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1、红外测温技术设计方案第一章绪论1.1课题研究的目的和意义随着科技的快速发展和医疗技术的需要，测温技术也在不断地提高和改进。 众所周知，体温是一个重要的人体生理参数，不仅是人体生命活动的基本特征, 而且也是观测人体机能是否正常运行的重要指标之一。如果能及时知道一个人 的体温，也许就能知道这个人的生理参数是否正常运行。所以，体温计无论是 日常生活还是临床医疗，都是必不可少的测量器具。传统的体温计主要是水银式体温计，通过储存在水银球内的水银受热膨胀， 然后读取刻度值来判断温度的高低。但是这种温度计测量时间长、准确度低， 在遇热或者放置不当时，容易破裂使水银泄露，造成人体接触中毒、污染环境。 面对这种
2、传统体温计的不利因素，不仅给人们传达错误的信息，而且还有害健 康。因此，需要研究出一种新型的测温技术，改变传统体温计的测温方法，不 仅能够方便、快捷、准确的测出人体的温度，而且对人体和环境没有伤害。利用高科技和不懈的努力，人们终于研究设计出一种新型的测温仪一一红 外线测温仪。这种新型的测温仪是利用人体发出特定波段的红外线来测量人体 的温度，采用高精度的红外温度传感器，能够快速准确的测出人体的平均温度, 从而解决了传统体温计的弊端，使测温技术更高效、更快捷。红外测温技术不仅可以对个人实现快速、准确的测温，而且可以在大规模 的检疫站，大流量的人群实现快速测量。不仅节省了时间，也给人们带来了方 便。
3、现在，红外测温仪已经被广泛的应用于各个领域，也发挥着越来越大的作 用。1.2红外测温技术的发展概况红外线的最早研究是在1800年开始的，首先是英国物理学家FW 赫胥 尔从热的角度来研究各种色光时，发现了红外线。自从赫胥尔发现红外线至今, 红外线技术的发展历经了近两个世纪，从那时起，红外辐射和红外元件、部件 的科学研究逐步发展，但发展比较缓慢，直到1940年前后才真正出现现代的红 外技术。当时，德国研制出硫化铅和几种红外透射材料，利用这些元、部件制 成一些军用红外系统，例如高射炮用导航仪、海岸用船舶侦察仪、船舶探测和 跟踪系统、机载轰炸机探测仪和火控系统等等。此后，美国、英国和前苏联等 国竞相发
4、展，特别是美国，大力研究红外技术在军事方面的应用。目前，美国 将红外技术应用于单兵装备、装甲车辆、航空和航天的侦察监视、预警、跟踪 以及武器制导等各个领域。半个世纪以来，随着光学技术和半导体技术的发展, 红外检测技术也日趋完善，其中红外测温技术也形成了完整的理论并成功地应 用于医学、农业和工业等领域。然而，我国的红外线技术的研究工作是在新中国成立后才开展的。首先研 究的是波段工作在1-3um的硫化铅红外探测器，数年之后又相继研究钛酸铅等 热电探测器，并得到了一定的应用。改革开放以来，红外技术的研究得到了迅 速的发展，开展了从单元、线列到红外线平面的探测器研究工作。上世纪90年 代中期，我国研制
5、出第一台热像仪，其技术性能与国外水平相当，为我国红外 技术的升级换代起到了重要的作用。目前我国研制出的热像仪，可以满足军队 武器系统的各种性能需要。另外，在民用领域各种红外测温仪、红外热像仪、 星载红外遥感仪等，也逐渐研制成功，逐渐发展成熟，在日常生活中得到了充 分的应用。在实现远距离温度监测与控制方面，红外温度传感器以其优异的性能，满 足了多方面的要求。在产品加工行业,一些需要对温度进行远距离监测的地方， 都离不开温度传感器，既实现了远距离监测，也可以及时的进行调控。在食品 行业，红外温度可以在不被污染的的情况下实现食物温度的监测和控制，鉴于 这种优点，红外温度传感器在食品加工方面别受欢迎。
