紅外快速檢測人體溫度裝置的設計開題報告文獻綜述(DOC)

1、附5:本科畢業(yè)論文（設計）文獻綜述（學生用表）學生姓名學號題目紅外快速檢測人體溫度裝置的設計文獻綜述.、八、-刖言對非接觸式紅外測溫隨著科學的發(fā)展與社會的進步以及人民生活水平的提高,儀的需求越來越大，特別是在2003年的非典期間，這種需求達到了高峰。非接觸式紅外測溫儀不需要接觸物體即可測得物體的溫度，它的這個特點使得在一些比較危險的行業(yè)進行測溫成為最好的選擇。2003年的非典也使對非接觸式紅外測溫儀的研制開發(fā)達到了頂峰。由于需求量的增大，使得人們希望能有測溫性能穩(wěn)定， 測溫距離較遠而價格又很便宜的非接觸式紅外測溫儀投入市場以滿足社會的需求。1. 紅外測溫的原理紅外測溫系統(tǒng)是利用物體的輻射能量與

2、溫度有關的原理而組成測溫的系統(tǒng)。普朗克公式在探測器工作波長范圍內(nèi)積分可以得出目標輻射率的大小與目標溫度間存在著固定的對應關系，用紅外探測器測出目標的熱輻射功率， 就能計算出目標的表面溫度，這就為紅外測溫奠定了理論基礎。1.1普朗克定律(1 1)黑體的光譜輻射出射度是波長和黑體溫度的函數(shù)，即:M，T _expc2/ T -1式中:C1 第一輻射常數(shù),2 16 2° =2二 he -3.741833 10 W m ；C2 第二輻射常數(shù),hc2c21.438832 10- mK ;K其中：K玻耳茲曼常數(shù)；h普朗克常數(shù)；c電磁波在真空中的傳播速度。黑體總的輻射能量隨溫度的增高而增加，這是單波

3、段測溫儀的依據(jù)。隨著溫度 升高輻射峰所在的波長向短波方向移動，其規(guī)律符合維恩位移定律。顯然高溫測溫 儀適用于較短的工作波長，低溫測溫儀宜選用較長的工作波段； 短波長處輻射能量 隨溫度增加比長波長處快，這意味著短波長處比長波長處測溫靈敏度高。1.2斯蒂芬一玻耳茲曼定律將普朗克公式1-1對所有波長積分，便可得到描述單位面積黑體輻射到半球空 間的總輻射功率，即0Mt = M ,T d - ； T4（ 1 2）0式中，打=5.670 10出Wm2K*，稱為斯蒂芬一玻耳茲曼常數(shù)。1.3實際物體溫度的計算式（1 1）,（ 12）中的T均為絕對溫度。計算實際物體的輻射出射度只需在 式（1 1）, （ 1 2

4、）中乘以發(fā)射率；即可。物體的輻射出射度與輻射的溫度T和發(fā) 射率；有關。只要測出物體的輻射出射度又以知物體的發(fā)射率；即可求出溫度To實際上物體的測量是通過輻射量的測量得到的。2. 紅外測溫技術的發(fā)展狀況紅外輻射測溫技術的發(fā)展主要從兩方面來看：一是紅外輻射測溫儀器的發(fā)展； 二是紅外輻射測溫技術的發(fā)展。2.1紅外輻射測溫儀器的分類及發(fā)展利用紅外輻射的原理進行溫度測量的儀器是從簡單到復雜逐漸發(fā)展而成的。早期的紅外測溫儀僅限于檢測物體的某一點的溫度，而后可以測量一條線的溫度，而不能顯示物體的形狀和表面上的溫度分布。直到了20世紀五六十年代，由于紅外探測器的改進和快速靈敏的光子探測器的問世，才導致了實驗性

5、、原理性熱成像系 統(tǒng)的誕生。發(fā)展到目前的熱成像系統(tǒng)，它己經(jīng)是窄禁帶半導體技術、精密光學、精 密機械、微電子學、特殊紅外工藝、新型紅外光學材料與系統(tǒng)工程學的產(chǎn)物。根據(jù)紅外測溫的方式，紅外測溫儀器可以分為全場分析探測系統(tǒng)和逐點分析探 測系統(tǒng)兩種。全場分析是用紅外成像鏡頭把物體的溫度分布圖像成像在傳感器陣列 上,從而獲得物體空間溫度場的全場分布， 全場分布探測系統(tǒng)稱為紅外熱像儀。 逐 點分析是把物體一個局部區(qū)域的熱輻射聚焦到單個探測器上，并通過己知物體的發(fā) 射率，將輻射功率轉化為溫度，逐點分析系統(tǒng)常稱為紅外測溫儀。 紅外測溫儀包括 紅外點溫儀、紅外熱電視、紅外行掃儀。六十年代我國研制成功第一臺紅外測

