人体红外测温仪 毕业设计论文 - 图文

第二章 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：

E???(T4?T04) （2.1）

式中：E为辐射出射度数，W/m3；?为斯蒂芬―波尔兹曼常数，

5.67*10?8W/(m2?K4)；?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。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：

E?A??1?2(T14?T24) （2.2）

式中：A为光学常数，与仪表的具体设计结构有关；?1为被测对象的辐射率；?2为红外温度计的辐射率；（K）；（K）；T1为被测对象的温度T2为红外温度计的温度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?m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。

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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

影响红外人体测温仪的因素有：

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。人体红外测温仪距离系数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：人体红外测温仪一般都是按黑体（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：测温仪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

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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：

V?S(T04?Ta4) (2.3)

式中：S为与热释电响应特性及物体表面发射率有关的常数，T0为物体表面温度，Ta为环境温度。根据表达式（2.3）可以得到不同的标定公式：

（1）简单关系式，即

V4 T0??TaS式中：Ka?1/4 （2.4） ?TVa?Ka

1，应用此公式所作的标定实验结果见表1，表中数据表明，Ka 34STa不仅与Ta 有关，还与T0 有关。

（2）多项式，即

V T0??Ta4S令

1/4 （2.5）

S?a0?a1Ta?aTa2?? （2.6）

在参考文献[7]中，S取三项，其实验结果表明，要使测温仪满足一定的精度，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Ta=30℃，物体表面温度在180℃以上时，读数误差较大。

由下表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。

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分析表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 。下图为表1：

表1 不同环境温度下的标定系数

标准温度 环境温度 （℃） （℃） 26.0 34.00 26.5 27.0 78.00 120.00 26.0 26.5 27.0 26.0 26.5 27.0 2.4 人体红外线测温仪的特点

人体红外测温仪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。测温仪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。所以人体红外测温仪具有以下优点：

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：因为人体红外测温仪是非接触式测温，所以测温仪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仪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。

测量值 （V） 2.613 2.605 2.588 2.960 2.948 2.925 3.392 3.388 3.384 系 数 Ka （V/℃） 3.061 2.879 2.704 17.57 17.47 17.44 27.71 27.59 27.48 5