红外快速检测人体温度装置的设计 开题报告 文献综述

1、附5：本科毕业论文（设计）文献综述（学生用表）学生姓名 学号 题目红外快速检测人体温度装置的设计文献综述前言随着科学的发展与社会的进步以及人民生活水平的提高，对非接触式红外测温仪的需求越来越大，特别是在 2003 年的非典期间，这种需求达到了高峰。非接触式红外测温仪不需要接触物体即可测得物体的温度，它的这个特点使得在一些比较危险的行业进行测温成为最好的选择。2003年的非典也使对非接触式红外测温仪的研制开发达到了顶峰。由于需求量的增大，使得人们希望能有测温性能稳定，测温距离较远而价格又很便宜的非接触式红外测温仪投入市场以满足社会的需求。1.红外测温的原理 红外测温系统是利用物体的辐射能量与温度

2、有关的原理而组成测温的系统。将普朗克公式在探测器工作波长范围内积分可以得出目标辐射率的大小与目标温度间存在着固定的对应关系，用红外探测器测出目标的热辐射功率，就能计算出目标的表面温度，这就为红外测温奠定了理论基础。1.1普朗克定律黑体的光谱辐射出射度是波长和黑体温度的函数，即： （11）式中：第一辐射常数，；第二辐射常数， ；其中：K玻耳兹曼常数；h普朗克常数；c电磁波在真空中的传播速度。黑体总的辐射能量随温度的增高而增加，这是单波段测温仪的依据。随着温度升高辐射峰所在的波长向短波方向移动，其规律符合维恩位移定律。显然高温测温仪适用于较短的工作波长，低温测温仪宜选用较长的工作波段；短波长处辐射

3、能量随温度增加比长波长处快，这意味着短波长处比长波长处测温灵敏度高。1.2斯蒂芬一玻耳兹曼定律将普朗克公式1-1对所有波长积分，便可得到描述单位面积黑体辐射到半球空间的总辐射功率，即 （12）式中，称为斯蒂芬一玻耳兹曼常数。1.3实际物体温度的计算式（11）,（12）中的T均为绝对温度。计算实际物体的辐射出射度只需在式（11）,（12）中乘以发射率即可。物体的辐射出射度与辐射的温度T和发射率有关。只要测出物体的辐射出射度又以知物体的发射率即可求出温度T。实际上物体的测量是通过辐射量的测量得到的。2.红外测温技术的发展状况红外辐射测温技术的发展主要从两方面来看：一是红外辐射测温仪器的发展；二是红

4、外辐射测温技术的发展。2.1红外辐射测温仪器的分类及发展利用红外辐射的原理进行温度测量的仪器是从简单到复杂逐渐发展而成的。早期的红外测温仪仅限于检测物体的某一点的温度，而后可以测量一条线的温度，而不能显示物体的形状和表面上的温度分布。直到了20世纪五六十年代，由于红外探测器的改进和快速灵敏的光子探测器的问世，才导致了实验性、原理性热成像系统的诞生。发展到目前的热成像系统，它己经是窄禁带半导体技术、精密光学、精密机械、微电子学、特殊红外工艺、新型红外光学材料与系统工程学的产物。根据红外测温的方式，红外测温仪器可以分为全场分析探测系统和逐点分析探测系统两种。全场分析是用红外成像镜头把物体的温度分布

5、图像成像在传感器阵列上，从而获得物体空间温度场的全场分布，全场分布探测系统称为红外热像仪。逐点分析是把物体一个局部区域的热辐射聚焦到单个探测器上，并通过己知物体的发射率，将辐射功率转化为温度，逐点分析系统常称为红外测温仪。红外测温仪包括红外点温仪、红外热电视、红外行扫仪。六十年代我国研制成功第一台红外测温仪。我国最早开发应用的是红外光电测温仪，它相当于一个自动光学高温计，响应时间不快，测温精度不高，己经被淘汰。进入九十年代，我国的红外测温仪采用当今国际上通用的工作原理，由反射式、折射式或干涉式光学系统收集被测物发出的红外辐射，经滤光片选取一定波长范围的辐射，射入红外探测器，探测器输出的电信号经

6、过放大，线性化处理后送入数字电压表显示被测物体的温度。并且陆续生产了小目标、远距离、适合工业生产特点的测温仪器，如西光IRT-1200D型、HCW-III型、HCW- V型；YHCW-9400型；WHD4015型(双瞄准，目标直径为40mm时，测距可达15m)、WFHX330型(光学瞄准，目标直径为50mm，测距可达30m )。九十年代末期，我国也产生了用光纤束作为光学系统的测温仪，用单板机或单片机作信号处理和线性化及数字显示的测温仪。2.2红外辐射测温技术的分类及发展到二十世纪初，辐射法测温的理论准备已基本完善。又经过了几十年的努力，应用于工业现场的红外测温仪，已有了三种类型的传统形式。即全

