基于熱釋電效應(yīng)的非接觸式紅外測溫儀的設(shè)計

張少華 姚國瑞 陳大鵬 錢麒麟 堵若瑜

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

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

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）17-0239-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（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)，人們開始將原來應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)制造中的高精度紅外測溫儀使用到醫(yī)療和日常生活中。

目前2019-nCoV仍然在全球眾多的國家中傳播，每天確證的病例數(shù)依舊很多，我國從去年病毒爆發(fā)以來就在全國所有的公共場所、車站、機(jī)場、學(xué)校等人員密集的場所配備測溫裝置來測量體溫，大多數(shù)場所采用的測溫裝置仍然是熱電堆紅外測溫槍。傳統(tǒng)的熱電堆測溫槍對于本次疫情而言有一個最大的缺點(diǎn)，測溫槍需要近距離接觸被測目標(biāo)，人體體溫的可測距離大概為1-3cm，這種測量方式不僅不太方便，還有可能增加測量人員感染的風(fēng)險，所以設(shè)計一種可以遠(yuǎn)距離測量的測溫儀十分必要。

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

1測溫原理

目前多數(shù)的測溫裝置都是利用物體的紅外輻射測量溫度，紅外輻射也叫紅外線，是紅光的外側(cè)看不見的光。自然界中的物體只要溫度大于絕對零度就會向外輻射出不同強(qiáng)度的紅外線，因此如果已經(jīng)知道某個物體的發(fā)射率，只需要測量被測物體的紅外輻射量就可以通過計算確定物體的溫度，所有紅外測溫裝置都是基于這一原理制作而成的。

紅外線是頻率介于微波與可見光之間的電磁波，波長的范圍在0.75μm到1000μm之間，根據(jù)波長可分為以下四個波段，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零度就會向外輻射出不同強(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)普朗克公式可以計算出物體在波長為[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]，稱為第一輻射出射度常數(shù)，[C2=1.4388×10-2W?K]，稱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)熱釋電器件檢測范圍內(nèi)的溫度產(chǎn)生變化時，光敏面的電極會釋放電荷，從而在兩個電極之間產(chǎn)生一定的電壓差。熱釋電紅外傳感器通過探測溫度變化時，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換之后將溫度信號轉(zhuǎn)化為交變電壓信號，經(jīng)過后續(xù)處理電路得到溫度信息，經(jīng)推導(dǎo)普朗克公式計算得到物體溫度為：

[Q=Kε1σT41-Kε2σT42]

上式中，[T1]是被測物體的溫度;[T2]是物體所處環(huán)境的溫度;[ε1]是被測物體的發(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]，稱為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù);[K]是探測器的靈敏度。

2測溫系統(tǒng)整體設(shè)計

基于熱釋電效應(yīng)的非接觸式紅外測溫儀系統(tǒng)主要有以下四部分組成：光學(xué)系統(tǒng)，光電檢測模塊，信號處理模塊，顯示模塊和報警電路，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，確定視場的大小，采集到的輻射信號通過熱釋電紅外傳感器完成光電信號的轉(zhuǎn)換，檢測得到的交變電壓信號再經(jīng)過放大濾波電路傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，最終通過顯示模塊顯示測量的溫度，還可設(shè)定報警閾值，超過閾值溫度發(fā)出警報。

3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

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產(chǎn)生電荷，所以熱釋電傳感器對靜止的物體或者移動較慢的物體不敏感，這樣就可以降低環(huán)境干擾，例如太陽光中的紅外線以及周邊物體輻射出的紅外線。

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

熱釋電紅外傳感器將探測到的紅外輻射轉(zhuǎn)換成交變的電壓差信號，經(jīng)過場效應(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靈敏度，菲涅爾透鏡是將透鏡分成若干等分來增加紅外線的匯聚，從而和后續(xù)的放大電路配合起到放大信號的作用。

3.2信號放大電路

被測人員向外輻射出的紅外線經(jīng)過光學(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，該信號要先經(jīng)過一個RC濾波電路，由于輸出的信號微弱，一般情況下大概為1mV左右，并且是一個變化的脈沖電壓信號，脈沖電壓信號的頻率則取決于被測物體的移動速度，一般情況下在0.1Hz到10Hz之間，所以對輸出的信號進(jìn)行放大十分必要。信號放大電路部分使用集成運(yùn)算放大器LM324進(jìn)行放大，兩級的放大可以使得輸出信號獲得足夠的增益，具體電路如圖3所示。

3.3報警保持及消除電路

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

4結(jié)束語

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

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【通聯(lián)編輯：朱寶貴】