红外传测温感器在非接触耳温计上的应用
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本文介绍了一种基于医用数字红外传感器MLX90615 的红外耳温计设计。基于红外测温原理，耳温计主要由数字红外传感器、低功耗CPU、液晶显示屏和其他外围电路组成。CPU 通过I2C 总线读取MLX90615采集的红外辐射信号，将其转换为对应的人体耳腔温度值并显示在液晶屏上。实验结果表示，该耳温计分辨率达到了0.02℃，准确度达到了0.1℃，实现了耳温的准确、快速测量。 红外耳温计的优点 传统体温测量是使用水银温度计进行接触式测量，具有性能稳定、误差小等优点，但存在测量时间长、交叉传染风险大、玻璃破碎易引起汞中毒等缺点。据世强市场经理余彪介绍，红外耳温计是通过红外传感器采集耳腔和鼓膜的红外辐射并转化为数字信号，主控CPU 单元将数字信号转换为温度值并显示在液晶屏上。与水银温度计相比，红外耳温计具有高精度、高分辨率、测量速度快、操作简便、安全舒适等优点。 红外耳温计的基本原理 下视丘是大脑控制体温的重要器官，与耳朵最接近。机体深部平均温度发生变化，耳朵的温度也迅速发生变化，并且耳朵内部为封闭区域， 受外界因素影响小，因此耳温与体温最接近。红外耳温计通过测量人体耳道和鼓膜的红外辐射来测量人体温度，其辐射能量密度与温度的关系符合斯蒂芬-波尔兹曼辐射定律: E=εσT4 (1) 其中，E为辐射出射度，即单位面积所发射的辐射功率，单位为W/m3;ε为物体的辐射率;σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数;T为物体的热力学温度，单位为K。 式(1)表明，物体的温度越高，辐射功率越大。只要已知物体的温度和它的辐射率，即可计算出它所发射的辐射功率。反之，如果测量出物体的辐射功率，即可确定物体的温度。因此，应用红外传感器吸收红外辐射的原理测量耳腔温度的仪器，称为红外耳温计。红外传感器采用串联的热电偶，冷接头放置在厚的芯片衬底上，热接头放置在薄膜上，薄膜吸收红外辐射，从而产生微弱电信号。根据式(1) 的原理， 红外传感器的输出信号为： Vir(Ta，To)=A(T4 o-T4 a) (2) 其中，A为总体的敏感度，和传感器的结构设计有关;To为目标物体的热力学温度，单位为K，由红外温度传感器测出;Ta为环境的热力学温度，单位为K，需要附加的传感器测量目标物体的环境温度。 硬件设计 红外耳温计依据红外辐射原理进行体温测量。世强介绍的这款设计，主要由数字红外传感器、主控CPU 单元、液晶显示器和其他外围电路组成，其设计框图如图1所示。当按键按下时，数字红外传感器将采集到的红外辐射转换成数字信号。主控CPU 采集的数字信号经过运算后，在液晶屏显示出耳腔温度值，并伴随蜂鸣器鸣叫。 图1 红外耳温计设计框图 1、传感器部分 传感器部分采用数字红外传感器MLX90615，主要由红外热电堆传感器、低噪声放大器、16位模数转换器和功能强大的DSP 单元等组成，其结构框图如图2所示。红外热电堆传感器将采集到的红外辐射转化为电信号， 并经过低噪声放大器放大后送给模数转换器。模数转换器输出的数字信号经FIR/IIR 低通滤波器调理后送入数字信号处理器，数字信号处理器对数字信号运算处理后输出测量结果并保存在MLX90615 内部RAM 中，可以通过SMBus或PWM方式供主控CPU 单元读取。 图2 MLX90615 的结构框图 |
