【正文】 紅外測溫技術(shù)設(shè)計方案第一章 緒論 課題研究的目的和意義隨著科技的快速發(fā)展和醫(yī)療技術(shù)的需要，測溫技術(shù)也在不斷地提高和改進。眾所周知，體溫是一個重要的人體生理參數(shù)，不僅是人體生命活動的基本特征，而且也是觀測人體機能是否正常運行的重要指標之一。如果能及時知道一個人的體溫，也許就能知道這個人的生理參數(shù)是否正常運行。所以，體溫計無論是日常生活還是臨床醫(yī)療，都是必不可少的測量器具。傳統(tǒng)的體溫計主要是水銀式體溫計，通過儲存在水銀球內(nèi)的水銀受熱膨脹，然后讀取刻度值來判斷溫度的高低。但是這種溫度計測量時間長、準確度低，在遇熱或者放置不當時，容易破裂使水銀泄露，造成人體接觸中毒、污染環(huán)境。面對這種傳統(tǒng)體溫計的不利因素，不僅給人們傳達錯誤的信息，而且還有害健康。因此，需要研究出一種新型的測溫技術(shù)，改變傳統(tǒng)體溫計的測溫方法，不僅能夠方便、快捷、準確的測出人體的溫度，而且對人體和環(huán)境沒有傷害。利用高科技和不懈的努力，人們終于研究設(shè)計出一種新型的測溫儀——紅外線測溫儀。這種新型的測溫儀是利用人體發(fā)出特定波段的紅外線來測量人體的溫度，采用高精度的紅外溫度傳感器，能夠快速準確的測出人體的平均溫度，從而解決了傳統(tǒng)體溫計的弊端，使測溫技術(shù)更高效、更快捷。紅外測溫技術(shù)不僅可以對個人實現(xiàn)快速、準確的測溫，而且可以在大規(guī)模的檢疫站，大流量的人群實現(xiàn)快速測量。不僅節(jié)省了時間，也給人們帶來了方便?，F(xiàn)在，紅外測溫儀已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于各個領(lǐng)域，也發(fā)揮著越來越大的作用。 紅外測溫技術(shù)的發(fā)展概況 紅外線的最早研究是在1800年開始的，首先是英國物理學(xué)家FW赫胥爾從熱的角度來研究各種色光時，發(fā)現(xiàn)了紅外線。自從赫胥爾發(fā)現(xiàn)紅外線至今，紅外線技術(shù)的發(fā)展歷經(jīng)了近兩個世紀，從那時起，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)。當時，德國研制出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)，例如高射炮用導(dǎo)航儀、海岸用船舶偵察儀、船舶探測和跟蹤系統(tǒng)、機載轟炸機探測儀和火控系統(tǒng)等等。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。然而，我國的紅外線技術(shù)的研究工作是在新中國成立后才開展的。首先研究的是波段工作在13um的硫化鉛紅外探測器，數(shù)年之后又相繼研究鈦酸鉛等熱電探測器，并得到了一定的應(yīng)用。改革開放以來，紅外技術(shù)的研究得到了迅速的發(fā)展，開展了從單元、線列到紅外線平面的探測器研究工作。上世紀90年代中期，我國研制出第一臺熱像儀，其技術(shù)性能與國外水平相當，為我國紅外技術(shù)的升級換代起到了重要的作用。目前我國研制出的熱像儀，可以滿足軍隊武器系統(tǒng)的各種性能需要。另外，在民用領(lǐng)域各種紅外測溫儀、紅外熱像儀、星載紅外遙感儀等，也逐漸研制成功，逐漸發(fā)展成熟，在日常生活中得到了充分的應(yīng)用。在實現(xiàn)遠距離溫度監(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),一些需要對溫度進行遠距離監(jiān)測的地方，都離不開溫度傳感器，既實現(xiàn)了遠距離監(jiān)測，也可以及時的進行調(diào)控。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)食物溫度的監(jiān)測和控制，鑒于這種優(yōu)點，紅外溫度傳感器在食品加工方面別受歡迎。在醫(yī)療方面，紅外測溫技術(shù)主要應(yīng)用于人體溫度的測量，對人體機能是否正常運行實時監(jiān)控。隨著紅外測溫技術(shù)的發(fā)展和應(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、維護簡單等優(yōu)點，因此，應(yīng)用普遍而且易被接受。隨著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。例如在食品烘烤機、理發(fā)吹風(fēng)機上，都有紅外溫度傳感器，用來檢測溫度是否過熱，以便決定下一步該怎么操作，是停止加熱將食物從烘烤機中取出，或是使吹風(fēng)機冷卻等?，F(xiàn)在紅外測溫技術(shù)已經(jīng)被人們普遍應(yīng)用，其中紅外測溫儀是紅外技術(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平均溫度。這種測溫儀采用的是高精度的紅外溫度傳感器和微電子技術(shù)，它能夠快速、準確、方便的測出人體的平均溫度，不僅方便、快捷，而且解決了傳統(tǒng)體溫計易碎和水銀污染等問題。同時，給醫(yī)療方面也帶來了很大的方便。第二章 紅外測溫儀的測溫原理 紅外測溫的基礎(chǔ)理論在自然界中，所有溫度高于絕對零度（℃）的物體，由于自身分子的熱運動，都在不停的向周圍空間輻射包括紅外波段在內(nèi)的電磁波，而且通過一定的設(shè)備室可以檢測到這些不同波段的電磁波的。不同波段的電磁波，它的能量也是不同的。