人体红外测温装置设计.docx
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人体红外测温装置设计
1前言
在自然界中,当物体的温度高于绝对零度时,由于它内部热运动的存在,就会不断地向四周辐射电磁波,其中就包含了波段位于0.75~100μm的红外线.红外测温装置就是利用这一原理制作而成的,温度是度量物体冷热程度的一个物理量,是工业生产中很普遍、很重要的一个热工参数,许多生产工艺过程均要求对温度进行监视和控制,特别是在化工、食品等行业生产过程中,温度的测量和控制直接影响到产品的质量和性能。
传统的接触式测温装置表如热电偶、热电阻等,因要与被测物质进行充分的热交换,需经过一定的时间后才能达到热平衡,存在着测温的延迟现象,故在连续生产质量检验中存在一定的使用局限。
目前,红外测温装置因具有使用方便,反应速度快,灵敏度高,测温范围广,可实现在线非接触连续测量等众多优点,正在逐步地得以推广应用。
表列出了常用的测温方法和特点,其中红外测温作为一种常用的测温技术显示出较明显的优势。
表1.1常用的测温方法及其特点
测温方法
温度传感器
测温范围(°C)
精度(%)
接触式
热电偶
-200~1800
0.2~1.0
热电阻
-50~300
0.1~0.5
非接触式
红外测温
-50~3300
1
其它
示温材料
-35~2000
<1
1.1红外线测温装置的研发背景
1.1.1 红外测温装置的实际应用
体温是人体生命活动的基本特征,也是观察人体机能是否正常的重要标志之一。
目前,人们使用最广泛的水银体温计是根据水银等随温度升降的热胀冷缩的性质,通过读取刻度值来判断温度值,它有诸多的缺陷:
传统温度计在使用时要和被测量者接触,而且往往要等待较长的时间,以让其充分受热,当测量结束后还要将水银重新甩入水银泡中,由于水银泡是由很薄的玻璃制成的,很容易破碎,而且其中的水银蒸汽对人体有极强的毒害作用,因此普通的温度计有非常严重的安全隐患。
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,准确率高的测温装置。
针对一般的工业用的红外测温装置的精确度不够高,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装置的精确度,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。
红外测温装置具有非接触和快速测温的优点,在工业、农业、医疗和科学研究方面都有着广泛的用途。
按其使用的途径可分为两大类:
首先是测量被测目标的表面温度,其次是利用测量物体的热分布状况判断物体与热分布有关的其他性质的间接测量。
举例如下:
1>钢铁工业中使用的红外测温装置占总量的一半以上。
炼钢、轧钢、浇铸、淬火时测量控制温度对提高产品的质量起着重要的作用。
对炉壁和机械设备热故障的监测为延长使用寿命和安全保障提供依据。
2>在机械加工中,测量控制热处理部件的温度对产品质量起着关键的作用。
3>在化学工业中,化工设备都在高温高压下工作,监测设备的热分布状况,判断设备工作情况,检测热篙道接口热损耗、热泄漏故障是十分有用的。
4>在动力、电力业方面,在运行及带电条件下检测动力设备、配电设备、电缆、电器接头等温度的异常,为设备的安全运行提供一定的保障。
5>在建筑业中,通过对建筑物墙壁、楼面、房顶热分布的检测确定它的绝热、裂漏隐患及缺陷的位置。
确定工厂、建筑物热耗的管理。
6>在农业方面,土壤、植物表面温度的测量,粮食、种子烘干过程中温度的测量,农副产品如烟叶、茶叶加工过程中温度的监测,中草药烘干、制药温度的监测。
7>在农业方面,土壤、植物表面温度的测量,粮食、种子烘干过程中温度的测量,农副产品如烟叶、茶叶加工过程中温度的监测,中草药烘干、制药温度的监测。
8>在科学研究方面,由于红外测温装置的突出优点,使得在特殊试验条件要求一能提供测温手段,应用范围较广。
总之,其应用范围很广,在就不一一列举,由此可见红外测温装置的用途很大,对工业,农业的发展有着重要的作用。
1.1.2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装置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。
非接触式红外测温装置包括便携式、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。
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度场,俗称“热像”。
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。
自1800年英国物理学家F.W赫胥尔发现了波段为0.76~1000µm的红外辐射,该波段的热辐射特性能够很好的反应人体的温度,这为人类应用的红外技术开辟了新的发展空间。
红外测温技术作为红外技术中应用最为广泛的一个方向,在军事领域和民用领域都得到了一定程度的应用。
红外测温技术的发展主要有以下两个方面:
一是红外辐射测温装置器的发展;二是红外测温技术的未来发展。
红外温度测量装置是基于红外辐射原理从简单到复杂逐步发展。
