CN111579079A

CN111579079A - 一种毫米波人体体温测量装置

Info

Publication number: CN111579079A
Application number: CN202010353303.7A
Authority: CN
Inventors: 时翔; 成城; 金维东; 周寅; 顾佳明
Original assignee: Changzhou Institute of Technology
Current assignee: Changzhou Institute of Technology
Priority date: 2020-04-29
Filing date: 2020-04-29
Publication date: 2020-08-25

Abstract

本发明涉及一种毫米波技术的运用，具体为一种毫米波人体体温测量装置，包括毫米波天线、毫米波放大器一、单刀双掷开关一、毫米波放大器二、毫米波检波器、单刀双掷开关二、比较放大器和参考负载；所述毫米波天线、毫米波放大器一、单刀双掷开关一、毫米波放大器二、毫米波检波器、单刀双掷开关二和比较放大器依次连接，所述参考负载也与单刀双掷开关一连接，本装置不需对准裸露皮肤，能够穿透人体衣物，进行人体的非接触式体温测量，无水银的污染隐患、测量迅速、读数简便。

Description

一种毫米波人体体温测量装置

技术领域

本发明涉及一种毫米波技术的运用，具体为一种毫米波人体体温测量装置。

背景技术

人体的体温测量，在人体的生理状态监控、医疗与保健、防疫与防控中，越来越显得重要。在各项人体体温测量技术的发展过程中，下述几种方法已得到广泛应用。

基于物理方法的玻璃体温计：玻璃体温计的工作物质一般为水银。它的玻璃泡容积比上面细管的容积大的多。泡里的水银由于受到体温的影响，产生微小的变化，水银体积的膨胀，使管内水银柱的长度发生明显的变化，与体温达到热平衡时，水银柱恒定。

基于红外方法的红外体温计：红外光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由温度计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，并按照仪器内疗的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。

上述2种体温计已在社会生产实践中广泛应用，但还存在下述缺陷：

(1)玻璃体温计的缺陷也比较明显，易破碎，存在水银污染的可能，测量时间比较长，对急重病患者、老人、婴幼儿等使用不方便，读数比较费事等。

(2)红外体温计的不足指出在于受到周围环境影响大，不能穿透人体衣物，只能测量人体裸露皮肤的温度。

发明内容

本发明要解决的技术问题克服现有的缺陷，提供一种毫米波人体体温测量装置。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：一种毫米波人体体温测量装置，包括毫米波天线、毫米波放大器一、单刀双掷开关一、毫米波放大器二、毫米波检波器、单刀双掷开关二、比较放大器和参考负载；所述毫米波天线、毫米波放大器一、单刀双掷开关一、毫米波放大器二、毫米波检波器、单刀双掷开关二和比较放大器依次连接，所述参考负载也与单刀双掷开关一连接。

作为优选，还包括显示器，所述显示器与比较放大器电连接。

作为优选，还包括开关激励器一、方波发生器和开关激励器二，所述开关激励器一、方波发生器和开关激励器二依次电连接，所述开关激励器二与单刀双掷开关二连接，所述开关激励器一与单刀双掷开关一连接。

本发明有益效果：本发明的毫米波人体体温测量装置本装置与基于物理方法的玻璃体温计不同，本装置不需对准裸露皮肤，能够穿透人体衣物，进行人体的非接触式体温测量，无水银的污染隐患、测量迅速、读数简便。

毫米波的人体衣物穿透能力远大于红外，因此，本装置不仅能够进行非接触式的温度测量，而且可以穿透人体衣物，测量人体体温，使人体的体温测量更加方便。

本发明装置的特殊用途是能够快速、准确得进行人体体温监测，特别适用于各种正常社交环境下，多个人员通行、聚集时的体温异常个体的筛选式检测。

附图说明

图1是本发明实施例提供的毫米波人体体温测量装置示意图；

图2是本发明实施例提供的毫米波人体体温测量原理示意图；

图3是本发明实施例提供的毫米波测量电压与温度的线性关系示意图。

附图说明：1、毫米波天线；2、毫米波放大器一；3、单刀双掷开关一；4、毫米波放大器二；5、毫米波检波器；6、单刀双掷开关二；7、比较放大器；8、显示器；9、参考负载；10、开关激励器一；11、方波发生器；12、开关激励器二。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

