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1、2020/9/15,1,人体温度的红外测量,导师: 李蓓郭从良 答辩人: 李东风,2020/9/15,2,致谢,本课题是在导师李蓓老师、郭从良老师的悉心指导下完成的，在课题的进展过程中，她们倾注了大量心血，她们兢兢业业的工作作风、科学严谨的治学态度和宽以待人的优秀品质给我留下了非常深刻的印象。在本课题的研究中,我学到了很多东西,取得了很大的进步.这与郭老师在生活上、工作上和学习上给予我的关心和帮助是分不开的。在此我深表谢意。 同时我还要特别感谢万民师兄和庞健、李天睿、许东星等同学，他们在整个课题当中给予我无私的帮助和热心的支持.,2020/9/15,3,本文主要从五个方面进行阐述： 一：红外理
2、论基础 二：系统总体设计方案 三：硬件设计 四：软件设计 五：误差分析,2020/9/15,4,第一章 绪论,1.1辐射测温综述 红外辐射俗称红外线，是一种人眼看不见的光线。任何物体，当其温度高于绝对零度(-273.15 度)时都将有能量向外辐射。物体的温度愈高，则辐射到周围空间的能量愈多，辐射能以波动的方式传递其中包括的波长范围很广。人们主要研究能被物体吸收的、并能重新转变为热能的波长0.8-40m的红外线。这种射线又称为热射线，其传递过程称为辐射或红外辐射.,2020/9/15,5,辐射测温的发展历史及现状,自1800年Herschel发现红外辐射以来，辐射测温学己有将近200年的发展历史
3、。在19世纪各国科学家主要致力于发现各种热辐射定律，20世纪则主要着重于应用。本世纪60年代之前，辐射测温主要用于高温范围(800以上)，但随着红外技术的发展，它已逐步扩展到中温、常温甚至低温范围。辐射测温技术的另一个重要发展趋势是动态与快速测量。毫秒级、亚微秒级甚至微秒级辐射温度计的相继问世，标志着这种技术进入了一个崭新的阶段。在这方面，计算机技术的广泛应用做出了重要的贡献.,2020/9/15,6,1.2 本课题研究的目的及意义,红外辐射测温技术在工业生产、科学研究等方面有着重要的意义。低温目标的温度及红外辐射特性的计量测试技术在国防、军事等领域也越来越受到重视。 现有的人体温度的测量方法
4、多为用水银温度计,在占大部分人口的农村更是这样.从2003年闹非典开始,在一些大城市逐渐开始使用红外探测器进行人体温度的测量,红外温度计响应时间快,测量精度高,数字显示的方法也改掉了以往人眼观察误差较大的缺点.,2020/9/15,7,但现在使用的红外温度计价格多偏高,不利于推广使用. 本课题通过对低温目标温度测量的理论与实验研究，设计和制造了人体辐射的红外测量系统，该测量系统的主要特点是测温精度高、响应时间快和成本低，从而可以大大提高该类型的测温装置的普及。,2020/9/15,8,第2章 温度计的总体方案设计,2020/9/15,9,2.1红外辐射测温原理,红外辐射测温技术是以普朗克定律,
5、维恩位移定律和斯蒂芬玻尔兹曼定律为理论基础，根据所有温度大于绝对零度的物体都向外以电磁波形式发射热辐射与物体的表面温度成一定的函数关系来实现目标温度测量的非接触测温方法。物体的温度越高，所发出的红外辐射能量越强。红外探测器经汇聚的红外光照射后产生信号，该信号传到处理电路，处理电路对其进行处理并计算出物体的温度。该红外辐射温度计是以斯蒂芬玻尔兹曼定律为理论基础而设计的,2020/9/15,10,2.2 人体温度红外探测器系统构成,人体温度红外探测器主要是由红外探测器、采样系统和处理电路三部分构成。其系统构成如图2-1所示,2020/9/15,11,图2-1 人体温度红外探测器的系统构成,2020
