红外线人体测温仪电路的设计
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2. 3 测量电路 测量电路如图 4 所示 。
图 5 L CD 显示电路
所以综合 ICL7106 的主要特点 , 尤其是为了提高精 度 ,设计中采用了外接基准电压源 。另外 ,因为用来测温 的速度最快也是 1 次/ s , ICL7106 工作速度较低的缺点对
137
© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
但是 ,ICL7106 也有一些缺点 : 基准电源的变化直接 影响转换精度 ,当芯片内部的基准电压源一般受温度影响 比较大 ,当精度要求高时 ,应该采用外接基准电压源 ;工作 速度较低 ,一般在 1～20 次/ s 。
图 2 传感器单元及热辐射温度仪框图 如图 3 所示 : 将传感器的 D , S , E 分别与电路图中标 记的 D ,S , E 连接即可 。
136
式中 : E 为辐射出射度 , W/ m3 ;σ为斯蒂芬 —波尔兹曼常 数 ,5 . 67 ×10 - 8 W/ ( m2 ·K4 ) ;ε为物体的辐射率 ; T 为物体 的温度 ,单位 K; T0 为物体周围的环境温度 ,单位 K。
测量出所发射的 E ,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 。红外温 度仪 表 测温 范 围很 宽 , 从 - 50 ℃直 至 高 于 3 000 ℃。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 (1) 的原理 ,仪表所测得的红外辐射为 :
E = Aσε1ε2 ( T41 - T42 )
(2)
式中 : A 为光学常数 ,与仪表的具体设计结构有关 ;ε1 为被 测对象的辐射率 ;ε2 为红外温度计的辐射率 ; T1 为被测对 象的温度 ( K) ; T2 为红外温度计的温度 ( K) ; 他由一个内 置的温度检测元件测出 。
辐射率ε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 。最理想的辐射物体是辐射率 1 . 0 的物 体 ,物理上叫做黑体 。这是一个理论上的概念 , 实际上并没 有一种物体的辐射率能达到 1. 0 。但可以制造出极为接近
测控技术
唐岳湘等 :红外线人体测温仪电路的设计
我们的设计没有影响 ,可他的优点非常适合设计的需要 , 因而 ICL7106 是 A/ D 转换的首选 。 2. 5 L CD 显示电路
显示部分由多位液晶显示驱动器 ICL7106 和标准段 式液晶显示屏 EDS801 及其他一些元器件组成 。
3 调 试
1 红外线测温的原理
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ———辐射定律 :
E = σε( T4 - T0 4 )
( 1)
收稿日期 :2006 - 11 - 06
Keywords :t hermodetecto r ;design of circuit ;inf rared ray ; PM611 ; ICL7106
由于医学发展的需要 ,在很多情况下 ,一般的温度计已 经满足不了快速而又准确的测温要求 ,例如车站和机场等 的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非典 之类的特殊疾病的传播 ,急需设计一种测温速度快 ,准确率 高的测温仪。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。
人体主要辐射波长在 9～10 μm 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 。
人体的红外辐射特性与他的表面温度有着十分密切 的关系 ,因此 ,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 s 以内可测试完毕 。由于他只接收 人体对外发射的红外辐射 ,没有任何其他物理和化学因素 作用于人体 ,所以对人体无任何害处 。
测控技术
唐岳湘等 :红外线人体测温仪电路的设计
红外线人体测温仪电路的设计
唐岳湘 ,赵修良 ,单 健 ,俞 红
(南华大学 核科学技术学院 湖南 衡阳 421001)
摘 要 :为了适应医学的发展 ,研究红外线人体测温技术具有实际的意义 。阐述了红外线测温原理 ,对如何减小测温误 差进行了讨论 ,同时进行了红外线人体测温系统设计 。在分析红外线传感器和 A/ D 转换对测量精度影响的基础上 ,选择 PM611 单元热释电传感器和 ICL7106 积分式 A/ D 转换器等器件实现了一种误差较小的红外线人体测温电路的设计 ,达到 了预定的设计效果 。
[ 4 ] 梁延贵. 积分式 A/ D 转换器其他专用集成电路分册[ M ] . 北 京 :科学技术文献出版社 ,2002.
[ 5 ] 黄智伟 ,朱荣辉 ,朱卫华. 无线数字温度传感器的设计 [J ] . 传感器技术 ,2002 ,21 (9) :31 - 33.
[ 6 ] 刘建华 ,谢景新 ,曹克强 ,等. 全数字温湿度及光照系统的研 制[J ] . 河北农业大学学报 ,2002 ,25 (4) :97 - 101.