7、辐射测温仪、单色测温仪和比色测温仪。全辐射测温仪是通过测量波长从零到无穷大的整个光谱范围内的辐射功率来确定物体的辐射温度。单色测温仪是通过测量目标发射的某一波长范围内的辐射功率来确定目标亮温的仪器。比色测温仪是根据两个波段辐射能量的比值与物体温度的函数关系来测定物体色温的。1954年Pyatt建议使用3个波长的比色温度计，以得到发射率与波长的关系。到70年代末80年代初兴起了多光谱辐射测温技术的热潮。1979年Cashdolla研制成功了3波长高温计，在1.8，1.9及1.0三种波长下测量火焰及爆炸粉尘的温度，测量上限可至2000K，同时可换用滤光片方法形成4波长及6波长高温计。同年Svet等

8、研制成4波长高温计用以测量物体表面真实温度，测温范围为：3003000K。Lyzenga和Ahrens于同年推出了6波长的温度测量装置，采用硅光电二极管作和0.480.8波长范围内的检测元件，用以测量冲击波后的物体的真实温度，测温范围为:40008000K，精度可至20%。1981年，Gardner及Jones等研制成了6波长高温计，工作波长为0.751.65，测温范围为10001600K，精度为1%。1982年欧共体Babelot及美国Hoch等人继续研究多波长高温计，并研制成6波长高温计，采用光导纤维束分光，硅光电二极管，用于材料热物性的快速动态测量，在 5000K时分辨率为5K，并拟向1

9、0000K方向继续发展。同年Cashdollar在3色高温计基础上推出了6波长高温计，用于测量粉尘爆炸过程中粉尘粒子及气体的温度，使用PbSe探测器，6个工作波长分别为：1.57，2.30，3.84，4.42，4.57，5。1986年欧共体及美国联合课题组的Hiernaut等人研制成功了亚毫秒级6波长高温计，用于20005000K温区内真温和光谱发射率的同时测量，温度测量精度为0.5%，发射率测量精度为15%。1992年Levendis等人研制成了3色辐射温度计，工作波长分别为0.65，0.8和0.95，并用于燃烧粒子瞬态响应测量，在数据处理上，采用比色思想，3个比色结果在2500K时相差小于

10、100K。1992年Cezairliyan等人亦报导了亚毫秒级6波长高温计的研制情况，采用光导纤维束分光方法，6个工作波长分别为0.5，0.6，0.65，0.7，0.8和0.9，在脉冲加热下测量了铌金属试样的亮度温度。1984年北京武汉光学技术研究所研制成功3波长HDW-1型红外测温仪。1988年北京联大提出了多光潜温度自动检测法。1989年王瑞才研制成功4波长高温计并应用于电弧加热下烧蚀材料的温度测量。但都没有应用多波长测温理论中的数据拟合法，而还只是停留在比色、单色高温计处理思想上，多个通道数据只是为了相互校验。1991年戴景民与罗马大学G.Ruffino教授合作研制成功国际首创的棱镜分光

11、式35波长高温计，并成功地用于烧蚀材料真温及发射率测量。1999年他又研制成功6目标8波长高温计并应用于固体火箭发动机羽焰温度和发射率的同时测量。2001年又成功地研究红外多波长辐射温度计用于导弹发射车的隐身测量。近年来，多波长辐射测温理论亦有了相应的发展。3.红外测温的展望在大量的科研与工业中，离不开测温，红外温度计有快速、准确、便捷、使用寿命长等优势，正被越来越多的人们所认识，在冶金、电子、石化、交通、能源、橡胶、食品等行业得到了广泛应用，成为企业故障检测，产品质量控制和提高经济效益的重要手段。利用红外测温的远距离、不接触、准确、实时、快速等特点发展起来的红外检测技术由于在不停电、不取样、

12、不解体的情况下能快速实时地在线监测和诊断大多数故障，所以倍受国内外的重视，并得到快速发展。非典疫情过后，人们越来越注重公共卫生安全。非接触、高精度医用红外温度计的研究，对于在公共场合、大流量人群的快速检测具有重要的意义。它不仅具有巨大的商业价值，而且具有重大的社会价值。随着红外材料及传感器类型的不断开发研究，新型测温仪器正逐步替代传统的测试手段。目前美、英等国正致力于加强前视红外系统信息处理能力(如自动人工目标分类)，便携式整机配个人计算机可产生实时、高分辨力图像来解决研究领域和工业领域中的问题。世界上除了一些大军工企业公司(如美国的Honeuwell公司、休斯飞机公司)之外，许多大商业公司(

