ZTPl35S—R型傳感器在體溫計中的應(yīng)用

紅外體溫計采用紅外溫度傳感器測量體溫，利用GE公司的zTP135S—R型紅外熱電堆溫度傳感器實現(xiàn)對溫度信號的非接觸測量。詳細(xì)介紹了ZTP135S—R型傳感器的工作原理和性能。它與自帶ADC的megal6型8位單片機相連，共同實現(xiàn)體溫計的功能。

1 引言

現(xiàn)在，人們對自己的身體健康狀況十分關(guān)注，都希望自己有一個好的身體。體溫是人體的重要生理參數(shù)之一，對它的監(jiān)測十分重要。市場上最流行的體溫計是電子體溫計，特別是非接觸式紅外體溫計。目前國內(nèi)開發(fā)的紅外體溫計主要有華中科技大學(xué)研制的“慧眼：HW一05”人體溫度紅外熱圖像儀.其分辨率高達(dá)0.06℃；中科院上海物理研究所研制的紅外測溫儀和蘭州大學(xué)合華技術(shù)應(yīng)用開發(fā)中心開發(fā)的LHW—I型紅外線測溫儀。國外產(chǎn)品有德國博郎集團(tuán)開發(fā)的只需1秒即可測出體溫的紅外體溫計；日本歐姆龍研制的幾款非接觸式紅外體溫計和BJ40型非接觸式醫(yī)用紅外線體溫計(精度為±t0.2℃，其主要器件是紅外溫度傳感器。本文給出了應(yīng)用GE公司的ZTP135S—R型紅外溫度傳感器進(jìn)行的體溫計設(shè)計。

2 紅外溫度傳感器的原理

自然界一切溫度高于絕對零度(-273.15℃)的物體。由于分子的熱運動都在不停地向周圍空間輻射包括紅外波段在內(nèi)的電磁波。其輻射能量密度與物體本身的溫度關(guān)系符合普朗克(Plank)定律。紅外測溫的原理是一樣的，都是根據(jù)普朗克原理。一般理解紅外測量的是物體的溫度，其實測的是目標(biāo)物與傳感器或者說是物體與環(huán)境溫度之間的差值。物體輻射能量的大小直接與該物體的溫度有關(guān).具體地說，是與該物體熱力學(xué)溫度的4次方成正比。用公式可表達(dá)為：

E=δε(T4-T4o) (1)
式中，E是輻射出射度，單位是W/m3；
δ是斯蒂芬一波爾茲曼常數(shù)，5.67x10-8W/(m2·K4)；
δ是物體的輻射率：
T是物體的溫度(K)；
To是物體周圍的環(huán)境溫度(K)。

人體主要輻射波長為9μm—10μm的紅外線。通過對人體自身輻射紅外能量的測量便能準(zhǔn)確地測定人體表面溫度。由于該波長范圍內(nèi)的光線不被空氣所吸收，因而也可利用人體輻射的紅外能量精確地測量人體表面溫度。

紅外溫度傳感器利用熱電偶原理，測量目標(biāo)物與傳感器或者物體與環(huán)境溫度之間的差值。熱電偶的原理是二種不同的金屬A和B構(gòu)成一個閉合回路，當(dāng)二個接觸端溫度不同時(T>To)，回路中產(chǎn)生熱電勢Eab，其中T稱為熱端、工作端或測量端，To稱為冷端、自由端或參比端。A和B稱為熱電極。熱電勢的大小由接觸電勢(也叫伯爾貼電勢)和溫差電勢(也叫湯姆遜電勢)決定。

3 ZTPl35S—R的工作原理和性能

GE公司生產(chǎn)的ZTP135S—R型紅外溫度傳感器是一種專門用于非接觸式測量體溫的器件，其主要參數(shù)如下：

芯片尺寸大?。?.8mm x l.8mm；
光孔大小：1.4mm x 1.4mm；
電偶數(shù)：60對：
作用面積：0.7mm x 0.7ram；
內(nèi)阻：60kn±30%；
電阻溫度系數(shù)：0.12%/℃；
敏感度：65V/W±30%；
噪聲電壓：32nVrms(典型值)；
探測靈敏度：1.4E08emHz(1/2)W(典型值)；
時間系數(shù)：25ms(典型值)；
電熱堆作溫度補償：R=100kΩ，溫度為25℃(R公差為±3%)，β=3960(β公差為±0.5%)；
封裝型號：TO-46；
工作溫度：-20℃～100℃；
存貯溫度：-40℃～120℃。
其外形和引腳排列如圖1所示。

被測物體的輻射能經(jīng)過窗口和光闌聚焦在接收元件(熱電堆)的受熱片上，受熱片上有60只串聯(lián)的熱電偶。每只熱電偶的熱端在受熱片的中央部位圍成一圈，焊接在一起，從引線就可以得到所有電偶的熱電勢之和。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計具有較小的熱慣性和較高的靈敏度。傳感器采用負(fù)溫度系數(shù)電熱調(diào)節(jié)器進(jìn)行環(huán)境溫度補償。

圖2、圖3和圖4分別示出該傳感器的靈敏度變化曲線、內(nèi)阻變化率曲線和傳輸波形。

4 紅外傳感器的應(yīng)用

本設(shè)計采用AVR單片機進(jìn)行數(shù)字信號處理，它與z1P135S—R相連，對其采集到的溫度電信號進(jìn)行處理，再經(jīng)過濾波和放大，把溫度的標(biāo)準(zhǔn)電信號提取出來進(jìn)行MD轉(zhuǎn)換，最終在液晶顯示器(LMD)上顯示出來。LCD的8條數(shù)據(jù)線接.PB口；控制線RS、R/W、EN分別接PD0、PDl、PD3；LCD的背光燈由PD4控制。蜂鳴器由PD5控制。紅外的溫度信號接單片機的PA0口，環(huán)境溫度補償信號接單片機的PAI口。其中還設(shè)計了二個按鈕(keyl，key2)，keyl為系統(tǒng)控制開關(guān)，key2為復(fù)位開關(guān)。圖5示出megal6型單片機的外圍電路。

5 結(jié)束語

在溫度測量系統(tǒng)中，溫度傳感器是一個重要的器件，它的性能直接影響溫度測量的準(zhǔn)確度.需要根據(jù)不同的測量精度來選擇傳感器，對于紅外溫度傳感器來說，因為它是非接觸式的，所以對環(huán)境的要求特別高，采用熱電偶的測量原理，對環(huán)境溫度進(jìn)行補償，從而獲得準(zhǔn)確的測量效果。本設(shè)計采用ZTPl35S—R型傳感器很好地滿足了要求。測量溫度成線性變化，并且.本裝置所用的紅外傳感器只是吸收人體輻射的紅外線而不向人體發(fā)射任何射線，它采用的是被動式和非接觸式測量方式，不會對人體產(chǎn)生輻射傷害。