6、溫儀。我國最早開發(fā)應用的是紅外光電測 溫儀，它相當于一個自動光學高溫計，響應時間不快，測溫精度不高，己經(jīng)被淘汰。進入九十年代，我國的紅外測溫儀采用當今國際上通用的工作原理，由反射式、折射式或干涉式光學系統(tǒng)收集被測物發(fā)出的紅外輻射， 經(jīng)濾光片選取一定波長范圍 的輻射，射入紅外探測器，探測器輸出的電信號經(jīng)過放大，線性化處理后送入數(shù)字 電壓表顯示被測物體的溫度。并且陸續(xù)生產(chǎn)了小目標、遠距離、適合工業(yè)生產(chǎn)特點 的測溫儀器，如西光 IRT-1200D型、HCW-III 型、HCWV型；YHCW-940型；WHD401 型（雙瞄準，目標直徑為40mm寸，測距可達15m） WFHX33ffi（光學瞄準，目標

7、直 徑為50mm測距可達30m ）。九十年代末期，我國也產(chǎn)生了用光纖束作為光學系統(tǒng)的測溫儀，用單板機或單 片機作信號處理和線性化及數(shù)字顯示的測溫儀。2.2紅外輻射測溫技術的分類及發(fā)展到二十世紀初，輻射法測溫的理論準備已基本完善。又經(jīng)過了幾十年的努力， 應用于工業(yè)現(xiàn)場的紅外測溫儀，已有了三種類型的傳統(tǒng)形式。即全輻射測溫儀、單 色測溫儀和比色測溫儀。全輻射測溫儀是通過測量波長從零到無窮大的整個光譜范 圍內(nèi)的輻射功率來確定物體的輻射溫度。單色測溫儀是通過測量目標發(fā)射的某一波 長范圍內(nèi)的輻射功率來確定目標亮溫的儀器。 比色測溫儀是根據(jù)兩個波段輻射能量 的比值與物體溫度的函數(shù)關系來測定物體色溫的。195

8、4年Pyatt建議使用3個波長的比色溫度計，以得到發(fā)射率與波長的關系。到70年代末80年代初興起了多光譜輻射測溫技術的熱潮。1979年Cashdolla研制成功了 3波長高溫計，在1.8，1.9及1.0 Jm三種波長下測量火焰及爆炸粉塵的溫度，測量上限可至2000K同時可換用濾光片方法形成4波長及6波長高溫計。同年Svet等研制成4波長高溫計用以測量物體表面真實 溫度，測溫范圍為：3003000K。Lyzenga和Ahrens于同年推出了 6波長的溫度 測量裝置，采用硅光電二極管作和 0.480.8m波長范圍內(nèi)的檢測元件，用以測 量沖擊波后的物體的真實溫度，測溫范圍為：40008000K精度可

9、至20%1981年，Gardner及Jones等研制成了 6波長高溫計，工作波長為 0.75 1.65 5，測溫范圍為10001600K,精度為1%1982年歐共體Babelot及美國Hoch等人繼續(xù)研究多波長高溫計，并研制成6波長高溫計，采用光導纖維束分光，硅光電二極管，用于材料熱物性的快速動態(tài)測 量，在5000K時分辨率為5K，并擬向10000K方向繼續(xù)發(fā)展。同年 Cashdollar在 3色高溫計基礎上推出了 6波長高溫計，用于測量粉塵爆炸過程中粉塵粒子及氣體 的溫度，使用PbSe探測器，6個工作波長分別為：1.57，2.30，3.84，4.42，4.57， 5。1986年歐共體及美國聯(lián)

