1整体系统构架

红外热释电效应测温仪的整体系统构架功能模块框图如图1所示。

1.1光学系统设计

光学系统由菲涅尔光学透镜和滤光片组成。将该光学透镜置于红外热释电传感器上。光电转换器件采用TS-1NMB。其外部构造如图2所示。由图2可知,TS-1NMB有4个外部引脚:1脚是热电堆的负端输出;2脚是热电堆的正端输出;3脚是冷端补偿电阻的输出端;4脚是外壳地。在25℃的实验室环境下该传感器对于700 K的黑体输出达到最大电动势200 mV。但是对于人体温度感应,其输出电动势只有大约0·1 mV左右,因此必须对输出电压进行直流放大,才能用A/D转换器进行信号采集。TS-1NMB顶部有一个小窗,窗顶集成有一片红外滤光片,因此滤光片不必再自行设计了。

1.2电路设计

对传感器输出的信号进行放大,使用TI公司生产的TLC4502ID运放芯片。TLC4502是利用1μm 5 V数字CMOS技术制造的高性能自校准双运算放大器,具有非常高的直流增益以及良好的电源抑制比和共模抑制比。使用TLC4502ID设计的放大电路与TS-1NMB的接线如图3所示。

图3中用TLC4502ID内部的2个运放构成双级直流放大电路,TLC4502的开环增益很高,该双级放大器可调节最大电压增益可达40 000倍,完全满足TS-1NMB输出信号的放大要求。另外,通过调节R7分压,可以调节A/D测量TS-1NMB中冷端补偿电阻的输出电压,通过换算,可以得到当前冷端温度。

A/D转换器采用24位带放大滤波器的AD7710。将TLC4502ID输出的电压信号接至AD7710的两个模拟输入端口,数字量输出可由单片机从AD7710芯片的串行数字接口读取。

单片机控制系统主要由AT89S51、X5045、液晶显示器接口、报警电路、定位LED等构成。X5045把4种常用功能:上电复位、看门狗定时器、电源电压监控和块锁保护的串行EEPROM存储器组成在一个封装内。单片机读取AD7710的数字信号后,通过内部程序处理,将结果显示在液晶屏幕上,同时存储到X5045的EEPROM里面。如果达到报警门限,则驱动报警电路,其电路如图4所示。

1.3软件设计

1.3.1软件冷端补偿

本文红外热电堆冷端温度补偿采用软件补偿法。图5是红外热释电传感器的热电堆电压输出曲线。由图5可以得知,目标温度在变化范围很小的情况下(人体温度测量温度变化范围为35~42℃。)可以将曲线近似的看成线性的。对于用作冷端补偿的热敏电阻的电压输出采用线性插值算法。因此可以假设如下2个一次二元函数:U0= f1(T0,Te)(1)Ue= f2(Te)(2)式中:Uo为传感器热电堆的输出电压;To为被测目标的实际温度;Te为环境温度(冷端温度);Ue为热敏电阻输出电压。将这2个函数拟合得到一个新的一次二元函数:To=f3(U0,Ue)。

根据函数计算出被测目标的温度To。因为这是一个当前未知的一次二元函数,函数的3个参数是需要通过大量的实验和计算确定下来的。分别是Uo的系数、Ue的系数和常数项。至少需要一组同一环境温度下的不同温度的人体(或红外发射率与人体接近的物体)的电压测量值和一组不同环境温度下同一温度人体(或红外发射率与人体接近的物体)的电压测量值。需要更低的相对误差,可采用二次函数来近似温度-电压曲线。

1.3.2单片机程序

测温进程是编程重点,读取AD7710中的2个通道的电压转换值。电压分别表示被测人的温度和当前冷端温度2个信息。单片机程序用C51语言编写,整体流程如图6。

1.3.3主机程序

主机程序用Visual Basic 6.0编写,其主要作用是和测温仪进行串行通信,并对测温仪存储的数据进行统计分析,绘制出所有被测人群的体温分布情况,高温比率,低温比率等。其在Microsoft Windows XP下的界面如图7所示。

这是将非正常体温设置在38℃(微热)以上时的统计数据。其中“导入数据”按钮是让主机与测温仪通信,读取测温仪EEPROM里面保存的所有数据,这些数据包括测量过程中的环境(冷端)最高温度和最低温度、所有被测人的体温等。主机程序对这些数据进行相应的分析操作,计算出各种所需的统计数据,如非正常体温比率、平均体温。然后根据每个被测人的体温绘制出体温分布图。“保存数据”是将所有测量数据和统计数据保存成文本报表的形式“保存图形”是将绘制出的图形以位图格式进行保存。

2测试数据及分析

要能提供医学上有用的信息,热像图装置的分辨率必须在0.1左右，测量稳定性的数量级在1/10~3/10℃。在红外测温仪开发完成后,对其进行了许多测试,以检验其精度、误差、测量距离等性能。

根据测试结果,该红外测温仪对人体的温度测量的误差低于±0.1℃,而对水温的测量误差则相对较大。这是由于本测温仪是根据人体体温进行调整和修正的,同温度的水和人体换算成的同等发射本领的黑体温度(红外辐射发射率)是不相等的,而且用于测试的水银温度计和水银体温计本身的绝对误差和精度也是不一样的。实测表明,人体距离越近时越能充满测温仪的视场,测量的相对误差就较小。超出50 cm时人体在测温仪的视场中占的面积过小,就很难进行温度测量了。