CN1488923A - 非接触高精度红外测量体温的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种非接触高精度红外测量体温的方法是：利用信号采样时间控制器1，红外光学系统2，一个红外探头7对目标和环境温度同时、同精度测量，然后温度显示在液晶显示器上。一种非接触高精度红外测量体温的装置，包括：外壳，装在外壳内的红外光学系统2，信号采样时间控制器1，信号滤波、采样双功能开关9，红外探头7，电子控制器电路，液晶显示器4。其优点是：是采用了信号采样时间控制器和信号滤波采样双功能开关，其结构独特、简单，造价非常便宜，易于普及和推广到千家万户。本装置采用一个红外探头，对目标信号和环境信号同时、同精度测量，测量精度达到0.1℃，测量时间不超过0.5秒。

Description

非接触高精度红外测量体温的方法和装置

                      技术领域

本发明涉及红外测温技术领域，具体涉及一种非接触高精度红外测量体温的方法和装置。

                      背景技术

自1709年荷兰人华伦海特制造出世界上第一支水银温度计以来，人类使用水银温度计已有近300年的历史，特别是近两个世纪以来，水银温度计已成为医院和家庭诊断疾病的常用仪器。

随着社会的发展和进步，对医院和家庭大量使用水银温度计造成水银(剧毒金属液体)外泄严重污染人类生存环境(空气和水)非常担忧和恐惧，呼吁禁止出售和使用水银温度计的呼声越来越高。至2001年止，欧美日等国已正式出台有关法律正式禁止出售和使用水银体温计。此外，水银体温计还有两大严重缺点：①它是接触式测温，多人使用易造成疾病交叉感染；②测温时间太长(5分钟以上)，不适应现代人的快节奏生活。

从20世纪90年代初开始，世界众多红外测温专业公司如美国的IRCON、RAYTEK、MIKRON、WAHL等公司，英国的LAND公司，德国的BRAUM公司，日本的千野、美能达、欧姆龙等公司，瑞典的AGA公司都对水银体温计的替代产品进行了大量研究和探索。共同的结论是红外体温计是水银体温计的最佳替代品产品。十多年过去了，真正完全非接触红外体温计至今仍未有商品问世。究其原因，首先是技术上的。红外测温技术本身就是一项光机电一体化高新技术，而红外体温计又是红外测温技术中难度最大者之一。它融光学技术、电子技术、精密机械技术、热学技术、抗干扰技术和软件技术于一体，不是某一门学科或一种专业所能单独解决问题的。它对测温精度和稳定性的要求比通常工业用红外测温仪要高一个数量级以上。其次是产品的成本和价格问题。因为它要替代水银体温计，要进入亿万普通百姓家庭，其成本和售价必须低。这就是所谓的“两高一低”(即高精度、高稳定性和低价格)。这“两高一低”的难度把这个项目推至当今世界技术难题之一，一旦突破，它又是一项市场潜力，经济效益和社会效益均十分巨大的世界级产品。

在攻克这项技术难题的征途中，遇到的最大困难是在一个完全开放的环境中要同时精确测量目标和环境温度。精明的日本人于前几年由欧姆龙公司推出一款红外耳温计的产品。用它插入人的耳道内(请注意“耳道内”，这是一个相对封闭的环境，其环温变化很小)来专门测量靠近人脑的耳膜的温度。很明显，红外耳温计的缺点和局限是：

(1)它必须插入耳道内，对准耳膜，当插入不够或对不准耳膜会产生较大误差而造成误测；

(2)它仍没有摆脱“接触测量”的弊病；

(3)它只能测耳膜，太过局限。

工业用红外温度计的普遍结构。其中红外光学系统将目标红外辐射会聚于红外探头上，红外探头将红外辐射能转换为电压信号V_∑。仪器处在环温为Tam的环境中，红外探头在接收目标辐射的同时还受环境温度的影响，由红外探头输出的综合信号应为：