10、合課題組的 Hiernaut等人研制成功了亞毫秒級6波長 高溫計，用于20005000K溫區(qū)內(nèi)真溫和光譜發(fā)射率的同時測量， 溫度測量精度為 0.5%，發(fā)射率測量精度為15%1992年Levendis等人研制成了 3色輻射溫度計，工作波長分別為 0.65, 0.8 和0.95m，并用于燃燒粒子瞬態(tài)響應測量，在數(shù)據(jù)處理上，采用比色思想，3個比色結果在2500K時相差小于100K 1992年Cezairliyan 等人亦報導了亞毫秒級 6波長高溫計的研制情況，采用光導纖維束分光方法，6個工作波長分別為0.5,0.6，0.65，0.7，0.8和0.9 Jm，在脈沖加熱下測量了鈮金屬試樣的亮度溫度。19

11、84年北京武漢光學技術研究所研制成功3波長HDW-1型紅外測溫儀。1988年北京聯(lián)大提出了多光潛溫度自動檢測法。1989年王瑞才研制成功4波長高溫計 并應用于電弧加熱下燒蝕材料的溫度測量。但都沒有應用多波長測溫理論中的數(shù)據(jù) 擬合法，而還只是停留在比色、單色高溫計處理思想上，多個通道數(shù)據(jù)只是為了相 互校驗。1991年戴景民與羅馬大學 G.Ruffi no教授合作研制成功國際首創(chuàng)的棱鏡分光式35波長高溫計，并成功地用于燒蝕材料真溫及發(fā)射率測量。1999年他又研制成功6目標8波長高溫計并應用于固體火箭發(fā)動機羽焰溫度和發(fā)射率的同時測量。 2001年又成功地研究紅外多波長輻射溫度計用于導彈發(fā)射車的隱身測

12、量。近年來，多波長輻射測溫理論亦有了相應的發(fā)展。3. 紅外測溫的展望在大量的科研與工業(yè)中，離不開測溫，紅外溫度計有快速、準確、便捷、使用 壽命長等優(yōu)勢，正被越來越多的人們所認識，在冶金、電子、石化、交通、能源、 橡膠、食品等行業(yè)得到了廣泛應用，成為企業(yè)故障檢測，產(chǎn)品質量控制和提高經(jīng)濟 效益的重要手段。利用紅外測溫的遠距離、不接觸、準確、實時、快速等特點發(fā)展 起來的紅外檢測技術由于在不停電、 不取樣、不解體的情況下能快速實時地在線監(jiān) 測和診斷大多數(shù)故障，所以倍受國內(nèi)外的重視，并得到快速發(fā)展。非典疫情過后，人們越來越注重公共衛(wèi)生安全。非接觸、高精度醫(yī)用紅外溫度 計的研究，對于在公共場合、大流量人群

13、的快速檢測具有重要的意義。它不僅具有巨大的商業(yè)價值，而且具有重大的社會價值。隨著紅外材料及傳感器類型的不斷開發(fā)研究，新型測溫儀器正逐步替代傳統(tǒng)的 測試手段。目前美、英等國正致力于加強前視紅外系統(tǒng)信息處理能力（如自動人工目標分類），便攜式整機配個人計算機可產(chǎn)生實時、高分辨力圖像來解決研究領域 和工業(yè)領域中的問題。世界上除了一些大軍工企業(yè)公司（如美國的Honeuwell公司、休斯飛機公司）之外，許多大商業(yè)公司（如三菱電氣、日本橫河電機（株）、瑞典AGA 公司、法國Pyro公司、Sofradier公司、HG紅外系統(tǒng)工程公司等）也正在積極從事 紅外測溫、熱成像技術的研究及產(chǎn)品開發(fā)。在國內(nèi)，近年來隨著我

14、國工業(yè)迅速發(fā)展 和產(chǎn)品更新?lián)Q代的加速，對測溫儀器的需求量越來越大，盡管熱電偶（熱電阻）一類 接觸性測溫傳感器件仍然具有很大的優(yōu)勢，但非接觸性的紅外測溫儀器正日益受到 各行業(yè)的關注。4. 結論隨著科學技術的迅猛發(fā)展，先進的紅外傳感器的出現(xiàn)以及高性能單片機的不斷 推出，使得紅外測溫技術迅速發(fā)展并且得到了廣泛的應用。利用紅外測溫技術制作 的紅外體溫計具有非接觸、響應速度快、利于環(huán)保等優(yōu)點，在人民生活水平不斷提 高的現(xiàn)代社會，必然會取代水銀溫度計成為人們的首選產(chǎn)品。在歐美,熱釋電耳道式測溫儀已成功用于體溫測量，1991年后基本已經(jīng)普及。但是，我國在這方面起步較晚。2003年,由中科院物理研究所王樹鐸教

