发布时间 : 星期一 文章便携式红外线人体测温仪设计毕业设计论文更新完毕开始阅读fc17a4940d22590102020740be1e650e52eacf3f
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W =σεT （2-2）
其中：σ=5.67×10-8w/m2·K4，为Stefan—Boltzmann常数，ε为材料表面发射率。1879年斯忒藩从实验上总结得到该公式，1884年波尔兹曼从理论上证明了它。Stefan—Boltzmann定律表明，凡是温度高于开氏零度的物体都会自发地向外发射红外热辐射，同时黑体单位表面积发射的总辐射功率与开氏温度的四次方成正比。而且，只要当温度有较小变化时，都会使物体发射的辐射功率发生很大的变化。因此只要能探测到黑体的单位表面积发射的总辐射功率，就可以确定黑体的温度了。Stefan—Boltzmann定律是所有红外测温的基础。 （3）、辐射的空间分布规律—朗伯余弦定律：
所谓的朗伯余弦定律，就是黑体在任意方向上的辐射强度与观测方向相对于辐射表面法线夹角的余弦成正比：
Iθ = Iocosθ （2-3）
此定律表明，黑体在辐射表面法线方向的辐射最强。因此，实际做红外检测时，应尽可能选择在被测表面法线方向最大值的cosθ倍。 （4）、基尔霍夫（Kirchhoff）辐射定律与发射率：
实验表明，实际物体的辐射度除了依赖于温度和波长外，还与够成该物体的材料性质及表面状态等因素有关。这里，我们引入一个随材料性质及表面状态变化的辐射系数，即可把黑体的基本定律应用于实际物体的红外温度测量。而这个辐射系数就是常说的发射率，或称之为比辐射率，其定义为实际物体与同温度黑体辐射性能之比。该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度，其值在大于0和小于1的数值区间中。根据辐射定律，只要知道了材料的发射率，就知道了任何物体的红外辐射特性。影响发射率的主要因素有：材料种类、表面粗糙度、理化结构和材料厚度等。
因此利用在相同温度下实际物体与黑体的辐射出度之比来表示该物体的一种特性，可以称之为实际物体的发射率，也叫做全发射率，用ε表示。数学表示为：
ε = M / Mo （2-4）
式中：M为实际物体的辐射出度，Mo为相同条件下黑体的辐射出度。 基尔霍夫定律揭示了热平衡下物体的辐射与吸收的关系，指出了一个好的吸收体也是一个好的辐射体。可以用以下公式表达：
ε = α （2-5）
由此可以看出，任何处于热平衡下物体的吸收率等于发射率，即物体的辐射本领越大其吸收本领也越大。
而为了减少测量物体温度的误差，我们要去除环境温度因素的影响，所以修
正的红外辐射定律如下：
E = σε（TO- TA） （2-6）
式中：E为辐射出射度数，单位W/m
-8
2
4
3
4
4
；σ为斯蒂芬—波尔兹曼常数，5.67
×10W/(m·K)；ε为物体的辐射率；TO为物体的温度，单位K；TA为物体周围的环境温度，单位K；只要测量出所发射的E的值，就可计算出对应的温度。
利用这个原理制成的温度测量仪器叫红外测温仪。这种测量不需要与被测对象接触，因此属于非接触式测温。在不同的温度范围，对象发出的电磁波能量的波长分布不同，在常温（0~100°C）范围，能量主要集中在中红外和远红外波长。用于不同温度范围和用于不同测量对象的仪器，其具体的设计也不同。根据式（2-6）的原理，仪器所测得的红外辐射为：
E = Aσε1ε2（TO
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–TA） （2-7）
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式中：A为光学常数，与仪器的具体设计结构有关；ε1为被测对象的辐射率；ε2为红外温度计的辐射率；TO为被测对象的温度（K）；TA为红外温度计的温度（K）；它由一个内置的温度检测元件测出。所有的物体，包括人体各部位的表面，其ε值都是某个大于0并小于1.0的数值。