作者简介 唐岳湘 男 ,1964 年出生 ,湖南岳阳人 ,讲师 。主要从事医学电子学方向的研究 。 赵修良 男 ,1968 年出生 ,湖南湘潭人 ,教授 。主要从事核电子学与核技术应用方向的研究 。 单 健 男 ,1975 年出生 ,湖南衡阳人 ,讲师 。主要从事核电子学及核测控方向的研究 。
参 考 文 献
[ 1 ] 赵家贵 ,付小美. 新编传感器电路设计手册 [ M ] . 北京 :中国 计量出版社 ,2002.
[ 2 ] 丁镇生. 传感器及传感技术应用 [ M ] . 北京 : 电子工业出版 社 ,1998.
[ 3 ] 刘迎春 ,叶湘滨. 现代新型传感器原理与应用 [ M ] . 北京 :国 防工业出版社 ,1998.
[ 7 ] Soejo ko D S , Tjia M O. Inf rared ray Type Broadcasting Sys2 tem for persons wit h hearing Defect s[J ] . Jo urnal of Materi2 als Science ,2000.
TAN G Yuexiang ,ZHAO Xiuliang ,SHAN Jian , YU Ho ng
(School of Nuclear Science and Technology ,Nanhua University , Hengyang ,421001 ,China)
Abstract : For t he develop ment of advanced medicine ,it has p ractical meaning to research t he technology of inf rared t her2 modetecto r for medicine. The p rinciple of inf rared temperat ure measurement and t he met hod of reducing error are int roduced in t his article. Based o n t hem ,t he system design of inf rared t hermodetector for human body is described. On t he basis of t he anal2 ysis of effect s on measurement accuracy f ro m t he IR sensor and A/ D co nverting ,t he circuit design of inf rared t hermodetector for human body wit h less error is p rovided ,using PM611 and ICL7106 ,which achieves p ro spective result .
2 结构框图及电路设计
2. 1 结构框图设计 如图 1 所示为设计系统的总体结构框图 。
图 1 总体结构框图
2. 2 温度传感器 本测温装置使用红外线传感器 ,他能接收物体发射出
的红外线并使之转换成电压信号 。我选用的是 PM611 单 元热释电传感器 ,这种传感器虽是单灵敏元 ,由于他采用 一个接收元和二个并联的补偿元串接的结构 ,故也能有效 地补偿环境温度起伏 ,振动等干扰影响 。他的工作温度是 - 20～ + 70 ℃,特别适合测量人体的温度 。而且 PM611 各项指数都比较好 ,因此选用了他做温度仪的探头 。
© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
《现代电子技术》2007 年第 15 期总第 254 期
于ε= 1. 0 的实际黑体 ,用于温度计的校准 。所有真实的物 体 , 包括人体各部位的表面 ,其ε值都是某个低于 1. 0 的数 值 。由于ε值极难测量而又不确定 ,所以在仪表测出 E 后 , 按式 (2) 计算出的 T1 就会有误差 。在实际工作中 , 仪表是 在ε = 1. 0 的黑体上校准好出厂的 , 只有测量ε = 1 的对 象 ,其示值才代表对象的实际温度 , 如果对象ε不等于 1 , 则仪表读数不代表对象的实际温度 ,要进行修正 。
关键词 :测温仪 ;电路设计 ;红外线 ; PM611 ; ICL7106 中图分类号 : TP29 文献标识码 :B 文章编号 :1004 - 373X(2007) 15 - 136 - 03
Design of Circuit of Body Temperature Measuring by Infrared Ray
测试 ·测量 ·自动化
图 3 传感器的典型连接电路
图 4 测量部分电路图
2. 4 积分电路 在将模拟信号转变成数字信号中 ,选择了 ICL7106 积
分式 A/ D 转换器 。他主要有以下的优点 : 积分式 A/ D 转换器的转换精度高 ,成本低 ;他的精度
与积分电阻 ,积分电容的精度无关 ,故可降低对元件质量 的要求 ;抗干扰能力强 ;他的外围电路简单 。
在实验中通过调节 A1 输出端的 10 kΩ 变阻器 ,使 A3 输出信号的大小发生改变 ,当 A3 的输出小于 2. 0 V 时 ,可 以适应 ICL7106 的量程为 2 . 0 V 的工作特性 ,因此 A3 的 两个电位器用来调节 A3 输出的大小 ,确保在高温时不超 过 2.0 V。
