桂林电子科技大学 潘天赐



红外体温计高精度方面的设计与实现

桂林电子科技大学 潘天赐

【摘要】作为医学领域的一项关键生理指标，体温不仅可以诊断人体生命体征，还能够作为判断患病与否的标准。在测量体温的过程中都运用到体温计，在科技不断发展的过程中，研发出多种类型的体温计，红外体温计就是其中的一种，在精确度方面由于其他体温计，能够实现快速、高效的温度测量。本研究基于红外体温计高精度设计原理，对具体的设计环节和要点进行分析，介绍了红外体温计功能的实现，以期实现非接触式红外体温计的优化设计，改善测量精度。

【关键词】红外体温计；精度；设计；实现

0　引言

测量范围广是红外温度计的一大显著特征，在工业领域中发挥着重要的作用，均能对几千度的高温、常温进行测量。然而由于物体温度、红外温度传感器输出二者的关系无特定规律，导致测量结果具有一定的误差，精度范围为±1到±2％之间。人体温度变化范围不大，一般都在35到42℃之间，温度计的刻度相对较细，利用红外体温计能够得到较为精确的体温值。本研究通过对红外体温计高精度方面的设计与实现进行探究，发挥温度补偿电路的作用，尽可能的消除环境温度的干扰，将红外体温计的测量精度提升到±0.1℃，为相关研究提供参考意见。

1　红外体温计的设计原理分析

普朗克黑体辐射定律是高精度红外体温计测量温度时所遵循的基本原理，在设计过程中也发挥着关键性的作用。该定律指的是投射在黑体表面的辐射能量能够被全部吸收掉，同所处的温度环境、波长无关[1]。黑体不会出现透射、反射的状况，能够将能量辐射到外部，其单色辐射出射度表示特定波长辐射源在单位面积元中的辐射通量总和。若黑体温度是T，则单色辐射出射度公式：

公式中c1、c2分别为3.7418×10-16W·m2和1.438×10-2m·K。

若将玻尔兹曼常数表示为K，计算黑体所有波长的辐射出射度的公式是：

黑体同人体的皮肤有所不同，为了更好的测量出体温，应将波长设置在5μm以上，并在红外体温计中安设滤波器，使通过波长在5.5μm以上，从而使皮肤近似黑体。

2　红外体温计高精度方面的设计

2.1传感器结构设计

作为高精度红外体温计的核心，红外传感器包括热敏电阻、温差热电堆，直接影响着测量的准确程度。红外体温计的传感器结构详见图1。

图1　红外体温计的传感器结构示意图

热电堆工艺制造技术分为微机械电子、半导体集成电路两种，制作工艺等同于串联下的多个热电偶。热电偶的基本构成单元是导体，导体的密度包括两大类，分为冷端、热端[2]。对温度进行测量的过程中，分别要将被测物体、测量仪表同热端、冷端相接触，密度相同的导体在梯度温度作用下，会形成温差电动势，电子密度的差异会导致金属连接部位出现电动势。

通常将热量吸收器设置在红外传感器的热电堆部件中，使热端能够对物体辐射红外线进行吸收，吸收的红外线可以转换成热能。红外辐射功率在热电堆的作用下能够以电信号的方式呈现出来，从而实现了测量温度的目的。

2.2传感器的输出

对高精度红外体温计传感器的输出进行分析，若物体温度是Tabj，所有波长辐射源在单位面积元中的功率是：

公式内发射系数为ε，取值范围为[0.1]。

结合热平衡方程公式，鉴于红外传感器热电堆所处的环境的实际温度不同，运用红外体温计进行高精度测量时，可以得出红外传感器净热功率：

公式中常数为k’，物体发射系数表示为εabj，传感器材料发射系数为εsens，传感器环境温度为Ta，物体温度为Tabj。

体温计的红外传感器输出电压为：

传感器灵敏性表示为S。因为人体温度测量条件下，红外传感器对波长有着严格的规定，可以将公式进行调整，可得：

综合上述公式能够得知：环境温度固定情况下，物体绝对温度、红外传感器输出电压二者的4-δ次方的关系呈线性特征[3]。物体温度分别对应不同的传感器输出量，所以能够通过对传感器输出进行测量的方式来获取物体温度状况。但因为环境温度具有变化的特征，因此运用红外体温计测量人体温度时，要对环境温度进行一定的补偿。

