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红外测温仪
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2013-06-25
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2003年抗击“非典”期间,迫切需要一种能在公共场所测出并记录特定人体体温,又不干扰人们正常活动的非接触式体温测量仪。基于此,一种不接触式的红外快速检测人体温度装置应运而生了。 为了克服传统温度计测量温度的主要缺点——需要测量者与被测目标近距离接触和测量不方便。在顾及仪器测量高精度前提下,以追求最低成本为原则,研制了非接触式热释电红外测温仪,实现了对物体表面温度快速准确的测量。本文也设计了红外测温仪的整体系统构架。根据热释电原理,主要针对人体体温测量进行了具体的设计开发,开发包括整体方案,硬件电路,单片机程序和主机程序。并利用设计出来的红外测温仪在环境温度30℃下对人体温度和水温进行了测量,对人体的温度测量的误差低于±0.1℃,提高了测量精度。人体测温仪的设计主要为适应人体体温快速无接触测量的需要。主要介绍热释电红外传感器的工作原理以及最适宜人体红外线检测的热释电传感器PM611的优点和等效电路,阐述了基于热释电传意器的红外测温仪的工作原理,讨论了该系统的设计与实现方法,简单介绍了测温系统的适用条件。
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中北大学信息商务学院 2013 届毕业设计说明书
1 引言
1.1 绪论
目前,国内传统的体温测量是用医用玻璃液体温度计、医用电子接触式温度
计等插入人体内部或置于腋下,通过与人体接触使温度计测出人的体温。但这些
体温计的缺点是测量的速度慢。玻璃水银温度计还易碎,在使用时容易因消毒不
彻底而引起交叉感染
[1]
。红外快速检测人体温度装置,有效地避免国内传统的体
温测量的缺点,能够在机场、海关、车站、宾馆、商场、影院、写字楼、学校等
人流量较大的公共场所,快速,准确,没有交叉感染地测量出人体温度。正是由
于红外快速检测人体温度装置的种种先进特性,而可以广泛应用于各种场所,拥有良
好的市场前景
[2]
!
在 2003 年全国防“非典”斗争中,中科院上海技术物理研究所在 863 计划高技
术成果的基础上对红外技术应用于非接触式测温进行了深入研究,在短时间内开
发成功了“非接触式红外测温仪”,打开了国内“非接触式测量”的新篇章,但由于这
种装置受一定因素影响,测量结果还有待进一步进行校正
[3]
。在国外,非接触式
红外测温仪已经非常先进了,自 1999 年就有许多国家致力于这方面的开发研究,
到现在为止很多国家的产品已经达到国际先进水平,并已广泛应用于各个领域
[4]
。比如:美国早在 2001 年就颁布了有关红外测温仪的计量标准,美国雷泰公司
生产的 ST 系列红外测温仪已达到世界领先水平。由于红外测温仪测量温度范围宽,
并为从更远的距离或同样的距离测量较小物体的温度而改变光学分辨率,它为专业
人员提供了精度和价格合理的组合,除了用于人体温度检测外,还可用于电器的红
外测温、供暖的红外测温、运输/汽车维修时的红外测温等各个领域
[5]
。
为了克服传统温度计测量温度的主要缺点——需要测量者与被测目标近距离接
触和测量不方便。在顾及仪器测量高精度前提下,以追求最低成本为原则,研制
了非接触式热释电红外测温仪,实现了对物体表面温度快速准确的测量
[6]
。本文
也设计了红外测温仪的整体系统构架。根据热释电原理,主要针对人体体温测量
进行了具体的设计开发,开发包括整体方案,硬件电路,单片机程序和主机程序。
并利用设计出来的红外测温仪在环境温度30℃下对人体温度和水温进行了测量,
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对人体的温度测量的误差低于±0.2℃,提高了测量精度
[7]
。人体测温仪的设计主
要为适应人体体温快速无接触测量的需要。主要介绍热释电红外传感器的工作原
理以及最适宜人体红外线检测的热释电传感器PM611的优点和等效电路,阐述了
基于热释电传意器的红外测温仪的工作原理,讨论了该系统的设计与实现方法,
简单介绍了测温系统的适用条件
[8]
。
1.2 红外线测温仪的研发背景
1.2.1 红外测温仪的实际应用
由于医学发展的需要,在很多情况下,一般的温度计己经满足不了快速而又
准确的测温要求,例如车站和机场等人口密度较大的地方进行人体温度测量。虽
然现在国外这种测温的技术都比较成熟,但是国内这方面的技术还处于发展阶段。
因此,为了适应医学发展的需要,有效地进行特殊环境下的温度测量,从而有力
地控制和预防诸如甲流、非典之类型的特殊疾病的传播,急需设计一种测温速度
快,准确率高的测温仪
[9]
。针对一般的工业用的红外测温仪的精确度不够高,我
们根据这种红外线测温的原理,通过关键器件的选择、瞄准系统的设计以及温度
补偿的自动调节来提高红外线测温仪的精确度,设计了一种用红外线测温电路,
用于人员密集且流量大的场合进行快速的人体温度测量
[10]
。
1.2.2 红外测温技术的发展历程
红外测温技术在生产过程中、在产品质量控制和监测、设备在线故障诊断和
安全保护以及节约能源等方面发挥了重要作用。近 20 年来,非接触式红外人体测
温仪在技术上得到迅速发展,性能不断完善,功能不断增强,品种不断增多,适
用范围也不断扩大。比起接触式测温方法,红外测温有着响应时间快、非接触、
使用安全及使用寿命长等优点
[11]
。非接触式红外测温仪包括便携式、在线式和扫