一种毫米波人体体温测量装置，包括毫米波天线1、毫米波放大器一2、单刀双掷开关一3、毫米波放大器二4、毫米波检波器5、单刀双掷开关二6、比较放大器7和参考负载9；所述毫米波天线1、毫米波放大器一2、单刀双掷开关一3、毫米波放大器二4、毫米波检波器5、单刀双掷开关二6和比较放大器7依次连接，所述参考负载9也与单刀双掷开关一3连接；还包括显示器8，所述显示器8与比较放大器7电连接；还包括开关激励器一10、方波发生器11和开关激励器二12，所述开关激励器一10、方波发生器11和开关激励器二12依次电连接，所述开关激励器二12与单刀双掷开关二6连接，所述开关激励器一10与单刀双掷开关一3连接。

检测原理如下。

广义的讲，任何一个物体都是一个辐射源，在一定温度下都要向外辐射能量。在人体的辐射能量中，由于人体的体温平均在37℃左右，红外频谱的能量占据主要成分，称为红外热辐射，且红外热辐射能量与人体温度的4次方成正比，因而可以利用红外的测量技术，通过测量人体的红外辐射能量来得出人体的体温；除了占据主要成分的红外频谱的能量外，人体还向外辐射毫米波频谱范围内的能量，称为毫米波热辐射，虽然能量较弱，但可以通过高灵敏度的毫米波测量装置进行测量，且毫米波热辐射能量与人体温度的2次方成正比，因而可以利用毫米波的测量技术，通过测量人体的毫米波辐射能量来得出人体的体温。

本发明的毫米波的工作频率为30～300GHz，介于微波(300M～30GHz)和太赫兹波、红外之间。与微波、太赫兹波的检测相比，人体自身辐射的毫米波能量远远大于微波、太赫兹波能量；与红外的检测相比，较长波长的毫米波具有穿透塑料、墙板、衣物等介质材料，穿透烟、雾、灰尘的能力，因而可以在更广泛的环境条件下，穿透人体衣物，进行人体体温的遥测和非裸露皮肤测试，更具普适性。

在毫米波频率，人体的毫米波热辐射的谱亮度与温度之间的线性关系如下式(1)所示：

式中：

B_f——谱亮度；

k——普朗克常数；

T——绝对温度；

λ——波长。

通过毫米波天线进行人体辐射功率的测量，天线接收到的功率如下式(2)所示：

式中：

P——天线接收功率；

A_T——天线有效面积；

——谱亮度；

——天线归一化功率增益方向图；

dΩ——天线归一化功率增益方向图的微分立体角；

f——天线工作频率；

Δf——天线工作带宽。

检测功率限于一窄带Δf内，将天线接收功率公式(2)与谱亮度公式(1)联系，可以得出：

天线辐射图的立体角为：

因此，可得：

P＝k·T·Δf (5)

从上述各式可以看出，人体热辐射的毫米波能量(功率P)与体温(温度T)存在一一对应的关系，测量人体的毫米波热辐射功率，通过一定的线性变换，可以推导计算出人体的体温。

如图1所示，毫米波人体体温测量装置由以下部分组成：毫米波天线1；毫米波放大器一2；单刀双掷开关一3；毫米波放大器二4；毫米波检波器5；单刀双掷开关二6；比较放大器7；显示器8；参考负载9；开关激励器一10；方波发生器11；开关激励器二12。

毫米波天线1接收人体目标辐射的毫米波能量，经过毫米波放大器一2进行毫米波能量的放大后，进入单刀双掷开关一3；经单刀双掷开关一3后，进入毫米波放大器二4放大，再进入毫米波检波器5进行能量检波，输出低频电压信号，进入单刀双掷开关二6后，进入比较放大器7进行比较放大。

毫米波天线1、毫米波放大器一2、单刀双掷开关一3、毫米波放大器二4、毫米波检波器5、单刀双掷开关二6、比较放大器7构成测量通道。

单刀双掷开关一3切换到参考负载9后，参考负载9输出的毫米波能量通过单刀双掷开关一3，进入毫米波放大器二4放大，再进入毫米波检波器5进行能量检波，输出低频电压信号，进入单刀双掷开关二6后，进入比较放大器进行比较放大。

