【正文】 44 附錄一 系統(tǒng)硬件電路圖 45 附錄二 系統(tǒng) 程序 46 第一章 緒論 課題研究的目的和意義 在臨床醫(yī)學(xué)中，體溫是一個重要的人體生理參數(shù)。它是人體生命活動的基本特征，也是觀測人體機(jī)能是否正常的重要指標(biāo)之一。所以體溫計無論是在日常保健和還是臨床診斷上，都是必不可少的醫(yī)用計量器具。 傳統(tǒng)的體溫計主要是水銀式體溫計， 水銀儲存在末端的水銀球內(nèi)。當(dāng)水銀被加熱時，它會發(fā)生膨脹，沿著非常狹窄的玻璃管上升。所以，體溫的小小變化就會導(dǎo)致玻璃管內(nèi)水銀的大幅度上升。量完體溫后，得用力甩動體溫計，使水銀回到水銀球內(nèi)。 它們主要是經(jīng)口腔、腋窩和直腸等部位來測量人體的平均溫度。 水銀體溫計雖然價格便宜 ，性能穩(wěn)定， 但 也 有許多弊端：其一，水銀體溫計遇熱或放置不當(dāng)，容易破裂使水銀泄露，從而造成人體接觸中毒、污染環(huán)境；其二，水銀體溫計是根據(jù)水銀隨溫度升降的熱脹冷縮的性質(zhì)，通過讀取刻度值來判斷溫度的高低，有時由于光線較暗或其它因素的影響，使觀察者難以準(zhǔn)確判斷體溫值；其三，采用水銀體溫計測量體溫時，往往要等待較長的時間，使其能夠充分受熱。 隨 著科 技的發(fā)展和現(xiàn)代 醫(yī)療 技術(shù)的需 要，測溫技術(shù)也 在 不斷地改進(jìn)和提高 ，然后人們研究出了 紅外線人體測溫儀 。 它是利用人體發(fā)出 特定波段 的紅外線來測量出人體的溫度 ，由于 采用 了 高精度 的 紅外 溫度 傳感器， 所以 能夠快速、準(zhǔn)確、方便地測出 體溫數(shù)值 ， 從而解決了 傳統(tǒng)水銀式溫度計的容易破碎、水銀染環(huán)境與不易讀數(shù) 等 問題 。 這無論 是 在大規(guī)模的疫檢 中 ，還是 在日常保健 中都發(fā)揮了重要的作用。 紅外測溫技術(shù)的發(fā)展概況 1800 年， 英國 物理 學(xué)家 F W 赫胥爾從熱的觀點來研究各種色光時，發(fā)現(xiàn)了紅外線。他在研究各種色光的熱量時，有意地把暗室的唯一的窗戶用暗板堵住，并在板上開了一個矩形孔，孔內(nèi)裝一個分光棱鏡。當(dāng)太陽光通過棱鏡時，便被分解為彩色光帶，并用溫度計去測量光帶中不同顏色所含的熱量。為了與環(huán)境溫度進(jìn)行比較，赫胥爾用在彩色光帶附近放幾支作為比較用的溫度計來測定周圍環(huán)境溫度。試驗中，他偶然發(fā)現(xiàn)一個奇怪的現(xiàn)象：放在光帶紅光外的一支溫度計，比室內(nèi)其他溫度的批示數(shù)值高。經(jīng)過反復(fù)試驗，這個所謂熱量最多的高溫區(qū)，總是位于光帶最邊緣處紅光的外面。于是他宣布 太陽發(fā)出的輻射中除可見光線外，還有一種人眼看不見的 “ 熱線 ” ，這種 看不見的 “ 熱線 ” 位于紅色光外側(cè)，叫做紅外線。紅外線是一種電磁波，具有與無線電波及可見光一樣的本質(zhì)，紅外線的發(fā)現(xiàn)是人類對自然認(rèn)識的一次飛躍，對研究、利用和發(fā)展紅外技術(shù)領(lǐng)域開辟了一條全新的廣闊道路 。 自從赫歇爾發(fā)現(xiàn)紅外輻射至今，紅外技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了將近兩個世紀(jì)。從那時開始，紅外輻射和紅外元件、部件的科學(xué)研究逐步發(fā)展，但發(fā)展比較緩慢，直到 1940年前后才真正出現(xiàn)現(xiàn)代的紅外技術(shù)。當(dāng)時，德國研制成硫化鉛和幾種紅外透射材料，利用這些元、部件制成一些軍用紅外 系統(tǒng)，如高射炮用導(dǎo)向儀、海岸用船舶偵察儀、船舶探測和跟蹤系統(tǒng)，機(jī)載轟炸機(jī)探測儀和火控系統(tǒng)等等。其中有些達(dá)到實驗室試驗階段，有些已小批量生產(chǎn)，但都未來得及實際使用。