CN112539839A - 一种非接触式动物体温监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非接触式动物体温监测装置,它包括设备主体、红外传感器、远红外透镜、弹性伸缩机构、环境温度传感器、松紧绑带和主控制器,设备主体通过松紧绑带固定在动物颈部或其他部位,设备主体内设置有主控制器以及与主控制器相连的红外传感器、环境温度传感器,红外传感器前部的设备本体上设置有弹性伸缩机构,弹性伸缩机构外端密封设置有远红外透镜,远红外透镜与动物皮肤直接接触设置,弹性伸缩机构深入动物毛发内部。本发明能够实现在线高精度温度测量,测温快速准确,使用方便可靠,实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种体温监测装置,具体涉及一种非接触式动物体温监测装置。
背景技术
动物的体温变化和其生长状况息息相关,监测动物体温的变化可对动物的发情期等阶段进行精准判断,从而进行有针对性的处理,提升养殖效益。同时畜牧业养殖,动物整体密度较大,如果发生可传播疾病,容易造成大面积的传染。常规的人工测量方式,效率较低且不易操作。
动物体表温度和实际体温之间有一定的差值,并且此差值和环境温度相关,只判断体表温度无法准确还原体温。
常规体表温度测量技术,受动物毛发影响较大,针对牛、羊等牲畜。由于毛发的存在无法准确测量体表温度。
目前主要要以下技术进行动物体温测量:
1.体外传导式测温方法。通过佩戴在动物体表,温度感应装置和动物毛发使用绑带贴合,理想情况下,温度感应装置会和动物体温趋于一致。通过对热感应装置温度的监测实现对动物体表温度的监测。此技术主要的问题是动物毛发有较好的隔热效应,衰减较大。同时热传导的实时性较差,当两部分温度接近时,需要很长时间才能温度的同步。
2.体外红外测温方法。同样佩戴在动物体表,采用类似人体测温枪的技术方案,使用红外热电堆传感器,加装菲涅尔透镜实现对目标温度的非接触测量。此方案同样受体表毛发隔热影响较大,同时毛发的红外发射率和皮肤差距较大,进一步增加了测量的误差。同时,由于热电堆原始精度较低,需要采用长时间过采样的技术来提高精度。正常需要一秒钟的时间来获取准确数据。动物可穿戴设备要求系统具备极低的功耗,满足电池供电长期工作的要求。过长的采样时间将降低系统的使用时间。
3.体内测温方法。以超高频rfid测温标签为代表,可以将测温标签植入动物皮下或者体内,通过读取设备定期获取动物体温,由于测温标签直接植入动物体内,温度测量精度较高。缺点是采集需要靠近采集设备,无法做到长期在线监测。并且整体实施难度较大,不利于推广。
综上所述,上述技术效果都不是很好,因此,本发明设计了一种非接触式动物体温监测装置。
发明内容
针对现有技术上存在的不足,本发明目的是在于提供一种非接触式动物体温监测装置,能够实现在线高精度温度测量,测温快速准确,使用方便可靠,实用性强。
为了实现上述目的,本发明是通过如下的技术方案来实现:一种非接触式动物体温监测装置,包括设备主体、红外传感器、远红外透镜、弹性伸缩机构、环境温度传感器、松紧绑带和主控制器,设备主体通过松紧绑带固定在动物颈部或其他部位,设备主体内设置有主控制器以及与主控制器相连的红外传感器、环境温度传感器,红外传感器前部的设备本体上设置有弹性伸缩机构,弹性伸缩机构外端密封设置有远红外透镜,远红外透镜与动物皮肤直接接触设置,弹性伸缩机构深入动物毛发内部。
作为优选,所述的远红外透镜采用远红外防尘防水滤光片,保证整体结构的密封防水,同时不会影响红外光的透射。
作为优选,所述的红外传感器的感应点到远红外透镜的最远距离为3cm,所述的红外传感器的FOV为10°,远红外透镜直径为1cm。
作为优选,所述的远红外透镜为透过波长为5-14μm的硅片远红外透镜。
本发明的有益效果:本发明的采用高精度非接触式红外温度传感器,可以在0.1秒内获取准确的目标温度。采用弹性伸缩式透镜结构,可以使测温探头深入动物毛发内,减小毛发对体表温度的影响,内置小角度视场镜头,保证透镜移动不会对测温产生影响;采用远红外滤光片,保证整体结构的密封防水,同时不会影响红外光的透射。内置环境温度传感器,通过环境温度补偿,得到精准的体温。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明;
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,下面结合具体实施方式,进一步阐述本发明。