13、如三菱电气、日本横河电机(株)、瑞典AGA公司、法国Pyro公司、Sofradier公司、HGH红外系统工程公司等)也正在积极从事红外测温、热成像技术的研究及产品开发。在国内，近年来随着我国工业迅速发展和产品更新换代的加速，对测温仪器的需求量越来越大，尽管热电偶(热电阻)一类接触性测温传感器件仍然具有很大的优势，但非接触性的红外测温仪器正日益受到各行业的关注。4.结论随着科学技术的迅猛发展，先进的红外传感器的出现以及高性能单片机的不断推出，使得红外测温技术迅速发展并且得到了广泛的应用。利用红外测温技术制作的红外体温计具有非接触、响应速度快、利于环保等优点,在人民生活水平不断提高的现代社会，必然

14、会取代水银温度计成为人们的首选产品。在欧美,热释电耳道式测温仪已成功用于体温测量，1991年后基本已经普及。但是，我国在这方面起步较晚。2003年，由中科院物理研究所王树铎教授研制的“非接触、口腔式红外线电子体温仪”才获得专利授权。在此之前，完全不与人体接触、又满足医疗测量精度的要求的体温计，还没有面世。因此，对测量温度范围在24.0到45.0，精度要求为0.1的红外体温计的设计具有一定商业与社会价值。参考文献1.范书彦.红外辐射测量精度与误差分析.长春理工大学2.苗玉杰.医用红外测温仪及温度补偿技术的研究.燕山大学3.陈宏起.全辐射反射式红外测温技术研究.吉林大学.20054.毛志毅.苏东明

15、.李开元.王卫东.陈广飞.非接触式红外遥感体温计的设计与实现.医疗卫生装备.2003.09 16-195.曾亦可.刘梅冬.姜胜林.李军.周东祥.热释电红外测温系统.系统工程与电子技术2004.02.273-2766.曾凡军.红外双色测温仪的设计研究.江汉石油学院学报2004.S1 7.刘福杰.王浩静.范立东.红外测温仪原理及其在应用中注意的问题.现代仪器2007.04 50-518.曾强.舒芳誉.李清华.红外测温仪的工作原理及应用.电子质量2007.01 25-269.曾强.舒芳誉.李清华.红外测温仪工作原理及误差分析.传感器世界2007.02 32-3510.侯关士 李缙海 基于因特网数据管

16、理系统的设计与实现 微机应用 2011，22（3）；13413711.李志强.黄顺.张卫华.杜秀伟.基于TPS434的红外传感测温仪的设计.现代电子技术2007.12 6-7 12.聂绍龙.大距离系数红外测温理论及应用研究.浙江大学.200313.邢向华.非制冷红外热成像测温技术与系统研究.南京理工大学.200414.李松林.非接触人体表面温度测量方法的研究.天津大学.200515.TN9红外模块说明书。本科毕业论文（设计）开题报告书（学生用表）学生姓名王建业学号200909130101题目红外快速检测人体温度装置的设计选题意义、研究现状及可行性分析课题的来源、目的意义（包括应用前景）、国内外

17、现状及水平课题来源： 2003年，一场没有硝烟的战争无情地席卷了整个中华大地，这就是令人听了都心惊胆战的“非典”。在国家各部门投入大量人力，物力，财力抢救“非典”病人的同时，各地也积极响应党中央的号召，全力以赴做好“非典”的防控工作，尤其是在机场、海关、车站、宾馆、商场、影院、写字楼、学校等人流量较大的公共场所，对“非典”病人体温的检查尤为重要。目前，国内传统的体温测量是用医用玻璃液体温度计（俗称体温表）、医用电子接触式温度计（常用热敏电阻作为它的感温元件）等插入人体内部（舌下、直肠）或置于腋下，通过接触使温度计的温度等于被测处的温度。但这些体温计的缺点是测量的速度慢（约2分钟以上）。玻璃液体

18、温度计还易碎，在使用时容易因消毒不彻底而引起交叉感染。在SARS预防的检测中，在需测量的人很多，时间又要短时，它们就不大适用了。基于此，本文所介绍的一种不接触式的红外快速检测人体温度装置应运而生了研究目的： 此次研究红外快速检测人体温度装置的主要目的，在于它能够在机场、海关、车站、宾馆、商场、影院、写字楼、学校等人流量较大的公共场所，有效地避免国内传统的体温测量的缺点，在快速，准确，没有交叉感染的情况下测量出人体温度，因此不接触式的红外温度测量法就被广泛用于SARS预防的检测工作中。正是由于红外快速检测人体温度装置的种种先进特性，而可以广泛应用于各种场所，拥有很好的市场前景！同时通过这次毕业设