其中红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光学零件及其位置确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器相关的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。当用红外辐射测温仪测量目标的温度时首先要测量出目标在其波段范围内的红外辐射量，然后由测温仪计算出被测目标的温度。单色测温仪与波段内的辐射量成比例；双色测温仪与两个波段的辐射量之比成比例。
2.2 红外测温传感器的一般结构及测温的特点
某些晶体材料，当其受热时温度升高，在晶体两端产生数量相等符号相反的电荷；晶体冷却，产生的电荷符号则与温度升高时相反。这种由于热变化产生的电极化现象称作热释电效应。红外感应源通常采用热电堆元件，这种元件在接收到人体红外辐射时，由于自身温度变化，导致产生电荷或电势差，再利用一定的电路将该电信号进行处理放大并处理就可以得出要测量的温度值。
其中温差电堆由若干热电偶串联组成，热电偶传感器测定温度与输出电压的关系的测温点在接收到红外辐射能量后温度升高，因为“塞贝克效应”而产生热电动势，其输出电压和测定点的温度近似成正比例关系，这是红外温度传感器测
量体温所依据的基础。
同时为减少太阳光等可见光对传感器的影响，在传感器的前面要加上滤光片，只让红外光通过。滤光片的波长可通过下式计算：λ=2898/T。式中：λ（μm）是波长，T（K）是绝对温度。人体的正常温度取为37°C，则T =310K；λ=9.35μm。通常选用波长为6 ~ 14 μm的光学滤光片，其带通特性有利于温度的测量。 （1）、远距离和非接触测量：红外测温不需要与被测物体接触，并可远距离测量，它特别适合于高速运动物体、旋转体、带电体和高温高压下物体的温度测量。同时也适合用于人体测温。
（2）、响应速度快：红外测温不像常规温度计那样，需要与被测量物体接触以达到热平衡状态才能得到正确的温度数据。它只要接收到目标的红外辐射即可测量，其响应速度在毫秒甚至微秒数量级。
（3）、灵敏度高：因为物体温度的微小变化会引起辐射功率的较大变化，容易被红外测温传感器探测，所以红外测温的可测温差很小，可达零点零几摄氏度。 （4）、准确度高：红外测温是非接触测量，不破坏物体本身的温度分布，因此所测温度相对较为准确。
（5）、测温范围广：测温范围可从负几十摄氏度到正几千摄氏度。
2.3 本章小结
本章主要阐述了红外线测温的一些基础理论和红外测温传感器的结构以及特点。红外线测温可以说是人类发现红外线后的一个重要应用，其中红外线人体测温仪更是医学测量上的重要发明。现在随着科学技术的不断发展，红外线人体测温技术已经非常成熟了，市面上也有非常多的相关产品供人们选择。
第三章 总体方案设计和选择
3.1 设计任务分析
因为本课题是关于便携式红外人体测温仪的设计，所以要采用红外线测温的原理来测量人体的温度，并且要考虑系统的便携性。常见的红外人体测温仪主要有两种：一种是红外耳温计，另一种是红外额温计；这两种形式的红外体温计各有自己的优缺点。
其中红外耳温计是一种专门用于测量鼓膜温度的温度计，通过红外导波管将主要由鼓膜发射的红外辐射能传送到热电堆等热探测器，将红外辐射能量转换为电能后进行电信号处理得到人体温度信息。由于鼓膜的温度稳定，且可以直接体现人体内部核心温度，因此当使用方法正确时耳温计的示数可以作为医学确认。但缺点是由于对使用者提出较高的要求，且使用一次性的探头盖，增加了后期的使用成本。它常用于对卫生要求比较高的医院和家庭里。
而红外额温计主要是通过测量人体的体表（额头等）红外辐射，经过处理后从而得到人体的温度信息。其优点是完全无需与人体接触（真正意义上的无接触测量），这就意味着无需使用一次性的探头盖，从而节约使用成本和避免人群交叉感染。但由于人体的体表温度很容易受到各种因素（温度、湿度、人体体表的洁净度等）的影响，比如在寒冷的冬天人体的体表温度比核心温度要低得多，而在炎热的夏天则情况相反。这样测量得出的温度数据不能反映出人体温度的真实信息，而且这些因素的影响是不确定