6、在医疗方面，红外测温 技术主要应用于人体温度的测量，对人体机能是否正常运行实时监控。随着红外测温技术的发展和应用，一种新型的红外技术 智能数字红外 传感技术正在悄然兴起。这种智能传感器内置微处理器，能够实现传感器与控 制单元的双向通信，具有小型化、数字通信、维护简单等优点，因此，应用普 遍而且易被接受。随着红外传感器的体积越来越小、价格逐渐降低，在食品、 采暖空调和汽车等领域也有了新的应用。例如在食品烘烤机、理发吹风机上， 都有红外温度传感器，用来检测温度是否过热，以便决定下一步该怎么操作， 是停止加热将食物从烘烤机中取出，或是使吹风机冷却等。现在红外测温技术 已经被人们普遍应用，其中红外测温
7、仪是红外技术的一个重要应用，它是利用 人体发出的红外线来测量出人体的平均温度。这种测温仪采用的是高精度的红 外温度传感器和微电子技术，它能够快速、准确、方便的测出人体的平均温度, 不仅方便、快捷，而且解决了传统体温计易碎和水银污染等问题。同时，给医 疗方面也带来了很大的方便。第二章红外测温仪的测温原理2.1红外测温的基础理论在自然界中，所有温度高于绝对零度（-273.15*）的物体，由于自身分子 的热运动，都在不停的向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波，而且通过 一定的设备室可以检测到这些不同波段的电磁波的。不同波段的电磁波，它的 能量也是不同的。物体的红外辐射能量大小和波长的分布与它表面的
8、温度有着 十分密切的关系，因此，通过对物体自身辐射的红外线能量的测量，就可以准 确的测出物体表面的温度。这也就是我们所说的红外测温理论的依据基础。红外线是电磁波谱中的一部分，而且这一波段正好位于可见光和微波之间。 根据普朗克辐射定律：凡是绝对温度大于零度的物体都会向外辐射电磁波，物 体的辐射强度与温度及表面辐射能力有关，辐射的电磁波与物体温度密切相关。 在电磁波波谱中，我们通常把人眼可以直接感知的0.4 0.76卩m波段的电 磁波称为可见光波段，把波长在0.76 600卩m波段的电磁波称为红外波段。 近年来，红外线技术已经成为一门发展迅速的新兴学科，它已经广泛应用于生 产、科研、加工、军事、医
9、疗、美容等领域。波长10km10000km1mm1km1um1mm1nm1um0.1nmlnmO.lnm以后名称声波无线电波红外线可见光紫外线X射线2.1电磁波波谱图1、辐射的光谱分布规律普朗克辐射定律：一个绝对温度为T (K)的黑体，单位面积表面在波长入附近单位波长间隔 内向整个半球空间发射的辐射功率(简称为光谱辐射度)M入，T与波长入、温 度T满足下列关系：M =C (ec2T1)(21)丸，T 1式中c、C分别为第一、第二辐射常数。普朗克辐射定律是所有单位计算1 2红外辐射的基础。2、斯忒藩(德)一波尔兹曼(奥)(Stefan一Boltzmann)定律：物体的总辐射率，即单位面积发射总功
10、率与黑体温度的四次方及材料表面 的发射率成正比。其数学表示如下：W=oT4(22)其中，o=5.67X 108w/m2K4，为 Stefan一Boltzmann 常数， 为材料表面 发射率。此定律表明：凡是温度高于开氏零度的物体都会自发的向外发射红外 热辐射，同时黑体单位面积发射的总辐射功率与开氏温度的四次方成正比。而 且，只要温度有较小变化时，都会使物体发射的辐射功率发生很大的变化。因 此，只要能够探测到黑体单位表面积发射的总辐射功率，就可以确定该黑体的 温度。3、辐射的空间分布规律一朗伯余弦定律：所谓的郎波余弦定律，就是黑体在任何方向上的辐射强度与观测方向相对 于辐射表面法线夹角的余弦成正
11、比：I = Ccos9(23)0 0此定律表明：黑体在辐射表面法线方向的辐射最强。因此，实际做红外检 测时应尽可能选择在被测表面法线方向最大值的COS0倍。4、基尔霍夫辐射定律与发射定律： 实验证明，物体的辐射度除了依赖于温度和波长外，还与该物体的材料性 质及表面状态等因素有关。我们引入一个随材料性质及表面状态变化的辐射系 数，即可把黑体的基本定律应用于实际物体的红外温度测量。而这个辐射系数 就是常说的发射率，或称之为比辐射率，其定义为实际物体与同温度黑体辐射 性能之比。该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度，其值在大于0 和小于1的数值区间。根据辐射定律，只要知道了材料的发射率，就知