V_∑＝RK(T⁴ob-T⁴am)＝RKT⁴ob-RKT⁴am＝Vob-Vam......(1)

(1)式中：

R-红外探头的电压响应率

K-与系统参数有关的常数。

Tob-目标温度

Tam-境温度

Vob-对应目标输出的电压信号

Vam-对应环温输出的电压信号。

我们需要准确知道Vob，由(1)式有

Vob＝V_∑-Vam......(2)

由(2)式可知，只有求出Vam，才能得到Vob，怎么求出Vam呢？目前普遍传统做法是用一个专测环温的探头置于紧靠红外探头的地方来单独测量环温信号V′am。问题的关键是Vam和V′am是由两个不同的探头测量出来的环温信号，相当于两个裁判对一个跳水运动员打分。这种传统处理方法必然给环温测量带来两项误差。

误差之一是两种不同探头的性能差异造成的误差有下述三项：

1、红外探头是一种高灵敏度、低噪声、响应快(毫秒级)的

红外探测器；专测环温探头通常都用NTC(或铂电阻或

AD590，LM35等)，其灵敏度、噪声系数、响应速度均与红外

探头有较大差异，其造成的误差设为ΔV₁；

2、红外探头和专测环温探头安装位置不可能相同，其空间位

置的差别，造成的测温误差设为ΔV₂；

3、红外探头接收的是热辐射能量，其传播速度为光速，专测

环温探头接收的热传导能量，其热传递速度很慢；而且红外

探头和专测环温探头本身对热的响应速度一个为毫秒级，一

个为秒级，差异很大，两者接收和输出的不可能是同一时间

的热能，设其误差为ΔV₃。

设：Vam-V′am＝ΔVam＝ΔV₁+ΔV₂+ΔV₃……(3)

大量实测数据表明，在环温10℃～40℃范围内，由于ΔVam的存在引起的环温测量误差ΔT₁约为±0.3℃。

误差之二是专测环温探头本身的固有测温误差以ΔT₂表示。以使用最普遍的负温度系数热敏电阻NTC为例来说明。国外大公司(如美国的HONEYVELL公司和日本的石冢电子株式会社)生产的NTC，出厂时均会给出在一定温度范围内的误差值，在10℃～40℃范围内的温度误差为±0.7℃～±1℃，通过对其进行线性处理(即分段细化标定)后，其温度误差可减少到±0.3℃～±0.5℃。

假设其它干扰和噪声均为零，仅将上述两种误差加起来(ΔT₁+ΔT₂)，再小也无法小于±0.5℃。这就是结论，这就是按这种传统方法(两个裁判打分)制作红外温度计无法实现高精度测温的原因，也是目前国内外所有非接触红外温度计(或叫测温仪)的测温精度(不是温度分辨率)没有高于0.5℃的原因所在。对于绝大多数工业用红外温度计，其误差都在±2℃以上，0.5℃的误差可以忽略。但对于测温精度为0.1℃左右的红外体温计来讲，0.5℃的误差是绝对不能容许的。

                        发明内容

本发明的目的是从根本上改变了原有的思维定式，变由两个裁判打分为一个裁判打分。具体讲就是上面公式(1)式和(3)式中V_∑和V′am不再分别由两个探头来测量，而只由一个红外探头在很短时间内测量两次。在此专测环温探头已不存在。