15、授研制的“非 接觸、口腔式紅外線電子體溫儀”才獲得專利授權。在此之前，完全不與人體接觸、 又滿足醫(yī)療測量精度的要求的體溫計，還沒有面世。因此，對測量溫度范圍在24.0 C到45.0 C,精度要求為_0.C的紅外體溫計 的設計具有一定商業(yè)與社會價值。參考文獻1. 范書彥.紅外輻射測量精度與誤差分析.長春理工大學2. 苗玉杰.醫(yī)用紅外測溫儀及溫度補償技術的研究.燕山大學3. 陳宏起.全輻射反射式紅外測溫技術研究.吉林大學.20054. 毛志毅.蘇東明.李開元.王衛(wèi)東.陳廣飛.非接觸式紅外遙感體溫計的設計與實現(xiàn).醫(yī)療衛(wèi)生裝備.2003.09 16-195. 曾亦可.劉梅冬.姜勝林.李軍.周東祥.熱釋

16、電紅外測溫系統(tǒng).系統(tǒng)工程與電子技術 2004.02.273-2766. 曾凡軍.紅外雙色測溫儀的設計研究.江漢石油學院學報2004.S17. 劉福杰.王浩靜.范立東.紅外測溫儀原理及其在應用中注意的問題.現(xiàn)代儀器 2007.04 50-518. 曾強.舒芳譽.李清華.紅外測溫儀的工作原理及應用.電子質量2007.0125-269. 曾強.舒芳譽.李清華.紅外測溫儀一工作原理及誤差分析.傳感器世界2007.02 32-3510. 侯關士 李縉海 基于因特網(wǎng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 微機應用2011， 22 (3) ; 13413711. 李志強.黃順.張衛(wèi)華.杜秀偉.基于TPS434的紅外傳感測

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18、投入大量人力，物力，財力搶救非典”病人的同時，各地也積極響應黨中央的號召，全力以赴做好非典”的防控工作，尤其是在機場、海關、車站、賓館、商場、影院、寫字樓、學校等人流量較大的公共場所，對非典”病人體溫的檢查尤為重要。目前，國內(nèi)傳統(tǒng)的體溫測量是用醫(yī)用玻璃液體溫度計（俗稱體溫表）、醫(yī)用電子接觸式溫度計（常用熱敏電阻作為它的感溫元件）等插入人體內(nèi)部（舌下、直腸）或 置于腋下，通過接觸使溫度計的溫度等于被測處的溫度。但這些體溫計的缺點是測量的 速度慢（約 2分鐘以上）。玻璃液體溫度計還易碎，在使用時容易因消毒不徹底而引起交 叉感染。在 SARS預防的檢測中，在需測量的人很多，時間又要短時，它們就不大適

19、用 了?；诖?，本文所介紹的一種不接觸式的紅外快速檢測人體溫度裝置應運而生了研究目的：此次研究紅外快速檢測人體溫度裝置的主要目的，在于它能夠在機場、海關、車站、 賓館、商場、影院、寫字樓、學校等人流量較大的公共場所，有效地避免國內(nèi)傳統(tǒng)的體 溫測量的缺點，在快速，準確，沒有交叉感染的情況下測量出人體溫度，因此不接觸式 的紅外溫度測量法就被廣泛用于SARS預防的檢測工作中。正是由于紅外快速檢測人體溫度裝置的種種先進特性，而可以廣泛應用于各種場所，擁有很好的市場前景！同時通 過這次畢業(yè)設計，提高了同學們的自學能力，熟悉產(chǎn)品設計程序，引用所學傳感電子技 術的知識解決實際問題。國內(nèi)水平：在2003年全國