参照图1,本具体实施方式采用以下技术方案:一种非接触式动物体温监测装置,包括设备主体1、红外传感器2、远红外透镜4、弹性伸缩机构5、环境温度传感器7、松紧绑带8和主控制器9,设备主体1通过松紧绑带8固定在动物颈部或其他部位,设备主体1内设置有主控制器9以及与主控制器9相连的红外传感器2、环境温度传感器7,红外传感器2前部的设备本体1上设置有弹性伸缩机构5,弹性伸缩机构5外端密封设置有远红外透镜4,远红外透镜4与动物皮肤6直接接触设置,弹性伸缩机构5深入动物毛发内部。
所述的远红外透镜4采用远红外防尘防水滤光片,保证整体结构的密封防水,同时不会影响红外光的透射。
所述的红外传感器2的感应点到远红外透镜4的最远距离为3cm,所述的红外传感器2的FOV为10°,远红外透镜4直径为1cm。
所述的远红外透镜4为透过波长为5-14μm的硅片远红外透镜。
本具体实施方式的设备主体1使用绑带直接固定在动物颈部或其他部位,红外传感器2为核心测温设备,具备高速温度采集、小视场角度等优点;红外视场3示意有效的红外测温范围,远红外透镜4实现防水防尘,同时不阻隔红外线的功能;弹性伸缩结构5带弹性的长度可调节的多接结构,用于深入动物毛发内部,减小测量误差;动物皮肤6和弹性伸缩结构顶端的远红外透镜直接接触;环境温度传感器7检测环境温度变化,用于补偿动物真实体温;松紧绑带8用于固定设备到动物颈部或其他部位;主控制器9为系统处理单元,负责传感器数据采集及温度补偿,传输等。
本具体实施方式的红外传感器:物体红外辐射能量的大小和波长的分布与其表面温度关系密切。因此,通过对物体自身红外辐射的测量,能准确地确定其表面温度,红外测温就是利用这一原理测量温度的。红外测温器由光学系统、光电探测器、信号放大器和信号处理及输出等部分组成。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,并按照仪器内的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。
红外测温视场角度(FOV, Field of view) 相当于传感器的“眼睛”能看到的范围,不同型号的传感器“眼睛”能张开的大小不一样,决定了能测温的能力不同。要想准确测出物体的温度,被测物必须把整个FOV“装满”,不然外部的物体温度将会被测量进去,导致错误的测试结果,目标Tobj由于面积过小,未能完全覆盖视场角,导致Terror区域进入传感器视场,从而得到错误的结果。
针对本检测装置的设计,由于伸缩式镜头的存在,红外透镜距离传感器感应电有一定的距离。此时需要减小视场角,或者加大红外滤光片的直径,以保证整个伸缩镜头区域不会遮挡红外传感器的FOV视场角。
根据设计,红外传感器感应点到伸缩镜头最远距离为3cm。取FOV为10°的红外传感器,根据三角函数,则在3cm的位置,FOV直径为0.525cm。此处选择直径为1cm的远红外滤光透镜,可以满足FOV不被遮挡的要求。
为了实现设备整体的防尘防水,并保证红外传感器的长期稳定性,需要避免红外传感器长期裸露在空气中。此处在弹性伸缩结构顶端,装有一个专用的远红外滤光片。正常的哺乳动物体温温度,波长在8~12um之间。此处选择使用透过波长为5-14um的硅片远红外透镜,透过率80%以上。可以满足系统的要求。由于透过透镜的红外光有一定的损失,在补偿阶段对损失值进行算法补偿,可以还原传感器原始精度。
伸缩式镜头结构是为了实现和动物皮肤的紧密贴合。直径1cm左右的圆柱形弹性伸缩结构配合松紧绑带,可以使测温镜头深入动物毛发内,更紧密的贴近皮肤,提升体温采集的精度和效率。
环境温度和体表温度息息相关,在人体温度恒定的情况下,环境温度越低,体表温度越低。在设备的远离动物身体一侧,安装环境温度传感器,感知真实的环境温度。
同时,根据实验获取的衰减曲线,测得不同环境温度下的衰减情况,并建立对应的补偿表。实际测得的体表温度通温度补偿表修正实际体温,以获取更高精度的体温数据。
本具体实施方式的工作原理:使用时,测温设备的设备主体1通过松紧绑带8固定在动物颈部,使其尽量贴近动物皮肤;弹性伸缩结构5组成的小直径测温镜头,可以使其更容易深入动物毛发内,减少动物毛发对温度的影响;远红外透镜4对设备内部的元器件进行保护,实现设备的防水。远红外透镜对体表温度范围内的红光有很好的穿透性,可以保证最终的测量精度;红外温度传感器2不随镜头伸缩变化,而是固定在设备底部,通过小视场角度的镜头,最终在红外传感器测得目标表面温度值;主控制器9通过红外温度传感器,采集动物体表温度,同时通过;环境温度传感器7采集环境温度,结合体表温度和环境温度,通过内置的补偿算法,计算出动物真实体温,并为其身体状态判断,提供数据依据。
