一种非接触式耳温传感器研制

宫占江+孙立凯+史鑫

摘 要：文章介绍了一种基于红外感温原理的非接触式耳温传感器。该耳温传感器的检测单元包括一个感温探头和一个采用变送集成技术的信号调理电路。通过温度补偿、非线性补偿，有效的抑制了传感器的非线性误差及零点稳定性，使耳温传感器得到很高的精度和响应速度。利用传感器的制作工艺制作出非接触式耳温传感器。非接触式耳温传感器完成了性能测试，测试结果表明：传感器的非线性误差优于0.1%、精度优于0.1℃。

关键词：耳温传感器；非接触式；精度

中图分类号：TN212 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）32-0020-02

引言

体温是人体基本生理指标之一，是临床疾病和生命体征判断的重要依据。在临床实践中，通常采用直肠温度、口腔温度、腋窝温度作为衡量机体深部平均温度的指标[1-3]。传统体温测量是使用水银温度计进行接触式测量，具有性能稳定、误差小等优点，但存在测量时间长、交叉传染风险大、玻璃破碎易引起汞中毒等缺点[4-6]。而非接触测量主要采用红外感温原理实现，与传统体温传感器相比具有体积小、精度高、响应速度、稳定性好等技术特点[7]。另外，非接触式耳温传感器主要应用在载人航天医疗检测系统，满足对航天员体温快速、高精度、非接触测量的实际要求，解决了我国载人航天医疗检测系统对人体体温非接触测量需求。

1 设计原理

非接触的温度探测主要采用红外热辐射测量方法。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[8]。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。

根据黑体辐射定律，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，其他的物质反射系数小于1，称为灰体。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[9-10]。

2 探头结构设计

根据实际使用环境要求，传感器探头组成主要包括：红外探测器（1个）、外壳、转接板、导线以及电连接器。为了方便在人体耳腔安装，探头外壳采用有机硅橡胶材料制成，如图2所示。红外探测器焊接在转接板上，通过四芯BGD扁平電缆导线将红外探测器引线引出。利用GD414硅胶灌封的方式将以上部分灌封在外壳内部，保证其具备很好的密封效果。引出的导线焊接在4芯电连接器上，并用热缩管封装保护。

3 信号调理电路设计

设计中通过计算和试验，确定电路的元件参数，保证信号处理信号符合要求；设计中通过计算和试验，确定相关温度补偿电路元器件参数，以满足温度补偿的要求；设计中充分考虑电磁兼容性要求，引入低通滤波电路；传感器输入端设计了限流电阻，解决内部短路对整个供电系统的影响。经对指标分析，可以看出本项目电路部分比较复杂，包括数据采集、数字显示处理部分以及软件运算补偿部分，电路结构如图3所示。本方案选择使用国产单片机STC89C52RC。

来自探头的信号组要包括，敏感信号和补偿信号。其中敏感信号来自热电堆敏感元件，主要表现为热电势信号。补偿信号来自补偿电阻，主要表现为阻值信号。电路首先对输入信号进行模拟放大处理，并进行初级的温度补偿耦合处理。这主要是为了防止被测温度低于环境温度时，采用热电偶效应的热电堆输出反向电势差，由于补偿信号为电阻信号，因此采用直流电桥将其转换为电压信号。显示部分采用国产BH7275显示驱动芯片。电路中电源回路的滤波电容组成抗电瞬变干扰电路，防止尖峰电流的冲击，并且各芯片的电源引脚均采用了退耦电容来保证传感器的电磁兼容。在整个电路设计中采用降额设计，保证电路可靠工作。

4 设计样品的性能测试

依据以上设计，传感器在结构设计上采用探头及电路盒子分体结构。感温探头部分主要是以热电式红外探测器将被测介质的温度变化量转化为可测的电信号，并通过标准电连接器与电路盒连接，可实现对耳温的非接触测量。电路盒的供电电源以电压方式供电，电压范围为（12±1）VDC，输出为4位LED数码显示器，显示分辨率达到小数点后2位即（0.01℃）。

在计量院对传感器样品进行精度测试，显示范围20℃-60℃，均匀选取3个温度点（20℃、40℃、60℃）进行测试，传感器每个温度点测试3次，取平均值作为该点测试值，黑体温度标定装置显示温度与测试值之差的最大值作为传感器测量精度，执行标准为：GB/T21417.1-2008。其主要测数据见表1。

5 结束语

通过对传感器样品的测试，表明传感器在较宽的工作度范围条件下，实现比较大量程、高精度的非接触红外温度测量。传感器采用环境温度补偿，有效的减小红外探测器受环境温度影响，造成其测量漂移严重影响传感器测量精度及稳定性。由于传感器制造技术采用的都是通用工艺，因此加工制作方便，尤其适合批量制作，从而大幅度提高了传感器的一致性。总之，非接触式耳温传感器研制方案是可行的，为今后非接触式耳温传感器的开发研制工作做出了重要的技术积累。

参考文献：

[1]魏计林，吴海洋，邱选兵.基于MLX90615的红外耳温计设计[J].光机电信息，2011，28（6）：35-38.

[2]陈可中，谭翔，董建杰.红外测温仪的设计[J].电子测量技术，2007，30（10）：11-14.

[3]张秀再，陈彭鑫，吴华娟，等.非接触式红外体温计[J].计量技术，2015，2（2）：7-10.

[4]王勇，朱晓荣，贾永兴.基于WIFI的体温检测系统设计与实现[J].电子技术应用，2012，38（10）：119-121.

[5]柏成玉，原遵东，王铁军.红外耳温计的校准[J].计量技术，2007（4）：46-49.

[6]周书铨.红外辐射测量基础[M].上海交通大学出版社，1991，3：157-165.

[7]原遵东.红外辐射温度计瞄准的平面辐射源模型[J].计量学报，2014，35（5）：434-439.

[8]周玮，高魁明.在线黑体辐射源的建立及其精度评价[J].东北大学学报（自然科学版），1997，18（5）：498～502.

[9]段宇宁.黑体辐射源研究综述[J].现代计量测试，2001，3：7～1l.

[10]张景异.黑体炉精度的实验研究[J].重庆工学院学报，2003，4：16-18.endprint