6、/9/15,12,仪器的工作原理:目标辐射能被探测器接收后，再经过前置放大后送AD574A进行模数转换成数字信号后送89C51单片机，经过单片机数据处理后变成目标的真实温度，送数码管显示,2020/9/15,13,作为辐射温度计的探测元件,可分为两大类型,第一是光电型,第二是热敏型.人体可辐射出中心波长为9-10m的红外线. 因此,只要对这种波长9-10m敏感的传感器,均可作为检测人体用的红外传感器.本课题选用的是TPS334温差电堆传感器.,2020/9/15,14,2.3 本章小结,本课题采用全辐射测温的方法，利用热电堆吸收7-14m波长段的红外光并转换成电信号，经过模数转换送单片机处理，
7、再经数据处理得到目标温度。本课题所研究的红外辐射温度计具有如下的优点: 不必接触被测人体，操作方便;响应时间短,测量精度高.,2020/9/15,15,第三章 系统硬件设计,2020/9/15,16,3.1 TPS334简介,图3-1 TPS334外形图,2020/9/15,17,测辐射热电偶是利用温差电效应制成的红外探测器。当把两种具有不同温差电动势率的金属丝或半导体细丝连结成一封闭环时，若用红外辐射照射一个结点(暴露结)，它因吸收入射辐射而升温，于是，与另一结点(参考结)出现温差，在环内产生温差电功势。根据温差电动势的大小(取决于辐射引起的结点温差)则可测出红外辐射功率。TPS334就属于
8、温差电堆传感器.,2020/9/15,18,3.1.1 TPS334具体构造,TPS334主要由两部分所组成:红外感应部分和环境温度补偿部分,2020/9/15,19,图3-2 TPS334内部简示图,2020/9/15,20,1，3脚之间是红外温差热电堆相当于一个内阻是75K的电压源，2，4脚之间是一个热敏电阻。红外传感器主要由红外温差热电堆和热敏电阻组成，通过热电堆可以得到一个关于物体温度（ ）和环境温度（ ）的四次方差关系的电信号。某一温度 的物体的辐射能可由下式表达:,2020/9/15,21,为斯蒂芬-玻尔兹曼(Stefan-Boltzmann)常数, 是发散因数(emission
9、factor).在理想情况下的值为1(当物体为黑体时).在大部分情况下的取值范围为0.850.95.,2020/9/15,22,TPS334工作原理,TPS探测器的探头所能接收到的能量可表示为: (3-1) 为环境温度, 为物体实际的发散因数, 为空气的发散因数.,2020/9/15,23,图3-3 探头接收辐射示意图,2020/9/15,24,图3-4 数字电路系统框图 即将所红外探头测到的数值量化后都输入单片机进行处理,2020/9/15,25,3.2 前置放大电路和恒流源供电电路,3.2.1前置放大电路 TPS334的1，3脚是温差热电堆，由于信号很弱（nV级）所以采用精度较高的AD62
10、0进行差分放大。两个100pF电容为了削弱射频信号而加入的。输入端的0.33u和输出端的47的电容是为了滤波加入的。输出端的10k电阻是限流电阻。,2020/9/15,26,图3-5 1.3脚放大电路,2020/9/15,27,3.2.2恒流源供电电路,为了便于A/D转换器转换后通过单片机进行处理,采用对2.4脚热敏电阻进行电流供电. 2，4脚采用镜象电流源供电，在对HA17741进行调零后电压已经相当稳定，加入跟随器后，虽然有些衰减但已在单片机中加入补偿，也消去了A/D转换器因输入阻抗很小而产生分流的影响。,2020/9/15,28,图3-6 2，4脚热敏电阻的电流源供电电路及电压跟随器,2
11、020/9/15,29,3.3 显示电路,单片机输出串行信号到74LS164转换为并行输出后输入数码管显示。为了及时记录电压，还在74LS164的时钟信号上加入了开关进行锁存。多路开关，A/D转换和74LS164都由单片机控制,2020/9/15,30,图3-7 显示电路,2020/9/15,31,3.5模数转换电路,选用的AD转换器为AD574A,它是12位的,主要是因为要满足最小精度的要求. AD574A有两个量程的输入,010V,020V.因为探测器输出经过放大后的输出范围为-5V+5V,所以选择的输入量程为010V.,2020/9/15,32,图3-9 多路开关，A/D转换及单片机,2
