時(shí)，采用熱電偶效應(yīng)的熱電堆輸出反向電勢(shì)差，由于補(bǔ)償信號(hào)為電阻信號(hào)，因此采用直流電橋?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。顯示部分采用國(guó)產(chǎn)BH7275顯示驅(qū)動(dòng)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(lái)保證傳感器的電磁兼容。在整個(gè)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(cè)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(cè)器將被測(cè)介質(zhì)的溫度變化量轉(zhuǎn)化為可測(cè)的電信號(hào)，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電連接器與電路盒連接，可實(shí)現(xiàn)對(duì)耳溫的非接觸測(cè)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(duì)傳感器樣品進(jìn)行精度測(cè)試，顯示范圍20℃-60℃，均勻選取3個(gè)溫度點(diǎn)（20℃、40℃、60℃）進(jìn)行測(cè)試，傳感器每個(gè)溫度點(diǎn)測(cè)試3次，取平均值作為該點(diǎn)測(cè)試值，黑體溫度標(biāo)定裝置顯示溫度與測(cè)試值之差的最大值作為傳感器測(cè)量精度，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為：GB/T21417.1-2008。其主要測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)傳感器樣品的測(cè)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(cè)量。傳感器采用環(huán)境溫度補(bǔ)償，有效的減小紅外探測(cè)器受環(huán)境溫度影響，造成其測(cè)量漂移嚴(yán)重影響傳感器測(cè)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(kāi)發(fā)研制工作做出了重要的技術(shù)積累。

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