本具体实施方式采用了补偿算法:
设备直接采集到的是动物的体表温度以及环境温度,而并不是常规认为的动物体温,需要通过体表温度以及环境温度换算得到真实体温。
目前常见的是查表法,不同的体表温度对应不同的体温。但是查表法有一个弊端,通常无法带入环境温度,因为两个变量的二维数组数据量过大,原始准确数据很难获取,但是环境温度的影响不可忽略,不同的环境温度下,体表温度和真实体温之间的温度差有很大的区别。
经过长时间的测试及数据统计,得到体表温度、环境温度及体温之间的近似函数方程。
其中:
TempEnv为环境温度
TempSur为体表温度
TempBody为目标体温
TempFLow及TempFHigh为中间参数
if (TempEnv<=25)
{
TempFLow =25.65+(0.185*(TempEnv-25));
TempFHigh=34.83+(0.147*(TempEnv-25));
}
if(TempEnv>25)
{
TempFLow = 25.65+(0.085*(TempEnv-25));
TempFHigh =34.83+(0.101*(TempEnv-25));
}
if(TempFLow<=TempSur&&TempSur<=TempFHigh)
{
TempBody=36.3+((0.5/(TempFHigh-TempFLow))*(TempSur-TempFLow));
}
if(TempSur>TempFHigh)
{
TempBody=36.8+((0.8294+(0.00237*TempEnv))*(TempSur-TempFHigh));
}
if(TempSur<TempFLow)
{
TempBody=36.3+((0.5517+(0.0215*TempEnv))*(TempSur-TempFLow));
}。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (5)
1.一种非接触式动物体温监测装置,其特征在于,包括设备主体(1)、红外传感器(2)、远红外透镜(4)、弹性伸缩机构(5)、环境温度传感器(7)、松紧绑带(8)和主控制器(9),设备主体(1)通过松紧绑带(8)固定在动物颈部或其他部位,设备主体(1)内设置有主控制器(9)以及与主控制器(9)相连的红外传感器(2)、环境温度传感器(7),红外传感器(2)前部的设备本体(1)上设置有弹性伸缩机构(5),弹性伸缩机构(5)外端密封设置有远红外透镜(4),远红外透镜(4)与动物皮肤(6)直接接触设置,弹性伸缩机构(5)深入动物毛发内部。
2.根据权利要求1所述的一种非接触式动物体温监测装置,其特征在于,所述的远红外透镜(4)采用远红外防尘防水滤光片。
3.根据权利要求1所述的一种非接触式动物体温监测装置,其特征在于,所述的红外传感器(2)的感应点到远红外透镜(4)的最远距离为3cm,所述的红外传感器(2)的FOV为10°,远红外透镜(4)直径为1cm。
4.根据权利要求1所述的一种非接触式动物体温监测装置,其特征在于,所述的远红外透镜(4)为透过波长为5-14μm的硅片远红外透镜。
5.根据权利要求1所述的一种非接触式动物体温监测装置,其特征在于,采用了补偿算法,得到体表温度、环境温度及体温之间的近似函数方程,其中:
TempEnv为环境温度
TempSur为体表温度
TempBody为目标体温
TempFLow及TempFHigh为中间参数
if (TempEnv<=25)
{
TempFLow =25.65+(0.185*(TempEnv-25));
TempFHigh=34.83+(0.147*(TempEnv-25));
}
if(TempEnv>25)
{
TempFLow = 25.65+(0.085*(TempEnv-25));
TempFHigh =34.83+(0.101*(TempEnv-25));
}
if(TempFLow<=TempSur&&TempSur<=TempFHigh)
{
TempBody=36.3+((0.5/(TempFHigh-TempFLow))*(TempSur-TempFLow));
}
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TempBody=36.8+((0.8294+(0.00237*TempEnv))*(TempSur-TempFHigh));
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