12、020/9/15,33,3.6本章小结,在探测器的选用中我们采用了价格比较低的适合于中远红外线TPS334，它的工作波长是7-15m,人体辐射的中心波长9-10m,是适用的.前置放大电路中采用AD620放大器，它具有低失调、低温漂、高增益、共模抑制比高、电源电压抑制比高及直流特性接近于“理想”等特点，有效地对热电堆的微弱信号进行了放大。89C51单片机最小系统很好地完成了对信息的采样和处理，使精度达到预期1%误差的目的。采用AD574A芯片解决了模拟量向数字量转换的问题.采用数码管显示，降低了仪器的功耗。经调试证明，系统的硬件设计合理，功能完备，运行稳定、可靠。整个电路系统完成了预期的目标。,
13、2020/9/15,34,第四章 系统软件设计,2020/9/15,35,单片机主程序是由汇编语言编写的,软件部分要完成A/D采样、模拟开关控制、数据处理与显示等功能.主程序流程图如图4-1所示:,2020/9/15,36,图4-1 主程序流程图,2020/9/15,37,整个程序的工作过程是:仪表上电后程序先完成各功能模块的初始设置.仪器进入温度测量状态.程序先对环境温度信号通道采样,进行数据处理变成温度值,再对目标温度信号通道采样,进行数据处理后得到温度值,送数码管显示. 参数初始化模块的作用是对数码管,串行口进行设置.程序采用的是数码管显示.,2020/9/15,38,本课题的红外温度计
14、采用89C51最小系统为核心,它的软件设计全部使用汇编编程,有利于修改和调试.软件设计的突出特点是较好地解决了过去模拟电路实现的线性化处理和温度补偿问题.运用这些硬件、软件化手段,不但显著降低了成本,提高了精度.效果颇佳,2020/9/15,39,第五章 误差分析,2020/9/15,40,一个测量系统的误差按其性质分为系统误差和随机误差。随机误差是指服从大多数统计规律的误差。产生的原因为很多影响量的微小变化的总和，一般可用统计规律描述。在一个测量系统中，测量的准确度由系统误差来表征，系统误差越小，则表明测量准确度越高。在温度测量过程中，影响测量精度的主要因素有:电气系统;杂散辐射;辐射测温的
15、数据处理等。,2020/9/15,41,1.电气系统误差,电气部分的误差主要来源于红外热电堆探测器的噪声、前置放大器的噪声和漂移以及数据采集系统的A/D量化误差等。 (1)热电堆传感器的温度漂移 由热电堆传感器的性能可知，在从30-50的温度范围内，其系数、介电常数和损耗正切随温度增加很小，所以响应率与探测率基本上与温度无关。,2020/9/15,42,(2)噪声误差 噪声误差主要是由热电堆探测器噪声引起的。探测器噪声有以下五个噪声源组成:介质损耗引起的误差:探测器负载电阻引起的误差;放大器输入开路噪声:短路电压噪声;背景辐射与温度噪声。本课题设置和选用的前置放大器AD620,该放大器是采用C
16、MOS工艺的动态自动校零集成运算放大器，它具有低失调、低温漂、高增益、高共模抑制比、电源电压抑制比高及直流特性接近于“理想”等特点。高输入阻抗、噪声性能良好的前置放大器，对于整个测温装置的噪声起到良好的抑制作用，使误差小于系统的要求。,2020/9/15,43,(3)前置级放大电路 AD620是低电压低功耗仪表放大器，用电阻设置增益(1到1000倍),输入失调温漂(1uV/),即输出失调温漂为1mV/度. (4) A/D转换量化误差 A/D转换器采用AD574A,它是12位A/D转换器，其分辨率为1LSB,量化误差为,2020/9/15,44,经测试由红外热电堆探测器的噪声、前置放大器的噪声和漂移造成的误差小于0.1%， 由电气系统引起的误差合成后为：,2020/9/15,45,2 杂散辐射的影响,环境的杂散辐射的存在，使仪器总会受到非目标辐射的影响,本课题不做考虑.,2020/9/15,46,3 数据处理的误差,在数据处理过程中采用查表的方法进行温度测量,而表本身是建立在大量的数据测量基础之上的,换言之,是经验性的,所以