由于去掉了专测环温探头，公式(1)和(3)中的V_∑和V′am均由红外探头承担，上面所述的误差之一、之二，均不复存在，即：

ΔV₁＝ΔV₂＝ΔV₃＝ΔVam＝0

∴Vam＝V′am

∴ΔT₁＝0    ΔT₂＝0

由于本发明从根本上消除了传统方法处理环温测量带来的误差，从而为高精度非接触红外测温，建立了一种全新的理念和方法，使高精度非接触红外测温成为可能。

本发明是利用一个探头对目标和环境的温度进行同时、同精度测量，其精度可达0.1℃，时间仅为0.5秒的非接触高精度红外测量体温的方法和装置。

本发明一种非接触高精度红外测量体温的方法是：

利用信号采样时间控制器，红外光学系统，一个探头对目标和环境温度同时、同精度测量，然后温度显示在液晶显示器上。

其测量目标的温度的精度为0.1℃，测量时间仅0.5秒。

一种非接触高精度红外测量体温的装置，包括：外壳，装在外壳内的红外光学系统，信号采样时间控制器，信号滤波、采样双功能开关，红外探头，电子控制器电路，液晶显示器。

信号采样时间控制器包括：连接壳体、控制器、控制片。

电子控制电路包括：放大电路、A/D转换电路、译码器、单片机系统。电子控制电路在武汉金元科技公司有售。

一种非接触高精度红外测量体温的方法是这样实现的：

目标→信号采样时间控制器→红外光学系统→信号滤波、采样双功能开关→红外探头(W/V)→放大电路→A/D转换→单片机系统(V/T)→译码器(2/10)→显示器(LCD)。

如图1所示，打开电源开关14，系统供电待机。向后扣动扳机5带动连杆6向后移动，其最大行程为4毫米，当移动到行程的一半2毫米时，信号采样时间控制器1[以下简称控制器1]在5～6毫秒内完全打开，目标辐射通量通过并进入红外光学系统2，并将辐射通量会聚到达信号滤波采样双功能开关9[以下简称开关9]前。此时连杆6继续向后移动至最大行程4毫米时，开关9完全打开，目标辐射通量进入红外探头7，并将其变换为电压信号。此信号经放大、A/D转换后等待单片机的采样指令。在开关9完全打开的同时位于电路板10上的单片机系统会迅速发出采样指令采样。0.5秒后控制器1准时关闭，开关9也同时关闭，单片机再次指令采样。两次采样信号由单片机按规定程序和公式进行计算处理，并转换成目标温度的二进制码，再由译码器变成10进制数交由显示器LCD4显示出目标温度。

本发明一种非接触高精度红外测量体温的方法和装置的优点是：是采用了信号采样时间控制器和信号滤波采样双功能开关，其结构独特、简单，造价非常便宜，易于普及和推广到千家万户。本装置采用一个红外探头，对目标信号和环境信号同时、同精度测量，测量精度达到0.1℃，测量时间不超过0.5秒。

                      附图说明

图1为非接触高精度红外测量体温的原理结构示意图。

图2为信号采样时间控制器示意图。

图3为信号滤波、采样双功能开关示意图。

                    具体实施方式

根据图1-图3所示，信号采样时间控制器1装在外壳内，红外光学系统2装在信号采样时间控制器1的后面或前面，红外探头7前面装有信号滤波、采样双功能开关9，两件一起装在外壳内，并和红外光学系统2中一镜成一定的角度，液晶显示器4装在外壳的另一头。

电子控制电路装在外壳内，红外探头7直接装在电路板8上，并和液晶显示器4用导线相连。电子控制电路是在武汉金元科技公司购买。

Claims (5)

1、一种非接触高精度红外测量体温的方法，其特征在于：利用信号采样时间控制器(1)，红外光学系统(2)，一个红外探头(7)，对目标和环境温度同时、同精度测量，然后温度显示在液晶显示器上。

2、根据权利要求1所述的非接触高精度红外测量体温的方法，其特征在于：其测量目标温度的精度达0.1℃，测量时间仅0.5秒。

3、一种非接触高精度红外测量体温的装置，包括：外壳，装在外壳内的红外光学系统(2)，液晶显示器(4)、红外探头(7)，其特征在于：还有装在红外光学系统(2)前面或后面的信号采样时间控制器，和装在红外探头(7)前面的信号滤波、采样双功能开关(9)。

4、根据权利要求3所述的非接触高精度红外测量体温的装置，其特征在于：信号采样时间控制器(1)包括：连接壳体、控制器、控制片。

5、根据权利要求3所述的非接触高精度红外测量体温的装置，其特征在于：红外探头(7)仅为一个。

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