ZTPl35S-R型傳感器在體溫計中的應用

1 引言

現在，人們對自己的身體健康狀況十分關注．都希望自己有一個好的身體。體溫是人體的重要生理參數之一，對它的監測十分重要。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。目前國內開發的紅外體溫計主要有華中科技大學研制的“慧眼：HW一05”人體溫度紅外熱圖像儀．其分辨率高達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合華技術應用開發中心開發的LHW—I型紅外線測溫儀。國外產品有德國博郎集團開發的只需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型非接觸式醫用紅外線體溫計（精度為±tO.2℃，其主要器件是紅外溫度傳感器。本文給出了應用GE公司的ZTP135S—R型紅外溫度傳感器進行的體溫計設計。

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的電磁波。其輻射能量密度與物體本身的溫度關系符合普朗克（Plank）定律。紅外測溫的原理是一樣的，都是根據普朗克原理。一般理解紅外測量的是物體的溫度．其實測的是目標物與傳感器或者說是物體與環境溫度之間的差值。物體輻射能量的大小直接與該物體的溫度有關．具體地說，是與該物體熱力學溫度的4次方成正比。用公式可表達為：

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，5．67x10-8W／（m2·K4）；
δ是物體的輻射率：
T是物體的溫度（K）；
To是物體周圍的環境溫度（K）。

人體主要輻射波長為9 μm—10 μm的紅外線．通過對人體自身輻射紅外能量的測量便能準確地測定人體表面溫度。由于該波長范圍內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，測量目標物與傳感器或者物體與環境溫度之間的差值。熱電偶的原理是二種不同的金屬A和B構成一個閉合回路，當二個接觸端溫度不同時（T>To），回路中產生熱電勢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，其主要參數如下：

芯片尺寸大小：1．8 mmxl．8 mm；
光孔大小：1．4 mm x 1．4 mm；
電偶數：60對：
作用面積：O．7 mmx0．7 ram；
內阻：60 kn±30％；
電阻溫度系數：<0．12％/℃；
敏感度：65 V／W±30％；
噪聲電壓：32 nVrms（典型值）；
探測靈敏度：1．4E08 emHz（1/2）W（典型值）；
時間系數：25 ms（典型值）；
電熱堆作溫度補償：R=100 kΩ，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。這種結構設計具有較小的熱慣性和較高的靈敏度。傳感器采用負溫度系數電熱調節器進行環境溫度補償。

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





4 紅外傳感器的應用

本設計采用AVR單片機進行數字信號處理，它與z1"P135S—R相連，對其采集到的溫度電信號進行處理．再經過濾波和放大，把溫度的標準電信號提取出來進行MD轉換，最終在液晶顯示器（LMD）上顯示出來。LCD的8條數據線接．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，環境溫度補償信號接單片機的PAI口。其中還設計了二個按鈕（keyl，key2），keyl為系統控制開關，key2為復位開關。圖5示出megal6型單片機的外圍電路。




5 結束語

在溫度測量系統中，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確度．需要根據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，所以對環境的要求特別高，采用熱電偶的測量原理，對環境溫度進行補償，從而獲得準確的測量效果。本設計采用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，不會對人體產生輻射傷害。