物體的紅外輻射能量大小和波長的分布與它表面的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線能量的測量，就可以準確的測出物體表面的溫度。這也就是我們所說的紅外測溫理論的依據(jù)基礎(chǔ)。紅外線是電磁波譜中的一部分，而且這一波段正好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，物體的輻射強度與溫度及表面輻射能力有關(guān)，輻射的電磁波與物體溫度密切相關(guān)。在電磁波波譜中，~，~600181。m波段的電磁波稱為紅外波段。近年來，紅外線技術(shù)已經(jīng)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、加工、軍事、醫(yī)療、美容等領(lǐng)域。波長10km~10000km1mm~1km1um~1mm1nm~1um~1nm名稱聲波無線電波紅外線可見光紫外線X射線 電磁波波譜圖輻射的光譜分布規(guī)律——普朗克輻射定律： 一個絕對溫度為T（K）的黑體，單位面積表面在波長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/λT1) (21) 式中CC2分別為第一、第二輻射常數(shù)。普朗克輻射定律是所有單位計算紅外輻射的基礎(chǔ)。 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/m2K4，為Stefan—Boltzmann常數(shù)，ε為材料表面發(fā)射率。此定律表明：凡是溫度高于開氏零度的物體都會自發(fā)的向外發(fā)射紅外熱輻射，同時黑體單位面積發(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，只要能夠探測到黑體單位表面積發(fā)射的總輻射功率，就可以確定該黑體的溫度。 輻射的空間分布規(guī)律—朗伯余弦定律：所謂的郎波余弦定律，就是黑體在任何方向上的輻射強度與觀測方向相對于輻射表面法線夾角的余弦成正比： Iθ=C0cosθ （23）此定律表明：黑體在輻射表面法線方向的輻射最強。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。 基爾霍夫輻射定律與發(fā)射定律： 實驗證明，物體的輻射度除了依賴于溫度和波長外，還與該物體的材料性質(zhì)及表面狀態(tài)等因素有關(guān)。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。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，利用在同溫度下實際物體與黑體的輻射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，也叫全發(fā)射率，用ε表示。數(shù)學(xué)表示為 ε=M/M0 (24)式中：M為實際物體的輻射度，Mo為相同條件下黑體的輻射度?；鶢柣舴蚨山沂玖藷崞胶庀挛矬w的輻射與吸收的關(guān)系，指出一個好的吸收體也是一個好的輻射體?？梢杂靡韵鹿奖磉_： ε=α （25）由此可看出，任何處于熱平衡下的物體吸收率等于發(fā)射率，即物體的吸收本領(lǐng)越大發(fā)射本領(lǐng)也就越大。為了減少測量物體的溫度誤差，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（T04TA4） （26）式中：E為輻射出射度數(shù)，單位W/m；σ為斯蒂芬—波爾茲曼常數(shù)，108W/(m2K4)；ε為物體的輻射率；T0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。利用這個原理我們可以制成紅外測溫儀。這種測量技術(shù)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（0~100℃）范圍，能量主要集中在中紅外和遠紅外波長。用于不同溫度范圍和不同測量對象的測溫儀器，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（TO4TA4） （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而且小于1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)的目標紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學(xué)元件及其位置確定。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)過放大電路和信號處理電路，按照儀器相關(guān)的算法和目標發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標的溫度值。當用紅外輻射測溫儀測量目標的溫度時，首先要測量出目標在其波段范圍內(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。 紅外測溫傳感器的測溫特點某些晶體材料，當其受熱時溫度升高，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，產(chǎn)生電荷或電勢差，再利用一定的電路將該電信號進行放大處理就可以得出要測量物體的溫度值。其中溫差電堆由若干熱電偶串聯(lián)組成，熱電偶傳感器測定溫度與輸出電壓的關(guān)系的測溫點在接收到紅外輻射能量后溫