基于温度传感器和转换器实现红外线测温电路的设计

作者：唐岳湘，赵修良，单健，俞红 来源：现代电子技术

由于医学发展的需要，在很多情况下，一般的温度计已经满足不了快速而又准确的测温要求，例如车站和机场等的人口密度较大的地方进行人体温度测量。虽然现在国外这种测温的技术都比较成熟，但是国内这方面的技术还处于发展阶段。因此，为了适应医学发展的需要，有效地进行特殊环境下的温度测量，从而有力地控制和预防诸如非典之类的特殊疾病的传播，急需设计一种测温速度快，准确率高的测温仪。针对一般的工业用的红外测温仪的精确度不够高，我们根据这种红外线测温的原理，通过关键器件的选择、瞄准系统的设计以及温度补偿的自动调节来提高红外线测温仪的精确度，设计了一种用红外线测温电路，用于人员密集且流量大的场合进行快速的人体温度测量。

1 红外线测温的原理

自然界一切温度高于绝对零度（-273.15℃）的物体，由于分子的热运动，都在不停地向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波，其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合辐射定律。

组外辐射原理——辐射定律：

式中：E为辐射出射度，W／m3；σ为斯蒂芬—波尔兹曼常数，5.67×10-8W／（m2·K4）；ε为物体的辐射率；T为物体的温度，单位K；T0为物体周围的环境温度，单位K。

测量出所发射的E，就可得出温度。

利用这个原理制成的温度测量仪表叫红外温度仪表。这种测量不需要与被测对象接触，因此属于非接触式测量。红外温度仪表测温范围很宽，从-50℃直至高于3 000℃。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（0～100℃）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用于不同测量对象的仪表，其具体的设计也不同。

根据式（1）的原理，仪表所测得的红外辐射为：

式中：A为光学常数，与仪表的具体设计结构有关；ε1为被测对象的辐射率；ε2为红外温度计的辐射率；T1为被测对象的温度（K）；T2为红外温度计的温度（K）；他由一个内置的温度检测元件测出。

辐射率ε是一个用以表达物体发射电磁波能力的系数，数值由0至1.0。最理想的辐射物体是辐射率1.0的物体，物理上叫做黑体。这是一个理论上的概念，实际上并没有一种物体的辐射率能达到1.0。但可以制造出极为接近于ε=1.0的实际黑体，用于温度计的校准。所有真实的物体，包括人体各部位的表面，其ε值都是某个低于1.0的数值。由于ε值极难测量而又不确定，所以在仪表测出E后，按式（2）计算出的T1就会有误差。在实际工作中，仪表是在ε=1.0的黑体上校准好出厂的，只有测量ε=1的对象，其示值才代表对象的实际温度，如果对象ε不等于1，则仪表读数不代表对象的实际温度，要进行修正。

人体主要辐射波长在9～10μm的红外线，通过对人体自身辐射红外能量的测量，便能准确地测定人体表面温度。由于该波长范围内的光线不被空气所吸收，因而可利用人体辐射的红外能量精确地测量人体表面温度。

人体的红外辐射特性与他的表面温度有着十分密切的关系，因此，通过对人体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定人体表面温度。红外温度测量技术的最大优点是测试速度快，1 s以内可测试完毕。由于他只接收人体对外发射的红外辐射，没有任何其他物理和化学因素作用于人体，所以对人体无任何害处。

2 结构框图及电路设计

2.1 结构框图设计

如图1所示为设计系统的总体结构框图。

2.2 温度传感器

本测温装置使用红外线传感器，他能接收物体发射出的红外线并使之转换成电压信号。我选用的是PM611单元热释电传感器，这种传感器虽是单灵敏元，由于他采用一个接收元和二个并联的补偿元串接的结构，故也能有效地补偿环境温度起伏，振动等于扰影响。他的工作温度是-20～+70℃，特别适合测量人体的温度。而且PM611各项指数都比较好，因此选用了他做温度仪的探头。

如图3所示：将传感器的D，S，E分别与电路图中标记的D，S，E连接即可。

2.3 测量电路

测量电路如图4所示。

2.4 积分电路

在将模拟信号转变成数字信号中，选择了ICL7106积分式A／D转换器。他主要有以下的优点：

积分式A／D转换器的转换精度高，成本低；他的精度与积分电阻，积分电容的精度无关，故可降低对元件质量的要求；抗于扰能力强；他的外围电路简单。

但是，ICL7106也有一些缺点：基准电源的变化直接影响转换精度，当芯片内部的基准电压源一般受温度影响比较大，当精度要求高时，应该采用外接基准电压源；工作速度较低，一般在1～20次／s。

所以综合ICL7106的主要特点，尤其是为了提高精度，设计中采用了外接基准电压源。另外，因为用来测温的速度最快也是1次／s，ICL7106工作速度较低的缺点对我们的设计没有影响，可他的优点非常适合设计的需要，因而ICL7106是A／D转换的首选。

2.5 LCD显示电路

显示部分由多位液晶显示驱动器ICL7106和标准段式液晶显示屏EDS801及其他一些元器件组成。

3 调 试

在实验中通过调节A1输出端的10 kΩ变阻器，使A3输出信号的大小发生改变，当A3的输出小于2.0 V时，可以适应ICL7106的量程为2.0 V的工作特性，因此A3的两个电位器用来调节A3输出的大小，确保在高温时不超过2.0 V。

调试时，用一已知温度（20～70℃）的物体放置在探头前，调节ICL7106部分中的R12，使LCD显示出正确温度，再换一个已知温度，继续调节这个电位器，使显示值准确等于已知温度值，反复调整几次即可。注意不要超过PM611传感器和ICL7106 A／D积分器的温度上限。

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