早期,红外辐射测温装置只用来测量物体某一点的温度,之后才发展成测量某一条线的温度,但还是不能显示物体的形状和表面温度。
直到二十世纪五六年代,基于红外探测仪器的发展和快速灵敏的光子探测器的出现,促进了实验性、原理性热像系统的形成,最终发展成当前的热像系统。
由红外测温方式的不同,将红外测温装置划分为两大类:
一类是基于全场分析探测的系统;另一类是基于逐点分析探测系统。
全场分析通过红外成像镜头把物体的温度分布热图像在传感器阵列上成像,这一系统能够显示物体空间温度场的分布情况,全场分布探测系统也就是常说的红外热像仪。
逐点分析能够把物体一个局部区域的热辐射传输到单个探测器上聚焦,并通过已确定的物体发射率把物体的辐射能转化成温度,逐点分析系统也就常说的红外测温装置。
二十一世纪以来,红外测温技术得到快速发展。
当年的非典型性肺炎,使得高精度的红外测温从原来的工业领域转向医疗领域和日常生活。
用传统的温度计测量体温缺点十分明显,尤其是需要测量者与被测目标近距离接触,这不仅会带来测量的不便和较大的误差,在许多情况下还会对测量这的自身安全构成影响。
相比之下,红外测温装置具有便捷、精确和安全等优点,使它在工业、医疗、安检等领域的应用有着重要意义。
深圳清华大学研究院研制成功的系列红外快速体温检测产品在全国各地普遍使用。
以色列科研人员研制一种实时监测多人体温并对超过设定值者立即锁定报警的仪器。
该仪器的核心部件是一架红外摄像机和相关软件。
由此可见红外测温技术在国内外的研究发展已是相当成熟。
目前应用红外诊断技术的测试设备比较多,如红外测温装置、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。
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装置,对医学的发展有很重大的意义。
2人体红外测温装置的原理和特点
2.1 黑体辐射与红外测温原理
一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。
物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布——与它的表面温度有着十分密切的关系。
因此,通过对物体自身辐射的红外能量的测量,便能准确地测定它的表面温度,这就是红外辐射测温所依据的客观基础。
黑体辐射定律:
黑体是一种理想化的辐射体,它吸收所有波长的辐射能量,没有能量的反射和透过,其表面的发射率为1,其它的物质反射系数小于1,称为黑体。
应该指出,自然界中并不存在真正的黑体,但是为了弄清和获得红外辐射分布规律,在理论研究中必须选择合适的模型,这就是普朗克提出的体腔辐射的量子化振子模型,从而导出了普朗克黑体辐射的定律,即以波长表示的黑体光谱辐射度,这是一切红外辐射理论的出发点,故称黑体辐射定律。
由于黑体的光谱辐射功率Pb(λΤ)与绝对温度Τ之间满足普朗克定理:
(2.1.1)
其中,Pb(λΤ)—黑体的辐射出射度;
λ—波长;T—绝对温度;c1、c2—辐射常数。
式(2.1.1)说明在绝对温度Τ下,波长λ处单位面积上黑体的辐射功率为Pb(λΤ)。
根据这个关系可以得到下图3.1的关系曲线:
图2.1黑体辐射的光谱分析
从图2.1中可以看出:
(1)随着温度的升高,物体的辐射能量越强。
这是红外辐射理论的出发点,也是单波段红外测温装置的设计依据。
(2)随着温度升高,辐射峰值向短波方向移动(向左),并满足维恩位移定理T*λm=2897.8μm*K,峰值处的波长λm与绝对温度Τ成反比,虚线为λm处峰值连线。
这个公式告诉我们为什么高温测温装置多工作在短波处,低温测温装置多工作在长波处。
(3)辐射能量随温度的变化率,短波处比长波处大,即短波处工作的测温装置相对信噪比高(灵敏度高),抗干扰性强,测温装置应尽量选择工作在峰值波长处,特别是低温小目标的情况下,这一点显得尤为重要。
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:
(2.1.2)
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。
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(2.1.2)的原理,仪表所测得的红外辐射为:
(2.1.3)
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。
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人体红外测温装置的性能指标及作用
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、发射率等都是红外测温装置的性能指标。
(1)确定测温范围:
测温范围是测温装置最重要的一个性能指标。
每种型号的测温装置都有自己特定的测温范围。
(2)确定目标尺寸:
红外测温装置根据原理可分为单色测温装置和双色测温装置(辐射比色测温装置)。
对于单色测温装置,在进行测温时,被测目标面积应充满测温装置视场。
否则背景会干扰测温读数,造成误差。
对于双色测温装置,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,即测温装置探头到目标之间的距离D与被测目标直径之比。
