張少華 姚國(guó)瑞 陳大鵬 錢(qián)麒麟 堵若瑜

摘要：為了解決傳統(tǒng)測(cè)溫方式的不足，提出一種基于熱釋電效應(yīng)的非接觸式紅外測(cè)溫儀，以黑體輻射定律為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了以熱釋電傳感器與菲涅爾透鏡為基礎(chǔ)的檢測(cè)裝置以及信號(hào)處理電路，該測(cè)溫儀具有體積小，測(cè)溫快，使用壽命長(zhǎng)，非接觸式等特點(diǎn)，可用于體溫度的快速測(cè)量。

關(guān)鍵詞：熱釋電效應(yīng);紅外測(cè)溫儀;菲涅爾透鏡;非接觸式

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）17-0239-02

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

進(jìn)入21世紀(jì)后，紅外傳感技術(shù)不斷發(fā)展與完善，并且由于2002年SARS的爆發(fā)，人們開(kāi)始將原來(lái)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)制造中的高精度紅外測(cè)溫儀使用到醫(yī)療和日常生活中。

目前2019-nCoV仍然在全球眾多的國(guó)家中傳播，每天確證的病例數(shù)依舊很多，我國(guó)從去年病毒爆發(fā)以來(lái)就在全國(guó)所有的公共場(chǎng)所、車(chē)站、機(jī)場(chǎng)、學(xué)校等人員密集的場(chǎng)所配備測(cè)溫裝置來(lái)測(cè)量體溫，大多數(shù)場(chǎng)所采用的測(cè)溫裝置仍然是熱電堆紅外測(cè)溫槍。傳統(tǒng)的熱電堆測(cè)溫槍對(duì)于本次疫情而言有一個(gè)最大的缺點(diǎn)，測(cè)溫槍需要近距離接觸被測(cè)目標(biāo)，人體體溫的可測(cè)距離大概為1-3cm，這種測(cè)量方式不僅不太方便，還有可能增加測(cè)量人員感染的風(fēng)險(xiǎn)，所以設(shè)計(jì)一種可以遠(yuǎn)距離測(cè)量的測(cè)溫儀十分必要。

本文設(shè)計(jì)了一種基于熱釋電效應(yīng)的非接觸式紅外測(cè)溫儀，該測(cè)溫儀具有體積小，響應(yīng)速度快，測(cè)量距離遠(yuǎn)，使用壽命長(zhǎng)，非接觸式等特點(diǎn)，可用于體溫度的快速測(cè)量。

1測(cè)溫原理

目前多數(shù)的測(cè)溫裝置都是利用物體的紅外輻射測(cè)量溫度，紅外輻射也叫紅外線(xiàn)，是紅光的外側(cè)看不見(jiàn)的光。自然界中的物體只要溫度大于絕對(duì)零度就會(huì)向外輻射出不同強(qiáng)度的紅外線(xiàn)，因此如果已經(jīng)知道某個(gè)物體的發(fā)射率，只需要測(cè)量被測(cè)物體的紅外輻射量就可以通過(guò)計(jì)算確定物體的溫度，所有紅外測(cè)溫裝置都是基于這一原理制作而成的。

紅外線(xiàn)是頻率介于微波與可見(jiàn)光之間的電磁波，波長(zhǎng)的范圍在0.75μm到1000μm之間，根據(jù)波長(zhǎng)可分為以下四個(gè)波段，如表1所示。

根據(jù)黑體輻射定律可知自然界中的物體只要溫度大于絕對(duì)零度就會(huì)向外輻射出不同強(qiáng)度的能量，而輻射出的能量的強(qiáng)度大小就和該物體表面的溫度有關(guān)，物體表面的溫度越高，向外輻射的能量就越大，因此根據(jù)普朗克公式可以計(jì)算出物體在波長(zhǎng)為[λ]處的單色光譜輻射出射度與熱力學(xué)溫度[T]之間的關(guān)系如下式所示：

[MλT=C1λ-5expC2λT-1-1]

上式中，[C1=3.7418×10-16W?m2]，稱(chēng)為第一輻射出射度常數(shù)，[C2=1.4388×10-2W?K]，稱(chēng)為第二輻射出射度常數(shù)。

熱釋電效應(yīng)指的是鐵電梯發(fā)生極化現(xiàn)象后，極化強(qiáng)度會(huì)隨著溫度改變，從而釋放部分表面電荷的現(xiàn)象。當(dāng)熱釋電器件檢測(cè)范圍內(nèi)的溫度產(chǎn)生變化時(shí)，光敏面的電極會(huì)釋放電荷，從而在兩個(gè)電極之間產(chǎn)生一定的電壓差。熱釋電紅外傳感器通過(guò)探測(cè)溫度變化時(shí)，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換之后將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為交變電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)后續(xù)處理電路得到溫度信息，經(jīng)推導(dǎo)普朗克公式計(jì)算得到物體溫度為：

[Q=Kε1σT41-Kε2σT42]

上式中，[T1]是被測(cè)物體的溫度;[T2]是物體所處環(huán)境的溫度;[ε1]是被測(cè)物體的發(fā)射率;[ε2]是物體所處環(huán)境的發(fā)射率;[ σ=5.670373×10-8W?m-2?K-4]，稱(chēng)為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù);[K]是探測(cè)器的靈敏度。

