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ZTPl35S―R型傳感器在體溫計(jì)中的應(yīng)用

作者: 時(shí)間:2006-12-06 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

摘 要:紅外采用紅外溫度測量體溫,利用GE公司的zTP135S―R型紅外熱電堆溫度實(shí)現(xiàn)對溫度信號的非接觸測量。詳細(xì)介紹了ZTP135S―R型的工作原理和性能。它與自帶ADC的megal6型8位單片機(jī)相連,共同實(shí)現(xiàn)的功能。
關(guān)鍵詞:熱電堆溫度傳感器;―R;AVR單片機(jī);體溫;

1 引言
現(xiàn)在,人們對自己的身體健康狀況十分關(guān)注.都希望自己有一個(gè)好的身體。體溫是人體的重要生理參數(shù)之一,對它的監(jiān)測十分重要。市場上最流行的是電子體溫計(jì),特別是非接觸式紅外體溫計(jì)。目前國內(nèi)開發(fā)的紅外體溫計(jì)主要有華中科技大學(xué)研制的“慧眼:HW一05”人體溫度紅外熱圖像儀.其分辨率高達(dá)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(xué)合華技術(shù)開發(fā)中心開發(fā)的LHW―I型紅外線測溫儀。國外產(chǎn)品有德國博郎集團(tuán)開發(fā)的只需1秒即可測出體溫的紅外體溫計(jì);日本歐姆龍研制的幾款非接觸式紅外體溫計(jì)和BJ40型非接觸式醫(yī)用紅外線體溫計(jì)(精度為tO.2℃,其主要器件是紅外溫度傳感器。本文給出了GE公司的ZTP135S―R型紅外溫度傳感器進(jìn)行的體溫計(jì)設(shè)計(jì)。

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(yùn)動都在不停地向周圍空間輻射包括紅外波段在內(nèi)的電磁波。其輻射能量密度與物體本身的溫度關(guān)系符合普朗克(Plank)定律。紅外測溫的原理是一樣的,都是根據(jù)普朗克原理。一般理解紅外測量的是物體的溫度.其實(shí)測的是目標(biāo)物與傳感器或者說是物體與環(huán)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(guān).具體地說,是與該物體熱力學(xué)溫度的4次方成正比.用公式可表達(dá)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(shù),5.67x10-8W/(m2K4);
δ是物體的輻射率:
T是物體的溫度(K);
To是物體周圍的環(huán)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(zhǔn)確地測定人體表面溫度。由于該波長范圍內(nèi)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(biāo)物與傳感器或者物體與環(huán)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(gòu)成一個(gè)閉合回路,當(dāng)二個(gè)接觸端溫度不同時(shí)(T>To),回路中產(chǎn)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 ―R的工作原理和性能
GE公司生產(chǎn)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(shù)如下:
芯片尺寸大?。?.8 mmxl.8 mm;
光孔大小:1.4 mm x 1.4 mm;
電偶數(shù):60對:
作用面積:O.7 mmx0.7 ram;
內(nèi)阻:60 kn30%;
電阻溫度系數(shù):0.12%/℃;
敏感度:65 V/W30%;
噪聲電壓:32 nVrms(典型值);
探測靈敏度:1.4E08 emHz(1/2)W(典型值);
時(shí)間系數(shù):25 ms(典型值);
電熱堆作溫度補(bǔ)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(jīng)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(lián)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有較小的熱慣性和較高的靈敏度。傳感器采用負(fù)溫度系數(shù)電熱調(diào)節(jié)器進(jìn)行環(huán)境溫度補(bǔ)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(nèi)阻變化率曲線和傳輸波形。


4 紅外傳感器的應(yīng)用
本設(shè)計(jì)采用AVR單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號處理,它與z1"P135S―R相連,對其采集到的溫度電信號進(jìn)行處理.再經(jīng)過濾波和放大,把溫度的標(biāo)準(zhǔn)電信號提取出來進(jìn)行MD轉(zhuǎn)換,最終在液晶顯示器(LMD)上顯示出來。LCD的8條數(shù)據(jù)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(jī)的PA0口,環(huán)境溫度補(bǔ)償信號接單片機(jī)的PAI口。其中還設(shè)計(jì)了二個(gè)按鈕(keyl,key2),keyl為系統(tǒng)控制開關(guān),key2為復(fù)位開關(guān)。圖5示出megal6型單片機(jī)的外圍電路。


5 結(jié)束語
在溫度測量系統(tǒng)中,溫度傳感器是一個(gè)重要的器件,它的性能直接影響溫度測量的準(zhǔn)確度.需要根據(jù)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?yàn)樗欠墙佑|式的,所以對環(huán)境的要求特別高,采用熱電偶的測量原理,對環(huán)境溫度進(jìn)行補(bǔ)償,從而獲得準(zhǔn)確的測量效果。本設(shè)計(jì)采用―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(fā)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(chǎn)生輻射傷害。



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