如果测温装置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装置。
光学分辨率越高,测温装置的成本也越高。
(4)确定波长范围:
目标材料的发射率和表面特性决定测温装置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装置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,所以要求红外测温装置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:
测温装置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)红外辐射测温装置的标定:
红外测温装置必须经过标定才能使它正确地显示出被测目标的温度。
2.3影响温度测量的主要因素及修正方法
影响红外人体测温装置的因素有:
(1)测温目标大小与测温距离的关系:
在不同距离处,可测的目标的有效直径D是不同的,因而在测量小目标时要注意目标距离。
人体红外测温装置距离系数K的定义为:
被测目标的距离L与被测目标的直径D之比,即K=L/D。
(2)选择被测物质发射率:
人体红外测温装置一般都是按黑体(发射率
=1.00)分度的,而实际上,物质的发射率都小于1.00。
因此,在需要测量目标的真实温度时,必须设置发射率值。
物质发射率可从《辐射测温中有关物体发射率的数据》中查得。
(3)测量温度时的环境因素:
测温装置所处的环境条件对测量结果有很大的影响,应予考虑并适当解决,否则会影响测温精度。
本设计中正是利用了PM611热释电红外线传感器可以补偿温度起伏的作用,实现准确测温。
(4)强光背景里目标的测量:
若被测目标有较亮背景光(特别是受太阳光或强灯直射),则测量的准确性将受到影响,因此可用物体遮挡直射目标的强光以消除背景光干扰。
(5)温度输出功能:
首先模拟信号输出——0~5V,1~5V,0~10V,0/4~20毫安,可以加入闭环控制中。
其次高报警、低报警─生产过程中要求控制温度在某个范围里,可设置高,低报警值。
高报警:
在高报警设置打开的情况下,当温度高于高报警值,相应的LED灯闪烁,蜂鸣器响,并有AH常开继电器接通。
由于在温度测量时是在不确定的环境中进行的,所以外界环境会对测温造成一定的影响,对测量结果产生误差,所以要对环境温度有一个修正。
由2.1节辐射公式可得出热释电传感器的响应公式为:
(2.3.1)
式中:
为与热释电响应特性及物体表面发射率有关的常数,
为物体表面温度,
为环境温度。
根据表达式(2.3.1)可以得到不同的标定公式:
(1)简单关系式,即
(2.3.2)
式中:
,应用此公式所作的标定实验结果见表1,表中数据表明,
不仅与
有关,还与
有关。
(2)多项式,即
(2.3.3)
令
(2.3.4)
取三项,其实验结果表明,要使测温装置满足一定的精度,测温时的环境温度和物体表面温度要在一定的范围内,如环境温度
=30℃,物体表面温度在180℃以上时,读数误差较大。
由下表2.1可知:
首先应该对物体表面温度分段定标,因为测量范围较大,所以不同段的标定系数相差很大。
实际应用中每隔5~10℃就必须标定一个系数,当采样电压峰值落在此区间时就选择该系数。
然后再根据环境温度的不同对已选出的标定系数进行修正,达到在不同环境温度下仍然能够准确测温的目的。
分析表2.1可知,当物体表面温度较低时(78℃以下),环境温度对修正系数的影响较大。
所以对此温度范围的物体必须进行环境温度对标定系数的修正。
而当物体表面温度较高时,则修正系数基本由物体表面温度决定,这样系数就不必再依环境温度进行校正。
这就减少了标定系数的复杂性。
下表为表2.1:
标准温度(℃)
环境温度
(℃)
测量值
(V)
系数Ka
(V/℃)
34.00
26.0
2.613
3.061
26.5
2.605
2.879
27.0
2.588
2.704
78.00
26.0
2.960
17.57
26.5
2.948
17.47
27.0
2.925
17.44
120.00
26.0
3.392
27.71
26.5
3.388
27.59
27.0
3.384
27.48
表2.1不同环境温度下的标定系数
2.4人体红外测温装置的特点
人体红外测温装置是通过接收人体发射的红外线的能量的大小来测量其体温的仪器。
测温装置内部的灵敏探测元件将采集的能量信息输送到微处理器中进行处理,然后转换成温度读数显示。
所以人体红外测温装置具有以下优点:
(1)非接触测量:
它不需要接触到人体,只需在额头前方5厘米左右测温即可,而且红外探测器只需感应人体辐射的红外线。
因此,不会干扰人体,也不会为人体带来损伤。
(2)测量范围广:
因为人体红外测温装置是非接触式测温,所以测温装置并不处在较高或较低的温度场中,而是工作在正常的温度或测温装置允许的条件下进行测量的,所以测量范围比较广。
(3)测温速度快:
即响应时间快。
红外探测器中灵敏元非常灵敏,只要接收到目标―红外辐射即可在短时间内定温。
(4)准确度高:
人体红外测温不会与普通测温一样破坏物体本身温度分布,因此测量精度高。
(5)灵敏度高:
只要人体温度有微小变化,辐射能量就有较大改变,易于测出。