12、道了任 何物体的红外辐射特性。影响发射率的主要因素有：材料种类、表面粗糙度、 理化结构和材料厚度等。因此，利用在同温度下实际物体与黑体的辐射度之比来表示该物体的一种特性，可以称之为实际物体的发射率，也叫全发射率，用表示。数学表示为=M/M(2-4)0式中：M为实际物体的辐射度，Mo为相同条件下黑体的辐射度。基尔霍夫定律揭示了热平衡下物体的辐射与吸收的关系，指出一个好的吸 收体也是一个好的辐射体。可以用以下公式表达：=a(2-5)由此可看出，任何处于热平衡下的物体吸收率等于发射率，即物体的吸收 本领越大发射本领也就越大。为了减少测量物体的温度误差，去除环境温度因素的影响，所以修正的红 外辐射定律
13、如下：E=O(T4-T4)(2-6)0 A式中：E为辐射出射度数，单位W/m；。为斯蒂芬一波尔兹曼常数， 5.67X10-8W/(m2 K4)； 为物体的辐射率；T为物体的温度，单位K； T为物体0A周围的环境温度，单位K；只要测量出所发射的E的值，就可计算出对应的温度。利用这个原理我们可以制成红外测温仪。这种测量技术不需要与被测对象 接触，因此属于非接触式测温。在不同的温度范围，对象发出的电磁波能量的 波长分布不同，在常温(0100C )范围，能量主要集中在中红外和远红外波长。用于不同温度范围和不同测量对象的测温仪器，其具体的设计也不同。根据式 (2-6)的原理，仪器所测得的红外辐射为：E二
14、Ao 1 2(T4-T4)(2-7)O A式中：A为光学常数，与仪器的具体设计结构有关；为被测对象的辐射 1率；为红外温度计的辐射率；T为被测对象的温度(K)； T为红外温度计的 2OA温度(K)；它由一个内置的温度检测元件测出。所有的物体，包括人体各部位 的表面，其值都是某个大于0而且小于1的数值。其中红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示 输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由 测温仪的光学元件及其位置确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应 的电信号。该信号经过放大电路和信号处理电路，按照仪器相关的算法和目标 发射率校正后转变为被测
15、目标的温度值。当用红外辐射测温仪测量目标的温度 时，首先要测量出目标在其波段范围内的红外辐射量，然后由测温仪计算出被 测目标的温度。单色测温仪与波段内的辐射量成比例；双色测温仪与两个波段 的辐射量之比成比例。2.2红外测温传感器的测温特点某些晶体材料，当其受热时温度升高，在晶体两端产生数量相等符号相反 的电荷；晶体冷却，产生的电荷符号则与温度升高时相反。这种由于热变化产 生的电极化现象称作热释电效应。红外感应源通常采用热电堆元件，这种元件 在接收到人体红外辐射时，由于自身温度变化，产生电荷或电势差，再利用一 定的电路将该电信号进行放大处理就可以得出要测量物体的温度值。其中温差电堆由若干热电偶串联组成，热电偶传感器测定温度与输出电压 的关系的测温点在接收到红外辐射能量后温度升高，因为“塞贝克效应”而产 生热电动势，其输出电压和测定点的温度近似成正比例关系，这是红外温度传 感器测量体温所依据的基础。同时为减少太阳光等可见光对传感器的影响，在传感器的前面要加上滤光 片，只让红外光通过。滤光片的波长可通过下式计算：入=2898/T。式中：入(卩m) 是波长，T(K)是绝对温度。人体的正常温度取为37。6则T =310K；入=9.35卩m。 通常选用波长为6 14卩m的光学滤光片，其带通特性有利于温度的测量。(1) 远距离和非接触测量：红外测温不需要与被测物体接触，可远距离测 量，