调试时 ,用一已知温度 (20～70 ℃) 的物体放置在探 头前 ,调节 ICL7106 部分中的 R12 , 使 L CD 显示出正确温 度 ,再换一个已知温度 ,继续调节这个电位器 ,使显示值准 确等于已知温度值 , 反复调整几次即可 。注意不要超过 PM611 传感器和 ICL7106 A/ D 积分器的温度上限 。
图 5 L CD 显示电路
所以综合 ICL7106 的主要特点 , 尤其是为了提高精 度 ,设计中采用了外接基准电压源 。另外 ,因为用来测温 的速度最快也是 1 次/ s , ICL7106 工作速度较低的缺点对
137
© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
但是 ,ICL7106 也有一些缺点 : 基准电源的变化直接 影响转换精度 ,当芯片内部的基准电压源一般受温度影响 比较大 ,当精度要求高时 ,应该采用外接基准电压源 ;工作 速度较低 ,一般在 1～20 次/ s 。
图 2 传感器单元及热辐射温度仪框图 如图 3 所示 : 将传感器的 D , S , E 分别与电路图中标 记的 D ,S , E 连接即可 。
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式中 : E 为辐射出射度 , W/ m3 ;σ为斯蒂芬 —波尔兹曼常 数 ,5 . 67 ×10 - 8 W/ ( m2 ·K4 ) ;ε为物体的辐射率 ; T 为物体 的温度 ,单位 K; T0 为物体周围的环境温度 ,单位 K。
测量出所发射的 E ,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 。红外温 度仪 表 测温 范 围很 宽 , 从 - 50 ℃直 至 高 于 3 000 ℃。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 (1) 的原理 ,仪表所测得的红外辐射为 :
E = Aσε1ε2 ( T41 - T42 )
(2)
式中 : A 为光学常数 ,与仪表的具体设计结构有关 ;ε1 为被 测对象的辐射率 ;ε2 为红外温度计的辐射率 ; T1 为被测对 象的温度 ( K) ; T2 为红外温度计的温度 ( K) ; 他由一个内 置的温度检测元件测出 。
辐射率ε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 。最理想的辐射物体是辐射率 1 . 0 的物 体 ,物理上叫做黑体 。这是一个理论上的概念 , 实际上并没 有一种物体的辐射率能达到 1. 0 。但可以制造出极为接近
测控技术
唐岳湘等 :红外线人体测温仪电路的设计
我们的设计没有影响 ,可他的优点非常适合设计的需要 , 因而 ICL7106 是 A/ D 转换的首选 。 2. 5 L CD 显示电路
显示部分由多位液晶显示驱动器 ICL7106 和标准段 式液晶显示屏 EDS801 及其他一些元器件组成 。
3 调 试
1 红外线测温的原理
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ———辐射定律 :
E = σε( T4 - T0 4 )
( 1)
收稿日期 :2006 - 11 - 06
Keywords :t hermodetecto r ;design of circuit ;inf rared ray ; PM611 ; ICL7106
由于医学发展的需要 ,在很多情况下 ,一般的温度计已 经满足不了快速而又准确的测温要求 ,例如车站和机场等 的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非典 之类的特殊疾病的传播 ,急需设计一种测温速度快 ,准确率 高的测温仪。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。
人体主要辐射波长在 9～10 μm 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 。
人体的红外辐射特性与他的表面温度有着十分密切 的关系 ,因此 ,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 s 以内可测试完毕 。由于他只接收 人体对外发射的红外辐射 ,没有任何其他物理和化学因素 作用于人体 ,所以对人体无任何害处 。
测控技术
唐岳湘等 :红外线人体测温仪电路的设计
红外线人体测温仪电路的设计
唐岳湘 ,赵修良 ,单 健 ,俞 红
(南华大学 核科学技术学院 湖南 衡阳 421001)
摘 要 :为了适应医学的发展 ,研究红外线人体测温技术具有实际的意义 。阐述了红外线测温原理 ,对如何减小测温误 差进行了讨论 ,同时进行了红外线人体测温系统设计 。在分析红外线传感器和 A/ D 转换对测量精度影响的基础上 ,选择 PM611 单元热释电传感器和 ICL7106 积分式 A/ D 转换器等器件实现了一种误差较小的红外线人体测温电路的设计 ,达到 了预定的设计效果 。
[ 4 ] 梁延贵. 积分式 A/ D 转换器其他专用集成电路分册[ M ] . 北 京 :科学技术文献出版社 ,2002.
[ 5 ] 黄智伟 ,朱荣辉 ,朱卫华. 无线数字温度传感器的设计 [J ] . 传感器技术 ,2002 ,21 (9) :31 - 33.
[ 6 ] 刘建华 ,谢景新 ,曹克强 ,等. 全数字温湿度及光照系统的研 制[J ] . 河北农业大学学报 ,2002 ,25 (4) :97 - 101.