此后，美國、英國 和 前蘇聯(lián)等國競相發(fā)展。特別是美國，大力研究紅外技術(shù)在軍事方面的應(yīng)用。目前，美國將紅外技術(shù)應(yīng)用于單兵裝備、裝甲車輛、航空和航天的偵察監(jiān)視、預(yù)警、跟蹤以及武器制導(dǎo)等各個領(lǐng)域。 半個世紀(jì)以來隨著光學(xué)技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，紅外檢測技術(shù)也日趨完善，其中紅外測溫技術(shù)也形成了完整的理論并成功地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)和工業(yè)等領(lǐng)域。 在實現(xiàn)遠(yuǎn)距離溫度監(jiān)測與 控制方面，紅外 溫度傳感器 以其優(yōu)異的性能，滿足了多方面的要求。在產(chǎn)品加工行業(yè)，特別是需要對溫度進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)測的場合，都是溫度傳感器大顯身手的地方。在食品行業(yè)紅外溫度可以在不被污染的的情況下實現(xiàn)食品溫度記錄，因此備受歡迎。 隨著紅外測溫技術(shù)的普遍應(yīng)用，一種新型的紅外技術(shù) — 智能數(shù)字紅外傳感技術(shù)正在悄然興起。這種智能傳感器內(nèi)置微處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器與控制單元的雙向通信，具有小型化、數(shù)字通信、維護(hù)簡單等優(yōu)點。當(dāng)前，各傳感器用戶紛紛升級其控制系統(tǒng)，智能紅外傳感器的需求量將會繼續(xù)增長，預(yù)計短期內(nèi)市場還不會達(dá)到飽和 。 另外，隨著便攜式紅外傳感器的體積越來越小，價格逐漸降低，在食品、采暖空調(diào)和汽車等領(lǐng)域也有了新的應(yīng)用。比如用在食品烘烤機(jī)、理發(fā)吹風(fēng)機(jī)上，紅外傳感器檢測溫度是否過熱，以便系統(tǒng)決定是否進(jìn)行下一步操作，如停止加熱，或是將食品從烤箱中自動取出，或是使吹風(fēng)機(jī)冷卻等。隨著更多的用戶對便攜式紅外溫度傳感器的了解，其潛在用戶正在增加。 其中紅外線人體測溫儀是紅外測溫技術(shù)的一個重要應(yīng)用，它是利用人體發(fā)出的紅外線來測量出人體的溫度。它 采用高精度 的紅外 傳感器和微 電子 技術(shù)，能夠快速、準(zhǔn)確、方便地測出人體的溫度 ，解決了 傳統(tǒng)水銀 式溫度計的容易破碎、水銀染環(huán)境與不易讀數(shù) 等 問題 。這可以說是醫(yī)學(xué)測量的一個重大進(jìn)步。 第二章 紅外溫度傳感器測溫原理 紅外 測溫 的基礎(chǔ)理論 在自然界中，一切溫度高于絕對零度（ 176。C ）的物體，由于分子的熱運(yùn)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)系符合輻射定律。 物體的紅外輻射能量的大小及其按波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準(zhǔn)確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據(jù)的客觀基 礎(chǔ)。 紅外線是電磁波譜的一部分，這一波段位于可見光和微波之間。根據(jù)普朗克輻射定律，凡是絕對溫度大于零度的物體都會向外輻射電磁波，物體的輻射強(qiáng)度與溫度及表面輻射能力有關(guān)，輻射的電磁波譜分布與物體溫度密切相關(guān)。在電磁波譜中，我們把人眼可直接感知的 ~ ，而把波長從 ~ 600181。m的電 磁波稱為紅外波段。而紅外區(qū)通常又可分為近紅外 區(qū) （ ~ ）、中紅外 區(qū) （ ~ 10181。m）和遠(yuǎn) 紅外 區(qū) （ 10181。m以上）。 