1整體系統(tǒng)構(gòu)架

紅外熱釋電效應(yīng)測溫儀的整體系統(tǒng)構(gòu)架功能模塊框圖如圖1所示。

1.1光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

光學(xué)系統(tǒng)由菲涅爾光學(xué)透鏡和濾光片組成。將該光學(xué)透鏡置于紅外熱釋電傳感器上。光電轉(zhuǎn)換器件采用TS-1NMB。其外部構(gòu)造如圖2所示。由圖2可知,TS-1NMB有4個外部引腳:1腳是熱電堆的負端輸出;2腳是熱電堆的正端輸出;3腳是冷端補償電阻的輸出端;4腳是外殼地。在25℃的實驗室環(huán)境下該傳感器對于700 K的黑體輸出達到最大電動勢200 mV。但是對于人體溫度感應(yīng),其輸出電動勢只有大約0·1 mV左右,因此必須對輸出電壓進行直流放大,才能用A/D轉(zhuǎn)換器進行信號采集。TS-1NMB頂部有一個小窗,窗頂集成有一片紅外濾光片,因此濾光片不必再自行設(shè)計了。

1.2電路設(shè)計

對傳感器輸出的信號進行放大,使用TI公司生產(chǎn)的TLC4502ID運放芯片。TLC4502是利用1μm 5 V數(shù)字CMOS技術(shù)制造的高性能自校準(zhǔn)雙運算放大器,具有非常高的直流增益以及良好的電源抑制比和共模抑制比。使用TLC4502ID設(shè)計的放大電路與TS-1NMB的接線如圖3所示。

圖3中用TLC4502ID內(nèi)部的2個運放構(gòu)成雙級直流放大電路,TLC4502的開環(huán)增益很高,該雙級放大器可調(diào)節(jié)最大電壓增益可達40 000倍,完全滿足TS-1NMB輸出信號的放大要求。另外,通過調(diào)節(jié)R7分壓,可以調(diào)節(jié)A/D測量TS-1NMB中冷端補償電阻的輸出電壓,通過換算,可以得到當(dāng)前冷端溫度。

A/D轉(zhuǎn)換器采用24位帶放大濾波器的AD7710。將TLC4502ID輸出的電壓信號接至AD7710的兩個模擬輸入端口,數(shù)字量輸出可由單片機從AD7710芯片的串行數(shù)字接口讀取。

單片機控制系統(tǒng)主要由AT89S51、X5045、液晶顯示器接口、報警電路、定位LED等構(gòu)成。X5045把4種常用功能:上電復(fù)位、看門狗定時器、電源電壓監(jiān)控和塊鎖保護的串行EEPROM存儲器組成在一個封裝內(nèi)。單片機讀取AD7710的數(shù)字信號后,通過內(nèi)部程序處理,將結(jié)果顯示在液晶屏幕上,同時存儲到X5045的EEPROM里面。如果達到報警門限,則驅(qū)動報警電路,其電路如圖4所示。

1.3軟件設(shè)計

1.3.1軟件冷端補償

本文紅外熱電堆冷端溫度補償采用軟件補償法。圖5是紅外熱釋電傳感器的熱電堆電壓輸出曲線。由圖5可以得知,目標(biāo)溫度在變化范圍很小的情況下(人體溫度測量溫度變化范圍為35~42℃。)可以將曲線近似的看成線性的。對于用作冷端補償?shù)臒崦綦娮璧碾妷狠敵霾捎镁€性插值算法。因此可以假設(shè)如下2個一次二元函數(shù):U0= f1(T0,Te)(1)Ue= f2(Te)(2)式中:Uo為傳感器熱電堆的輸出電壓;To為被測目標(biāo)的實際溫度;Te為環(huán)境溫度(冷端溫度);Ue為熱敏電阻輸出電壓。將這2個函數(shù)擬合得到一個新的一次二元函數(shù):To=f3(U0,Ue)。

根據(jù)函數(shù)計算出被測目標(biāo)的溫度To。因為這是一個當(dāng)前未知的一次二元函數(shù),函數(shù)的3個參數(shù)是需要通過大量的實驗和計算確定下來的。分別是Uo的系數(shù)、Ue的系數(shù)和常數(shù)項。至少需要一組同一環(huán)境溫度下的不同溫度的人體(或紅外發(fā)射率與人體接近的物體)的電壓測量值和一組不同環(huán)境溫度下同一溫度人體(或紅外發(fā)射率與人體接近的物體)的電壓測量值。需要更低的相對誤差,可采用二次函數(shù)來近似溫度-電壓曲線。

1.3.2單片機程序

測溫進程是編程重點,讀取AD7710中的2個通道的電壓轉(zhuǎn)換值。電壓分別表示被測人的溫度和當(dāng)前冷端溫度2個信息。單片機程序用C51語言編寫,整體流程如圖6。

1.3.3主機程序

主機程序用Visual Basic 6.0編寫,其主要作用是和測溫儀進行串行通信,并對測溫儀存儲的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,繪制出所有被測人群的體溫分布情況,高溫比率,低溫比率等。其在Microsoft Windows XP下的界面如圖7所示。

這是將非正常體溫設(shè)置在38℃(微熱)以上時的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。其中“導(dǎo)入數(shù)據(jù)”按鈕是讓主機與測溫儀通信,讀取測溫儀EEPROM里面保存的所有數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)包括測量過程中的環(huán)境(冷端)最高溫度和最低溫度、所有被測人的體溫等。主機程序?qū)@些數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的分析操作,計算出各種所需的統(tǒng)計數(shù)據(jù),如非正常體溫比率、平均體溫。然后根據(jù)每個被測人的體溫繪制出體溫分布圖?！氨４鏀?shù)據(jù)”是將所有測量數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)保存成文本報表的形式“保存圖形”是將繪制出的圖形以位圖格式進行保存。

2測試數(shù)據(jù)及分析

要能提供醫(yī)學(xué)上有用的信息,熱像圖裝置的分辨率必須在0.1左右，測量穩(wěn)定性的數(shù)量級在1/10~3/10℃。在紅外測溫儀開發(fā)完成后,對其進行了許多測試,以檢驗其精度、誤差、測量距離等性能。

根據(jù)測試結(jié)果,該紅外測溫儀對人體的溫度測量的誤差低于±0.1℃,而對水溫的測量誤差則相對較大。這是由于本測溫儀是根據(jù)人體體溫進行調(diào)整和修正的,同溫度的水和人體換算成的同等發(fā)射本領(lǐng)的黑體溫度(紅外輻射發(fā)射率)是不相等的,而且用于測試的水銀溫度計和水銀體溫計本身的絕對誤差和精度也是不一樣的。實測表明,人體距離越近時越能充滿測溫儀的視場,測量的相對誤差就較小。超出50 cm時人體在測溫儀的視場中占的面積過小,就很難進行溫度測量了。