作者简介 唐岳湘 男 ,1964 年出生 ,湖南岳阳人 ,讲师 。主要从事医学电子学方向的研究 。 赵修良 男 ,1968 年出生 ,湖南湘潭人 ,教授 。主要从事核电子学与核技术应用方向的研究 。 单 健 男 ,1975 年出生 ,湖南衡阳人 ,讲师 。主要从事核电子学及核测控方向的研究 。
参 考 文 献
[ 1 ] 赵家贵 ,付小美. 新编传感器电路设计手册 [ M ] . 北京 :中国 计量出版社 ,2002.
[ 2 ] 丁镇生. 传感器及传感技术应用 [ M ] . 北京 : 电子工业出版 社 ,1998.
[ 3 ] 刘迎春 ,叶湘滨. 现代新型传感器原理与应用 [ M ] . 北京 :国 防工业出版社 ,1998.
[ 7 ] Soejo ko D S , Tjia M O. Inf rared ray Type Broadcasting Sys2 tem for persons wit h hearing Defect s[J ] . Jo urnal of Materi2 als Science ,2000.
TAN G Yuexiang ,ZHAO Xiuliang ,SHAN Jian , YU Ho ng
(School of Nuclear Science and Technology ,Nanhua University , Hengyang ,421001 ,China)
Abstract : For t he develop ment of advanced medicine ,it has p ractical meaning to research t he technology of inf rared t her2 modetecto r for medicine. The p rinciple of inf rared temperat ure measurement and t he met hod of reducing error are int roduced in t his article. Based o n t hem ,t he system design of inf rared t hermodetector for human body is described. On t he basis of t he anal2 ysis of effect s on measurement accuracy f ro m t he IR sensor and A/ D co nverting ,t he circuit design of inf rared t hermodetector for human body wit h less error is p rovided ,using PM611 and ICL7106 ,which achieves p ro spective result .
2 结构框图及电路设计
2. 1 结构框图设计 如图 1 所示为设计系统的总体结构框图 。
图 1 总体结构框图
2. 2 温度传感器 本测温装置使用红外线传感器 ,他能接收物体发射出
的红外线并使之转换成电压信号 。我选用的是 PM611 单 元热释电传感器 ,这种传感器虽是单灵敏元 ,由于他采用 一个接收元和二个并联的补偿元串接的结构 ,故也能有效 地补偿环境温度起伏 ,振动等干扰影响 。他的工作温度是 - 20～ + 70 ℃,特别适合测量人体的温度 。而且 PM611 各项指数都比较好 ,因此选用了他做温度仪的探头 。
© 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
《现代电子技术》2007 年第 15 期总第 254 期
于ε= 1. 0 的实际黑体 ,用于温度计的校准 。所有真实的物 体 , 包括人体各部位的表面 ,其ε值都是某个低于 1. 0 的数 值 。由于ε值极难测量而又不确定 ,所以在仪表测出 E 后 , 按式 (2) 计算出的 T1 就会有误差 。在实际工作中 , 仪表是 在ε = 1. 0 的黑体上校准好出厂的 , 只有测量ε = 1 的对 象 ,其示值才代表对象的实际温度 , 如果对象ε不等于 1 , 则仪表读数不代表对象的实际温度 ,要进行修正 。
关键词 :测温仪 ;电路设计 ;红外线 ; PM611 ; ICL7106 中图分类号 : TP29 文献标识码 :B 文章编号 :1004 - 373X(2007) 15 - 136 - 03
Design of Circuit of Body Temperature Measuring by Infrared Ray
测试 ·测量 ·自动化
图 3 传感器的典型连接电路
图 4 测量部分电路图
2. 4 积分电路 在将模拟信号转变成数字信号中 ,选择了 ICL7106 积
分式 A/ D 转换器 。他主要有以下的优点 : 积分式 A/ D 转换器的转换精度高 ,成本低 ;他的精度
与积分电阻 ,积分电容的精度无关 ,故可降低对元件质量 的要求 ;抗干扰能力强 ;他的外围电路简单 。
在实验中通过调节 A1 输出端的 10 kΩ 变阻器 ,使 A3 输出信号的大小发生改变 ,当 A3 的输出小于 2. 0 V 时 ,可 以适应 ICL7106 的量程为 2 . 0 V 的工作特性 ,因此 A3 的 两个电位器用来调节 A3 输出的大小 ,确保在高温时不超 过 2.0 V。
调试时 ,用一已知温度 (20～70 ℃) 的物体放置在探 头前 ,调节 ICL7106 部分中的 R12 , 使 L CD 显示出正确温 度 ,再换一个已知温度 ,继续调节这个电位器 ,使显示值准 确等于已知温度值 , 反复调整几次即可 。注意不要超过 PM611 传感器和 ICL7106 A/ D 积分器的温度上限 。