2.3环境温度补偿及电路设计

热电偶的冷端、热端二者的温度差值能够通过热电堆输出的电信号体现出来，得到的是热电堆冷端、物体在温度方面的差值，并非温度测量的结果，为了解决这一问题就需要对环境温度进行补偿。环境温度补偿电路设计主要分为数字电路处理、模拟电路处理两大方式。

1）数字电路处理方式

在对热电堆温度、环境温度进行测量的过程中，可以借助基于单片机的查表法来实现，经过数字电路处理能够使最终测量的结果更加准确，精度为±0.1℃。本研究在设计红外体温计时采用了数字电路处理方式，确保了高精度设计目标的实现。

2）模拟电路处理方式

当温度在特定范围内固定的情况下，温度、热敏电阻值二者的4次方的关系可看作具有线性特征，表示为均为常数。红外体温计模拟电路处理图详见图2。

图2　模拟电路处理示意图

结合红外传感器输出公式，对放大器的倍数进行适当的调控，能够保证物体温度、输出电信号二者的4-δ次方的关系呈线性特征，有效消除了环境温度输出量的干扰，能够得出较为准确的温度结果。这种处理方式虽然方便、灵活，但结果精度较差。

3　红外体温计高精度的实现

3.1红外体温计高精度系统框架结构

高精度红外体温计运用的为TPS334（PERKINELMER）红外传感器，能够同Lcd显示屏（96段）进行有效的连接。其中单片机的功耗较低，包括Lcd设备驱动程序。将AD7715 16位∑-△模数转换器作为红外体温计的模拟数字转换器，共包括两路输入，分别同热敏电阻、热电堆进行连接[4]。转换器附带恒定电流源，能够对驱动热敏电阻进行有效的补偿，红外体温计高精度系统的数字处理方式实现结果详见图3。温度有限，仅在35至42℃之间，无需设置较细的刻度。因此能够摆脱传统测量方式的约束，不再依靠原有的公式来开展测量和计算工作。运用高精度红外体温计时，可以忽略环境、人体皮肤的实际温度，仅可以将二者件的温度差值函数视为红外传感器的输出电压。进行单片机查表操作后，能够得出实际的温度差值，再加上环境温度（通过热敏电阻测量所得），即可得到最终的人体温度。

图3　数字处理方式系统框架的实现流程

图4　红外体温计高精度的实现过程示意图

3.3系统软件流程的实现

在数字处理方式下，红外体温计高精度的实现过程详见图4。

4　结语

综上所述，在对高精度红外体温计进行设计的过程中，设计系统的主体是低功耗单片机，联合放大器、16位精度内部温度传感器液晶显示，大大降低了成本费用的消耗，具有操作简便，测量快速、精确等优势，且拥有良好的重复利用能力。在优化设计方案下，红外体温计能够将体温测量精度控制在0.3℃，在同电脑进行连接的情况下，为医学病房运用提供了很大的便利。

参考文献

[1]傅中君,侯雪亚.基于TS118-1的无接触式人体体温计的实现[J].江苏技术师范学院学报,2007(02).

[2]宋荣,林日凯.高精度A/D转换器AD7710及其在非接触红外体温测量仪中的应用[J].电子质量,2003(11).

[3]谢海源,钱明理.基于数字式红外热电堆传感器的耳温仪设计[J].中国医疗器械杂志,2013(05).

[4]王会强,郝晓剑,周汉昌.MEMS热电堆高温测试系统中单晶材料的红外衰减特性研究[J].传感器世界,2010(04).

潘天赐（1985－），女，广西桂林人，大学本科，工程师，研究方向：仪表仪器工程。

作者简介：