红外非接触传感器在医疗测温上的应用

红外非接触传感器在医疗测温上的应用
摘要:MELEXIS红外系列传感器是一组通用的红外测温模块。

在出厂前该模块已进行校验
及线性化,具有非接触、体积小、精度高,成本低等优点。

被测目标温度和环境温度能通
过单通道输出,并有两种输出接口,适合于汽车空调、室内暖气、家用电器、手持设备以及医疗设备应用等。

本文基于MLX90614为例介绍其在医疗非接触测温的相关测温方案。

关键字：红外温度传感器，医疗，非接触，MELEXIS
1 引言
一般来说,测温方式可分为接触式和非接触式,接触式测温只能测量被测物体与测温传感器达到热平衡后的温度,所以响应时间长,且极易受环境温度的影响;而红外测温是根
据被测物体的红外辐射能量来确定物体的温度,不与被测物体接触,具有影响动被测物体温度分布场,温度分辨率高、响应速度快、测温范围广、不受测温上限的限制、稳定性好等
特点,近年来在家庭自动化、汽车电子、航空和军事上得到越来越广泛的应用。

2 测温原理概述
物体红外辐射能量的大小和波长的分布与其表面温度关系密切。

因此,通过对物体
自身红外辐射的测量,能准确地确定其表面温度,红外测温就是利用这一原理测量温度的。

红外测温器由光学系统、光电探测器、信号放大器和信号处理及输出等部分组成。

光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量,视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。

红
外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。

该信号经过放大器和信号处理电路,
并按照仪器内的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。

Melexis公司生产的 MLX90614 系列测温模块是应用非常方便的红外测温装置,其所有的模块都在出厂前进行了校验,并且可以直接输出线性或准线性信号,具有很好的互换性, 免去了复杂的校正过程。

该模块以 81101 热电元件作为红外感应部分。

输出是被测
物体温度(TO)与传感器自身温度(Ta)共同作用的结果,理想情况下热电元件的输出电压为:
4 −Ta4)
Vir=A(To
其中温度单位均为Kelvin,A为元件的灵敏度常数。

目标温度和环境温度由81101 内置的热电偶测定测量,从81101中输出的两路温度信号分别经内部MLX90302器件上高性能、低噪声的斩波稳态放大器放大再经一个17-bit 的模数转换器(ADC)和强大的数字信号处理(DSP)单元后输出。

该系列模块的温度解析度可达0.01°C,体积小巧,被测目标和环境温度能通过单通道 (由MLX90302内的状态机控制)输出,有两种输出方式:PWM 输出、可编程SMBus输出,适于多种应用环境,下面以MLX90614为例,重点介绍其特性和使用方法。

通过SMBus编程可以更改模块EEPROM内的预设值并按照应用要求进行配置,并可以读出EEPROM内的配置信息;还可以读出模块RAM内温度等数据。

MLX90614有适用于3伏和5伏电源操作的两种类型。

由于3伏型其小于2毫安的电流消耗,它非常适用于手提装置和电池动力装置。

为此,传感器也具有一个节能“休眠”模式, 此时电流消耗可低于2毫安。

对于12伏汽车电池直接供电的情况,5伏型包含的电子部件可与几个外部元件一起在较高电压下运行。

3 MLX9061
4 简介
3.1 MLX90614 管脚
3.2 性能图表
3.2.1 MLX90614温度读书精确度
所有精确度特征都是在保证器件金属封装在热均衡的情况下. 并且, 所有精确度都只适用于感应器视野范围内只存在被测物体.
图 2:初步 MLX90614 精确图表 (环境温度 Ta,物体温度 To)
所有精确度特征都是在保证器件金属封装在热均衡的情况下.对于MLX90614医疗精确度版本MLX90614DAA,在环境温度 10oC-40oC 范围和被测物体温度 32oC-42oC范围内精确度如下图所示. 对于其余范围的的精确度,请参照前图.
图 3: 初步医疗应用 MLX90614DAA 精确图表 (环境温度 Ta,物体温度 To)
4.设计要点
采用辐射测温法。

在进行方案设计时注意以下几点。

（1）由于低温目标红外辐射信号微弱，故要选择高响应率的红外探测器，这是实现低温目标能量探测的关键。

（2）光经红外探测器转为电信号，此信号极其微弱，因此要选择低噪声、高输入阻抗、低温漂、高共模抑制比的运放，来提高测温精度和稳定性。

（3）由于本测温仪包含数字信号和模拟信号，因此在进行电路设计和PCB板设计时，一定要尽量避免数字信号对模拟信号产生影响，采取相应的屏蔽措施。

（4）由于测量体表温度，不同的部位体表温度有所不同，因此正确的环境温度补偿和误差修正必不可少。

（5）使光学系统与激光瞄准保持平行，以保证被测物体的准确定位。

2.3红外测温仪的设计方案
测温仪由热电堆传感器、单片机、液晶显示、电源管理等部分组成。

通过热电堆探测器得到物体温度对应的电信号，电信号经过前置放大后送至A/D模块进行数模转换，再通过SMBus总线将数据传到8051单片机系统，由单片机进行数据处理，并把处理完的最终温度值送往液晶进行实时显示。

整体结构如图1所示。

图4:基于mlx90614的体温计方案
总结：
非接触式温度测量装置采用了辐射测温原理，属于红外辐射测温法在体温测量的应用，目的是为了实现对人体温度的非接触测量。

辐射低温测量过程中一个最重要的方面就是对环境温度进行补偿，mlx90614可以保证测温模块的精度和稳定性。

mlx90614可以使该测量仪体积小、使用方便、性能价格比高、稳定性好、可靠性高、通用性好等优点，因而mlx90614有着很好的市场前景。

但在实用时还需要根据使用环境特点进行完善，比如：增加光学聚焦功能、存储功能和激光瞄准功能等，这样就能克服传感器对测量条件环境要求高的弊端，拓展应用领域。