描式三大系列,并备有各种选件和计算机软件,每一系列中又有各种型号及规格
[12]
。
红外检测技术是“九五”国家科技成果重点推广项目,红外检测是一种在线监测
(不停电)式高科技检测技术,它集光电成像技术、计算机技术、图像处理技术于
一身,通过接收物体发出的红外线(红外辐射),将其热像显示在荧光屏上,从而
准确判断物体表面的温度分布情况,具有准确、实时、快速等优点。任何物体由
于其自身分子的运动,不停地向外辐射红外热能,从而在物体表面形成一定的温
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度场,俗称“热像”
[13]
。红外诊断技术是通过吸收这种红外辐射能量,测出设备表
面的温度及温度场的分布,从而判断设备发热情况。
目前应用红外诊断技术的测试设备比较多,如红外测温仪、红外热电视、红
外热像仪等等。像红外热电视、红外热像仪等设备利用热成像技术将这种看不见
的“热像”转变成可见光图像,使测试效果直观,灵敏度高,能检测出设备细微的热
状态变化,准确反映设备内部、外部的发热情况,可靠性高,对发现设备隐患非
常有效
[14]
。目前,我国也在研发一种体积小,成本较低,又不受外界环境温度干
扰的人体红外测温仪,对医学的发展有很重大的意义。
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2 人体红外测温仪的原理和特点
2.1 人体红外线测温仪的理论依据
自然界一切温度高于绝对零度(-273.15℃)的物体,由于分子的热运动,都在
不停地向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波,其辐射能量密度与物体本身
的温度关系符合辐射定律。红外辐射原理— 辐射定律:
(2.1)
式 中 : 为 辐 射 出 射 度 数 , ; 为 斯 蒂 芬 ― 波 尔 兹 曼 常 数 ,
; 为物体的辐射率; 为物体的温度,单位 ; 为物体
周围的环境温度,单位 。测量出所发射的 ,就可得出温度
[15]
。
利用这个原理制成的温度测量仪表叫红外温度仪表。这种测量不需要与被测
对象接触,因此属于非接触式测量。在不同的温度范围,对象发出的电磁波能量
的波长分布不同,在常温(0~100℃)范围,能量主要集中在中红外和远红外波
长。用于不同温度范围和用于不同测量对象的仪表,其具体的设计也不同。根据
式(2.1)的原理,仪表所测得的红外辐射为:
(2.2)
式中: 为光学常数,与仪表的具体设计结构有关; 为被测对象的辐射率;
为红外温度计的辐射率; 为被测对象的温度(K); 为红外温度计的温度
(K);它 由一个内置的温度检测元件测出。
辐射率 是一个用以表达物体发射电磁波能力的系数,数值由 0 至 1.0。所有
真实的物体,包括人体各部位的表面,其 值都是某个低于 1.0 的数值。人体主要
辐射波长在 9~10 的红外线,通过对人体自身辐射红外能量的测量,便能准确
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地测定人体表面温度。由于该波长范围内的光线不被空气所吸收,因而可利用人
体辐射的红外能量精确地测量人体表面温度
[16]
。
通过对人体自身辐射的红外能量的测量,便能准确地测定人体表面温度。红
外温度测量技术的最大优点是测试速度快,1 秒以内可测试完毕。红外测温仪由
光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。
2.2 人体红外线测温仪的性能指标及作用
总的来说,测温范围、显示分辨率、精度、工作环境温度范围、重复性、相
对湿度、响应时间、电源、响应光谱、尺寸、最大值显示、重量、发射率等都是
红外线测温仪的性能指标。
1、确定测温范围:测温范围是测温仪最重要的一个性能指标。每种型号的测
温仪都有自己特定的测温范围。
2、确定目标尺寸:红外测温仪根据原理可分为单色测温仪和双色测温仪(辐
射比色测温仪)。对于单色测温仪,在进行测温时,被测目标面积应充满测温仪
视场。否则背景会干扰测温读数,造成误差。对于双色测温仪,其温度是由两个
独立的波长带内辐射能量的比值来确定的。
3、确定距离系数(光学分辨率):距离系数由 D:S 之比确定,即测温仪探
头到目标之间的距离 D 与被测目标直径之比。如果测温仪由于环境条件限制必须
安装在远离目标之处, 而又要测量小的目标,就应选择高光学分辨率的测温仪。
光学分辨率越高,测温仪的成本也越高。
4、确定波长范围 :目标材料的发射率和表面特性决定测温仪的光谱相应波
长对于高反射率合金材料,有低的或变化的发射率。
5、确定响应时间:响应时间表示红外测温仪对被测温度变化的反应速度,定
义为到达最后读数的 95%能量所需要时间,它与光电探测器、信号处理电路及显
示系统的时间常数有关。
6、信号处理功能:鉴于离散过程(如零件生产)和连续过程不同,所以要求
红外测温仪具有多信号处理功能(如峰值保持、谷值保持、平均值)。
7、环境条件考虑:测温仪所处的环境条件对测量结果有很大影响,应予考虑
并适当解决,否则会影响测温精度甚至引起损坏。
8、红外辐射测温仪的标定:红外测温仪必须经过标定才能使它正确地显示出
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资源评论
- xibeidedaxia2013-08-29热释电传感器虽然非接触,但仍然要求近距离,与之前想的远距离红外测温还是有差距。
- dashen00712021-02-27垃圾 根本就没有东西
feimeng0218
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