参考负载9、单刀双掷开关一3、毫米波放大器二4、毫米波检波器5、单刀双掷开关二6、比较放大器7构成测量通道。

所述毫米波放大器一2工作频率与毫米波天线1一致，且具有低噪声系数、宽带、低增益特点。

所述单刀双掷开关一3工作频率与毫米波天线1与毫米波放大器一2一致，具有低插入损耗的特点。

所述毫米波放大器二工作频带在毫米波天线与毫米波天线1的工作频带范围内，且在其中心频率附近，具有相对窄带、高增益的特点。

所述毫米波检波器工作频率与毫米波放大器一2一致，将输入的毫米波能量进行功率检波，输出低频率的电压信号。

所述单刀双掷开关二工作频率为低频，DC～1KHz。

所述比较放大器工作频带与毫米波检波器输出信号频率一致，两个输入通道分别为测量通道与参考通道输出的低频电压信号；比较放大器对测量通道与参考通道输出的低频电压信号进行比较，对其差值进行低频放大；比较放大器输出电压为正值，表示测量通道的输入电压信号高于参考通道的输入电压信号，输出电压为负值，表示测量通道的输入电压信号低于参考通道的输入电压信号。

所述显示器根据毫米波能量与温度之间的线性关系，将比较放大器的输出电压信号进行电压和温度的转换，输出测量目标的准确温度值。

所述参考负载设置为37癈恒温噪声功率输出；其中37癈恒温的毫米波噪声功率经过参考通道输出。

所述开关激励器激励单刀双掷开关一进行测量通道和参考通道的切换。

方波发生器输出10Hz～1KHz的方波，以控制开关激励器一10和开关激励器二12进行开关切换。

如图2所示，毫米波人体体温测量原理示意图中：A处表示第一个人体目标；B处表示第二个人体目标；T0＝37℃，亦为参考负载的温度；T1为第一个人体目标A的体温；U1为第一个人体目标A的毫米波测量电压；T2为第一个人体目标A的体温；U2为第一个人体目标A的毫米波测量电压；ΔT1为第一个人体目标A与参考负载的温度差，ΔT1＝T0-T1；ΔT2为第一个人体目标B与参考负载的温度差，ΔT2＝T2-T0；ΔU1为第一个人体目标A与参考负载的毫米波测量电压差，ΔU1＝U0-U1；ΔU2为第一个人体目标B与参考负载的毫米波测量电压差，ΔU2＝U2-U0。

如图3所示，毫米波测量电压与温度的线性关系示意图中，A处表示第一个人体目标；B处表示第二个人体目标；T0＝37℃处，对应电压值为0V；T1为第一个人体目标A的体温，其对应的第一个人体目标A的毫米波测量电压为U1；T2为第一个人体目标A的体温；U2为第一个人体目标A的毫米波测量电压。

本发明的毫米波人体体温测量装置通过对测量通道和参考通道的输出信号比较与放大，准确地测量人体自身辐射的毫米波能量数值，从而利用该毫米波能量与人体体温之间的线性一一对应关系，得出人体体温的准确数值。

不仅具有一般通用的人体体温测量功能，而且具有下述两个技术特征：首先，与玻璃体温计不同，能够实现无需接触人体的遥测式体温测量。其次，与红外体温计不同，不需对准裸露皮肤，能够穿透人体衣物，进行人体的遥测式体温测量。

最后，本发明装置的特殊用途是能够快速、准确得进行人体体温监控与遥测，特别适用于各种正常社交环境下，多个人员通行、聚集时的体温异常个体的筛选式检测。

以上为本发明较佳的实施方式，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改，因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种毫米波人体体温测量装置，其特征在于：包括毫米波天线(1)、毫米波放大器一(2)、单刀双掷开关一(3)、毫米波放大器二(4)、毫米波检波器(5)、单刀双掷开关二(6)、比较放大器(7)和参考负载(9)；所述毫米波天线(1)、毫米波放大器一(2)、单刀双掷开关一(3)、毫米波放大器二(4)、毫米波检波器(5)、单刀双掷开关二(6)和比较放大器(7)依次连接，所述参考负载(9)也与单刀双掷开关一(3)连接。

2.根据权利要求1所述的毫米波人体体温测量装置，其特征在于：还包括显示器(8)，所述显示器(8)与比较放大器(7)电连接。

3.根据权利要求1所述的毫米波人体体温测量装置，其特征在于：还包括开关激励器一(10)、方波发生器(11)和开关激励器二(12)，所述开关激励器一(10)、方波发生器(11)和开关激励器二(12)依次电连接，所述开关激励器二(12)与单刀双掷开关二(6)连接，所述开关激励器一(10)与单刀双掷开关一(3)连接。