19、计，提高了同学们的自学能力，熟悉产品设计程序，引用所学传感电子技术的知识解决实际问题。国内水平： 在2003年全国防“非典”斗争中，中科院上海技术物理研究所在863计划高技术成果的基础上对红外技术应用于非接触式测温进行了深入研究，在短时间内开发成功了“非接触式红外测温仪”，打开了国内“非接触式测量”的新篇章. 人体体温是鉴别人体健康状况的重要参数，所以体温在医疗领域中占有十分重要的地位。现有体温计大概分为三种类型：一种是常见的玻璃水银体温计；一种是电子体温计；另一种是较高档的耳道式红外遥感体温计。 水银体温计虽然价格便宜但是有诸多弊端：首先，水银体温计遇热或安置不当，体温计容易破裂。其次，人体

20、接触水后会中毒，中毒症状是恶心、头痛、腹泻、脱发等，严重者会造成血液凝固。因为水银有剧毒，一旦它污染了水源或食物，可以对人的肾脏、肺等造成极大的伤害，水银也能加速人神经系统退变。最后，采用水银体温计测温需要相当长的时间(5min-l0min)，使用不便。美国一些城市和医院已开始禁止使用水银体温计(北京青年报2001年7月10日，环球时报2001年7月13日)。研究的主要问题和重点、难点 电子体温计是采用热敏电阻测量温度的，采用电子体温计测温也需要较长的时间，同样使用不便。耳道式体温计是根据黑体辐射原理通过测量人体辐射的红外线而测量温度的。它用的红外传感器只是吸收人体辐射的红外线而不向人体发射任

21、何射线，它采用的是被动式且非接触式的测量方式，因此红外体温计不会对人体产生辐射伤害。三种体温计比较之，耳式体温计的性能最好，它不仅测量速度快(测量时间小于1s)而且精度最高(±0.1)。 人体的温度只在较小的范围内变化(35-42)，因此，只要进行较细的刻度，红外体温计就可获得较高的测量精度。为了排除环境温度变化对测量结果的影响，还要采用温度补偿电路对环境温度进行补偿。我们要设计的红外体温计其测量范围是35-42，且精度为±0.1。在该设计中，以低功耗单片机为主体，配有高精度放大器和16位ADC，测量值用LCD进行温度显示，具有成本较低、使用方便、测量时间短、精度较高、可重

22、复性好。更重要的是，通过进一步设计完善，它可以与电脑连接，因此更适用于病房和护士工作站使用。以下详细阐述测温基本原理和系统实现。1 基本原理首先介绍红外遥感体温计的物理原理，然后介绍红外传感器的原理和结构，最后介绍环境温度补偿的方法，及其提高测量精度的可行性。2 黑体辐射定律红外体温计的测温原理是基于黑体辐射定律，黑体是在任何温度下都能全部的吸收投射到其表面的任何波长的辐射能量。既没有反射，也没有透射的物体。同时它也向外界辐射能量。黑体的单色辐射出度是描述在某一波长辐射源单位面积上发出的辐射通量。温度为T的黑体单色辐射出度为其中：c1是3.7418×l0-16W·m2，c2

23、是1.438×10-2m·k。由此可以计算出在温度位T的黑体在全部波长范围内的辐射出度为 其中：A是波尔兹曼常数。此外，由于人体皮肤不是理想的黑体，只有在大于5um波长范围才可以近似看成是黑体，所以在红外传感器上要装有大于5.5um的波长才可以通过的滤波器。 红外传感器是红外体温计的关键部件，它是由温差热电堆和热敏电阻两部分构成的。热电堆是用半导体集成电路(IC)工艺和微机械电子(MEMS)工艺制造的，它可以等效为多个热电偶串联组成的。而热电偶是由两种电子密度不同的导体相连接组成的。热电偶有冷热两个端点。在测量物体温度时，热端与被测物体接触，冷端与测量仪表接触。热电偶的同种导体上会因为存在温度剃度而产生汤姆孙电动势，两种金属的连接处会因为电子密度差而产生珀而粘电动势，所以在热电偶的两端会产生温差电动势。在红外传感器热电堆的热端贴有热量吸收器，它用来吸收被测物体辐射的红外线并转化为热能。通过热电堆把辐射红外线的功率转化为电信号进行测量。 红外传感器的输出特性 温度为Tobj的物体，其单位面积在全部波长的辐射功率可以表示为其中：K是波尔