而且使用安全及使用寿命长。
(6)体积小,方便携带。
(7)受外界环境温度干扰较小:
由于本设计中所使用的红外探测器是带补偿电路的,所以它可以补偿外界环境温度的高低起伏。
3人体红外测温装置的硬件设计
人体红外测温装置是利用传感器对被测目标的热辐射进行采集,通过转换电路将红外传感器采集到的光信号转换成电信号,再将电信号通过放大电路,A/D转换等单元电路处理后送到单片机中,最后单片机将带有数据信息的电信号进行分析处理,将电信号转变成与之相对应大小的温度值显示输出。
其中要解决的问题有:
体温信号的非接触测量、微弱电压信号的放大、传感器的环境温度补偿等。
其中温度测量选用热释电红外传感器PM611、OP07进行电压放大、ADC0808进行数模转换,系统控制及数据处理等功能都有AT89C51单片机实现,通过驱动共阴极数码管7SEG-MPX4-CC进行显示。
红外测温装置由红外探测器、信号放大器及信号处理、显示输出、报警电路等部分组成。
3.1总体设计
在一个系统的硬件设计中应选择合适型号的单片机后,进行系统所需的扩展和配置。
按照系统功能要求进行扩展和配置外围设备。
要设计合适的接口电路,系统的扩展和配置应遵循以下原则:
1)尽可能选择典型电路,并符合单片机常规用法。
为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。
本次设计选取的是AT89C51.
2)系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求,并留有适当余地,以便二次开发。
3)系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。
4)可靠性及干扰设计是硬件设计必不可少的一部分。
5)单片机外围电路较多时,应考虑其驱动能力。
驱动能力不足时,系统工作不可靠,可通过增设线驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载。
6)工艺设计必须考虑安装、调试、维护的方便。
由此可设计出人体红外测温装置系统的总体结构框图如3.1所示:
图3.1 系统总体结构框图
由上图可以看出,红外探测仪接收到人体发出的红外线后,经过检测系统确定后,再在信号处理单元对所测得的信号进行放大、滤波、再计算,模数转换处理后传送到显示单元显示出温度读数。
如果经过处理后的数据大于所设置的预警数据,则蜂鸣器报警。
如果检测完信号后送达处理系统处理,所测的数据有误,则可以通过控制器(按钮)来进行重新检测,直到显示正确温度。
3.1.1整体框图设计
人体红外测温装置可以这样设计整体结构框图,如图3.2所示。
按下开关即可测量,每次测量结果显示在显示器上。
当测量按钮按下时,整个电路开始工作,物体表面辐射的能量经热释电传感器接收后,将热辐射信号转化为电信号,经由放大电路放大后(由外界环境导致的杂乱信号经滤波器过滤后)到达A/D模数转换器,AT89C51单片机作为CPU接收经A/D转换后的数字信号,经数据处理后转换成物体表面温度显示在数码管显示屏上。
图3.2 总体电路框图
3.1.2电路设计
本设计采用AT89C51系列单片机进行数据的采集存储和处理。
由于信号只有一个输入,为了避免不必要的消耗,本设计A/D转换器采用的是ADC0808。
测量物体表面辐射能量的热释电传感器选用的是PM611型热释电传感器,它有效调节外界环境的温度起伏影响;液晶显示器(数码管)选用的是7段4位的液晶显示屏。
电路的主要功能是将传感器接收的红外辐射能量转换为可供A/D转换器接受的电信号。
显示器(LED)由P1驱动,并由AT89C51单片机通过软件控制显示物体表面的温度。
通过软件程序编制可以实现三位有效数字的显示(100度以下显示两位整数和一位小数,100度以上显示三位整数)下图3.3是整个设计的电路连接图:
图3.3红外人体测温装置电路
3.2AT89C51单片机
本设计采用AT89C51单片机进行数据的采集存储和处理。
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FalafelProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
3.2.1主要特性
1)8位微处理器和控制器,中央处理器是整个单片机的核心部件,能同时处理8位二进制数据或代码,CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作,完成运算和控制输入输出功能等操作。
2)内含一个布尔运算器,可直接对数据的位进行操作和运算,特别适用于逻辑控制。
3)内含4KB可重擦写的可编程闪烁程序存贮器(EEPROM)。
4)内含128*8位的数据存贮器(RAM)。
5)4个8位(32根)双向且可独立寻址的I/O(输入输出)接口P0~P3。
6)2个16位的计数器/定时器。
7)片内振荡器和时钟电路。
8)全双工方式的串行接口(DART)
9)两级中断优先权的6个中断源/5个中断矢量的中断逻辑。
10)指令集有111条指令,其中64条为单周期指令,支持6种寻址方式。
11)最高时钟振荡频率可达12MHz,大部分指令执行时间
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