近年來，紅外輻射技術(shù)已成為一門發(fā)展迅速的新興學(xué)科。 它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、科研、軍事、醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域。 圖 電磁波波譜圖 J D 哈里認(rèn)為，人體輻射能量與皮膚表面溫度及輻射率有關(guān)。一般活體皮膚光譜范圍約為 3 ~ 50181。m，其中大部分能量集中在 8~14181。m波段內(nèi)，峰值波長約為 。雖然人體生物波普分布范圍比較寬，但在非能量集中區(qū)域的信號強(qiáng)度較低，尤其遠(yuǎn)端波段的數(shù)值極小。經(jīng)科學(xué)檢測，不管人體的膚色如何，干燥皮膚的紅外輻射率均為 ，近似為黑體。根據(jù) Planck 定律，其波長主要分布在 ~ 25181。m 紅外波段范圍內(nèi)，根據(jù) Wien 定律λm T=2898（ K181。m），人體皮膚輻射的峰值波長同樣約為 。 其中 黑體是一種理想化的輻射體，它吸收所有波長的輻射能量，沒有能量的反射和透過，其表面的發(fā)射率為 1。但是，自然界中存在的實際物體，幾乎都不是黑體，為了弄清 和獲得紅外輻射分布規(guī)律，在理論研究中必須選擇合適的模型，這就是普朗克提出的體腔輻射的量子化振子模型，從而導(dǎo)出了普朗克黑體輻射的定律，即以波長表示的黑體光譜輻射度，這是一切紅外輻射理論的出發(fā)點，故稱 “ 黑體輻射定律 ” 。 圖 黑體輻射曲線 （ 1）、輻射的光譜分布規(guī)律 — 普朗克輻射定律： 一個絕 對溫度為 T（ K）的黑體，單位表面積在波長 λ 附近單位波長間隔內(nèi)向整個半球 空間發(fā)射的輻射功率（簡稱為光譜輻射度） Mλ， T與波長 λ、溫度 T 滿足下列關(guān)系： Mλ， T = C1（ eC2/λT – 1） 1 （ 21） 式中 C C2分別為第一、第二輻射常數(shù)。 普朗克輻射定律是所有定量計算紅外輻射的基礎(chǔ)。 （ 2）、斯忒藩（德） — 波爾茲曼（奧）（ Stefan— Boltzmann）定律： 物體的總輻射率，即單位面積發(fā)射總功率與黑體溫度的四次方及材料表面的發(fā)射率成正比。其數(shù)學(xué)表示如下： W =σεT4 （ 22） 其中： σ= 108w/m2 K4，為 Stefan— Boltzmann 常數(shù)， ε為材料表面發(fā)射率。 1879年斯忒藩從實驗上總結(jié)得到該公式， 1884 年波爾茲曼從理論上證明了它。 Stefan— Boltzmann定律表明，凡是溫度高于開氏零度的物體都會自發(fā)地向外發(fā)射紅外熱輻射，同時黑體單位表面積發(fā)射的總輻射功率與開氏溫度的四次方成正比。而且，只要當(dāng)溫度有較小變化時， 都會使物體發(fā)射的輻射功率發(fā)生很大的變化。因此只要能探測到黑體的 單位表面積發(fā)射的總輻射功率，就可以確定黑體的溫度了。 Stefan— Boltzmann 定律是所有紅外測溫的基礎(chǔ)。 （ 3）、輻射的空間分布規(guī)律 — 朗伯余弦定律： 所謂的朗伯余弦定律，就是黑體在任意方向上的輻射強(qiáng)度與觀測方向相對于輻射表面法線夾角的余弦成正比： Iθ = Iocosθ （ 23） 此定律表明，黑體在輻射表面法線方向的輻射最強(qiáng)。因此，實際做紅外檢測時，應(yīng)盡可能選擇在被測表面法線方向最大值的 cosθ 倍。 （ 4）、基爾霍夫（ Kirchhoff）輻射 定律與 發(fā)射率 ： 實驗表明，實際物體的輻射度除了依賴于溫度和波長外，還與夠成該物體的材料性質(zhì)及表面狀態(tài)等因素有關(guān)。這里，我們引入一個隨材料性質(zhì)及表面狀態(tài)變化的輻射系數(shù)，即可把黑體的基本定律應(yīng)用于實際物體的紅外溫度測量。而這個輻射系數(shù)就是常說的發(fā)射率，或稱之為比輻射率，其定義為實際物體與同溫度黑體輻射性能之比。 