2測(cè)溫系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

基于熱釋電效應(yīng)的非接觸式紅外測(cè)溫儀系統(tǒng)主要有以下四部分組成：光學(xué)系統(tǒng)，光電檢測(cè)模塊，信號(hào)處理模塊，顯示模塊和報(bào)警電路，如圖1所示。光學(xué)系統(tǒng)部分完成紅外輻射的捕捉與采集，確定視場(chǎng)的大小，采集到的輻射信號(hào)通過(guò)熱釋電紅外傳感器完成光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，檢測(cè)得到的交變電壓信號(hào)再經(jīng)過(guò)放大濾波電路傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，最終通過(guò)顯示模塊顯示測(cè)量的溫度，還可設(shè)定報(bào)警閾值，超過(guò)閾值溫度發(fā)出警報(bào)。

3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1熱釋電紅外傳感器

熱釋電紅外傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有以下三個(gè)部分：光敏感單元、阻抗變換器和濾光窗，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

光敏感單元：對(duì)于不同的熱釋電傳感器所采用的光敏感單元的制作材料不同，但都屬于壓電類(lèi)晶體，如鋯鈦酸鉛系陶瓷、鉭酸鋰、硫酸三甘鈦等。熱釋電傳感器的光敏感單元主要對(duì)紅外輻射的變化量敏感，輻射量發(fā)生變化光敏面的電極才會(huì)產(chǎn)生電荷，所以熱釋電傳感器對(duì)靜止的物體或者移動(dòng)較慢的物體不敏感，這樣就可以降低環(huán)境干擾，例如太陽(yáng)光中的紅外線(xiàn)以及周邊物體輻射出的紅外線(xiàn)。

濾光窗：人體向外輻射紅外線(xiàn)在不同的波長(zhǎng)上的強(qiáng)度是不一樣的，濾光窗的響應(yīng)波長(zhǎng)范圍為7μm到14μm，其中心正好是人體向外輻射紅外線(xiàn)的最強(qiáng)波長(zhǎng)，因此濾光窗可以盡可能地讓人體向外輻射紅外線(xiàn)匯聚到傳感器光敏感單元。

熱釋電紅外傳感器將探測(cè)到的紅外輻射轉(zhuǎn)換成交變的電壓差信號(hào)，經(jīng)過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管放大后傳輸給后續(xù)電路，將熱釋電傳感器與菲涅爾透鏡組合使用，這樣可以提高傳感器的探測(cè)靈敏度，菲涅爾透鏡是將透鏡分成若干等分來(lái)增加紅外線(xiàn)的匯聚，從而和后續(xù)的放大電路配合起到放大信號(hào)的作用。

3.2信號(hào)放大電路

被測(cè)人員向外輻射出的紅外線(xiàn)經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的菲涅爾透鏡進(jìn)行匯聚，由于透鏡的作用產(chǎn)生的電壓信號(hào)呈脈沖的形式，熱釋電紅外傳感器產(chǎn)生微弱的交變電壓信號(hào)，該信號(hào)要先經(jīng)過(guò)一個(gè)RC濾波電路，由于輸出的信號(hào)微弱，一般情況下大概為1mV左右，并且是一個(gè)變化的脈沖電壓信號(hào)，脈沖電壓信號(hào)的頻率則取決于被測(cè)物體的移動(dòng)速度，一般情況下在0.1Hz到10Hz之間，所以對(duì)輸出的信號(hào)進(jìn)行放大十分必要。信號(hào)放大電路部分使用集成運(yùn)算放大器LM324進(jìn)行放大，兩級(jí)的放大可以使得輸出信號(hào)獲得足夠的增益，具體電路如圖3所示。

3.3報(bào)警保持及消除電路

熱釋電傳感器探測(cè)的微弱電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路的放大以及濾波后，當(dāng)前置電路有電信號(hào)傳來(lái)時(shí)，此模塊的輸出信號(hào)由低電平到高電平變化，從而觸發(fā)報(bào)警音樂(lè)芯片驅(qū)動(dòng)電路，放大電路中的電位器W1可用于對(duì)比較電路的判決電平進(jìn)行調(diào)節(jié)。報(bào)警電路主要完成報(bào)警保持及消除的控制，輸入電平高于判決電平發(fā)出報(bào)警，具體電路如圖4所示。

4結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了以熱釋電紅外傳感器作為檢測(cè)模塊的非接觸式測(cè)溫儀，以黑體輻射定律作為理論基礎(chǔ)，結(jié)合了光電檢測(cè)與信號(hào)處理等方面的產(chǎn)物。本設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的熱電堆紅外測(cè)溫槍相比具有體積小，響應(yīng)速度快，測(cè)量距離遠(yuǎn)，使用壽命長(zhǎng)，非接?觸式等特點(diǎn)，尤其是在進(jìn)行體溫快速測(cè)量時(shí)，不需要將測(cè)溫裝置對(duì)準(zhǔn)且靠近被測(cè)者，當(dāng)被測(cè)者經(jīng)過(guò)測(cè)溫儀時(shí)就可以測(cè)量出體溫，如果體溫超過(guò)設(shè)定的閾值就會(huì)發(fā)出報(bào)警。

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【通聯(lián)編輯：朱寶貴】