20、防 非典”斗爭中，中科院上海技術物理研究所在863計劃高技術成果的基礎上對紅外技術應用于非接觸式測溫進行了深入研究，在短時間內(nèi)開發(fā)成功了非接觸式紅外測溫儀 ”打開了國內(nèi) 非接觸式測量”的新篇章 人體體溫是鑒別人體健康狀況的重要參數(shù)，所以體溫在醫(yī)療領域中占有十分重要的地 位?，F(xiàn)有體溫計大概分為三種類型：一種是常見的玻璃水銀體溫計；一種是電子體溫計； 另一種是較高檔的耳道式紅外遙感體溫計。水銀體溫計雖然價格便宜但是有諸多弊端：首先，水銀體溫計遇熱或安置不當，體溫 計容易破裂。其次，人體接觸水后會中毒，中毒癥狀是惡心、頭痛、腹瀉、脫發(fā)等，嚴 重者會造成血液凝固。因為水銀有劇毒，一旦它污染了水源或食物

21、，可以對人的腎臟、 肺等造成極大的傷害，水銀也能加速人神經(jīng)系統(tǒng)退變。最后，采用水銀體溫計測溫需要 相當長的時間（5mi n-l0mi n），使用不便。美國一些城市和醫(yī)院已開始禁止使用水銀體溫 計（北京青年報 2001年7月10日，環(huán)球時報2001年7月13日）。研究的主要問題和重點、難點電子體溫計是采用熱敏電阻測量溫度的，采用電子體溫計測溫也需要較長的時間，同 樣使用不便。耳道式體溫計是根據(jù)黑體輻射原理通過測量人體輻射的紅外線而測量溫度 的。它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 是被動式且非接觸式的測量方式，因此紅外體溫計不會對人體產(chǎn)生輻射傷害。三種體溫 計

22、比較之，耳式體溫計的性能最好，它不僅測量速度快(測量時間小于1s)而且精度最高(± 0.1 C)。人體的溫度只在較小的范圍內(nèi)變化(35 C-42C)，因此，只要進行較細的刻度，紅外體溫計就可獲得較高的測量精度。為了排除環(huán)境溫度變化對測量結果的影響，還要采用 溫度補償電路對環(huán)境溫度進行補償。我們要設計的紅外體溫計其測量范圍是35C -42C,且精度為土 0.1 C。在該設計中，以低功耗單片機為主體，配有高精度放大器和16位ADC測量值用 LCD進行溫度顯示，具有成本較低、使用方便、測量時間短、精度較高、可重 復性好。更重要的是，通過進一步設計完善，它可以與電腦連接，因此更適用于病房和

23、護士工作站使用。以下詳細闡述測溫基本原理和系統(tǒng)實現(xiàn)。1基本原理首先介紹紅外遙感體溫計的物理原理，然后介紹紅外傳感器的原理和結構，最后介紹環(huán)境溫度補償?shù)姆椒ǎ捌涮岣邷y量精度的可行性。2黑體輻射定律紅外體溫計的測溫原理是基于黑體輻射定律，黑體是在任何溫度下都能全部的吸收投射 到其表面的任何波長的輻射能量。既沒有反射，也沒有透射的物體。同時它也向外界輻 射能量。黑體的單色輻射出度是描述在某一波長輻射源單位面積上發(fā)出的輻射通量。溫度為T的黑體單色輻射出度為其中：c1是3.7418 X 10 -16W- m2 c2是1.438 X 10 - 2m- k。由此可以計算出在溫度位T的黑體在全部波長范圍內(nèi)的

24、輻射出度為其中：A是波爾茲曼常數(shù)。此外，由于人體皮膚不是理想的黑體，只有在大于5um波長范圍才可以近似看成是黑體，所以在紅外傳感器上要裝有大于5.5um的波長才可以通過的濾波器。 紅外傳感器是紅外體溫計的關鍵部件，它是由溫差熱電堆和熱敏電阻兩部分構成的。熱 電堆是用半導體集成電路(IC)工藝和微機械電子 (MEMS)工藝制造的，它可以等效為多個熱電偶串聯(lián)組成的。而熱電偶是由兩種電子密度不同的導體相連接組成的。熱電偶有冷 熱兩個端點。在測量物體溫度時，熱端與被測物體接觸，冷端與測量儀表接觸。熱電偶 的同種導體上會因為存在溫度剃度而產(chǎn)生湯姆孫電動勢，兩種金屬的連接處會因為電子 密度差而產(chǎn)生珀而粘電動勢，所以在熱電偶的兩端會產(chǎn)生溫差電動勢。在紅外傳感器熱電堆的熱端貼有熱量吸收器，它用來吸收被測物體輻射的紅外線并轉化 為熱能。通過熱電堆把輻射紅外線的功率轉化為電信號進行測量。紅外傳感器的輸出特