該系數(shù)表示實際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，其值 在大于 0 和小于 1 的數(shù)值 區(qū)間中 。根據(jù)輻射定律，只要知道了材料的發(fā)射率，就知道了任何物體的紅外輻射特性。影響發(fā)射率的主要因 素有 ：材料種類、表面粗糙度、理化結(jié) 構(gòu)和材料厚度等。 因此利用在相同溫度下實際物體與黑體的輻射出度之比來表示該物體的一種特性，可以稱之為實際物體的發(fā)射率，也叫做全發(fā)射率，用 ε表示。 數(shù)學(xué)表示為： ε = M / Mo （ 24） 式中： M 為實際物體的輻射出度， Mo 為相同條件下黑體的輻射出度。 基爾霍夫定律揭示了熱平衡下物體的輻射與吸收的關(guān)系，指出了一個好的吸收體也是一個好的輻射體?？梢杂靡韵鹿奖磉_(dá)： ε = α （ 25） 由此可以看出，任何處于 熱平衡下物體的吸收率等于發(fā)射率，即物體的輻射本領(lǐng)越大其吸收本領(lǐng)也越大。 而為了減少測量物體溫度的誤差，我們要去除環(huán)境溫度因素的影響，所以修正的紅外輻射定律如下： E = σε（ TO4 TA4） （ 26） 式中： E 為輻射出射度數(shù)， 單位 W/m3； σ 為斯蒂芬 — 波爾茲曼常數(shù)， 108W/(m2 K4)； ε 為物體的輻射率； TO 為物體的溫度，單位 K； TA 為物體周圍的環(huán)境溫度，單位 K；只要測量出所發(fā)射的 E 的值，就可計算出對應(yīng) 的溫度。 利用這個原理制成的溫度測量儀器叫紅外測溫儀。這種測量不需要與被測對象接觸，因此屬于非接觸式測溫。在不同的溫度范圍，對象發(fā)出的電磁波能量的波長分布不同，在常溫（ 0~100176。C ）范圍，能量主要集中在中紅外和遠(yuǎn)紅外波長。用于不同溫度范圍和用于不 同測量對象的儀器，其具體的設(shè)計也不同。根據(jù)式（ 26）的原理，儀器所測得的紅外輻射為： E = Aσε1ε2（ TO 4 –TA 4） （ 27） 式中： A 為光學(xué)常數(shù)，與儀器的具體設(shè)計結(jié)構(gòu)有關(guān)； ε1 為被測對象的輻射率； ε2 為 紅外溫度計的輻射率； TO 為被測對象的溫度（ K）； TA 為紅外溫度計的溫度（ K）；它由一個內(nèi)置的溫度檢測元件測出。所有的物體，包括人體各部位的表面，其 ε 值都是某個大于 0并小于 的數(shù)值。 其中 紅外測溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學(xué)零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測器上并轉(zhuǎn) 變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號。該信號經(jīng)過放大器和信號處理電路，并按照儀器 相關(guān) 的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標(biāo)的溫度值。當(dāng)用紅外輻射測溫儀測量 目標(biāo)的溫度時首先要測量出目標(biāo)在其波段范圍內(nèi)的紅外輻射量，然后由測溫儀計算出被測目標(biāo)的溫度。單色測溫儀與波段內(nèi)的輻射量成比例；雙色測溫儀與兩個波段的輻射量之比成比例 。 紅外 測溫傳感器的一般結(jié)構(gòu)及測溫的特點 某些晶體材料，當(dāng)其受熱時溫度升高，在晶體兩端產(chǎn)生數(shù)量相等符號相反的電荷；晶體冷卻，產(chǎn)生的電荷符號 則 與溫度升高時相反 。 這種由于熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象稱作熱釋電效應(yīng) 。 紅外感應(yīng)源通常采用熱 電堆 元件，這種元件在接收到人體紅外輻射時，由于自身溫度變化，導(dǎo)致產(chǎn)生電荷 或電勢差 ，再利用一定