红外人体温度测量系统毕业论文(编辑修改稿)

红外人体温度测量系统毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

度关系符合辐射定律。 因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。 除此之外还要用单片机处理采集的信息及处 理数据。 初步决定使用 AT89C52单片机。 还要用到 protues 软件来模拟电路。 2. 红外测温原理 红外测温的基础理论 在自然界中，一切温度高于绝对零度（ 176。 C ）的物体，由于分子的热运动，都在不停地向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波，其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合辐射定律。 物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。 因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。 红 外线是电磁波谱的一部分，这一波段位于可见光和微波之间。 根据普朗克辐射定律，凡是绝对温度大于零度的物体都会向外辐射电磁波，物体的辐射强度与温度及表面辐射能力有关，辐射的电磁波谱分布与物体温度密切相关。 在电磁波谱中，我们把人眼可直接感知的 ~ ，而把波长从 ~ 600181。 m 的电 磁波称为红外波段。 而红外区通常又可分为近红外区（ ~ ）、中红外区（ ~ 10181。 m）和远 红外区（ 10181。 m 以上）。 近年来，红外辐射技术已成为一门发展迅速的新兴学科。 它已经广泛应 用于生产、科研、军事、医学等各个领域。 图 电磁波波谱图 J D 哈里认为，人体辐射能量与皮肤表面温度及辐射率有关。 一般活体皮肤光谱陕西理工学院毕业设计 第 5 页 共 38 页 范围约为 3 ~ 50181。 m，其中大部分能量集中在 8~14181。 m 波段内，峰值波长约为。 虽然人体生物波普分布范围比较宽，但在非能量集中区域的信号强度较低，尤其远端波段的数值极小。 经科学检测，不管人体的肤色如何，干燥皮肤的红外辐射率均为 ，近似为黑体。 根据 Planck 定律，其波长主要分布在 ~ 25181。 m 红外波段范围内，根据 Wien定律 λm T=2898（ K181。 m），人体皮肤辐射的峰值波长同样约为。 其中 黑体是一种理想化的辐射体，它吸收所有波长的辐射能量，没有能量的反射和透过，其表面的发射率为 1。 但是，自然界中存在的实际物体，几乎都不是黑体，为了弄清和获得红外辐射分布规律，在理论研究中必须选择合适的模型，这就是普朗克提出的体腔辐射的量子化振子模型，从而导出了普朗克黑体辐射的定律，即以波长表示的黑体光谱辐 射度，这是一切红外辐射理论的出发点，故称 “ 黑体辐射定律 ”。 图 黑体辐射曲线 （ 1）、辐射的光谱分布规律 — 普朗克辐射定律： 一个绝对温度为 T（ K）的黑体，单位表面积在波长 λ 附近单位波长间隔内向整个半球 空间发射的辐射功率（简称为光谱辐射度） Mλ， T与波长 λ、温度 T 满足下列关系： Mλ， T = C1（ eC2/λT – 1） 1 （ 21） 式中 C C2 分别为第一、第二辐射常数。 普朗克辐射定律是所有定量计算红外辐射的基础。 陕西理工学院毕业设计 第 6 页 共 38 页 （ 2）、斯忒藩（德） — 波尔兹曼（奥）（ Stefan— Boltzmann）定律： 物体的总辐射率，即单位面积发射总功率与黑体温度的四次方及材料表面的发射率成正比。 其数学表示如下： W =σεT4 （ 22） 其中： σ= 108w/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 （ 23） 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 （ 24） 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 （ 25） 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，所以修正的红陕西理工学院毕业设计 第 7 页 共 38 页 外辐射定律如下： E = σε（ TO4 TA4） （ 26） 式中： E 为辐射出射度数， 单位 W/m3； σ 为斯蒂芬 — 波尔兹曼常数， 108W/(m2 K4)； 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（ 0~100176。 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（ 26）的原理，仪器所测得的红外辐射为： E = Aσε1ε2（ TO 4 –TA 4） （ 27） 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 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。 人体红外测温仪的性能指标及作用 总 体上 来说，测温范围、显示 分辨率 、精度、工作环境温度范围、重复性、相对湿度、响应时间、电源、响应光谱、尺寸、最大值显示、重量、发射率等都是红外线测温仪的性能指标。 确定测温范围：测温范围是测温仪最重要的一个性能指标。 每种型号的测温仪都有自己特定的测温范围。 确定目标尺寸 ： 红外测温仪根据原理可分为单色测温仪和双 色测温仪（辐射比色测温仪）。 对于单色测温仪，在进行测温时，被测目标面积应充满测温仪视场。 否则背景会干扰测温读数，造成误差。 对于双色测温仪，其温度是由两个独立的波长带内辐射能量的比值来确定的。 确定距离系数（光学分辨率）：距离系数由 D： S 之比确定，即测温仪探头到目标之间的距离 D 与被测目标直径之比。 如果测温仪由于环境条件限制必须安装在远离目标之处，而又要测量小的目标，就应选择高光学分辨率的测温仪。 光学分辨率越高，测陕西理工学院毕业设计 第 8 页 共 38 页 温仪的成本也越高。 确定波长范围 ：目标材料的发射率和表面特性决定测温仪的光谱相应波长对 于高反射率合金材料，有低的或变化的发射率。 确定响应时间：响应时间表示红外测温仪对被测温度变化的反应速度，定义为到达最后读数的 95%能量所需要时间，它与光电探测器、信号处理电路及显示系统的时间常数有 关。 信号处理功能：鉴于离散过程（如零件生产）和连续过程不同，所以要求红外测温仪具有多信号处理功能（如峰值保持、谷值保持、平均值）。 环境条件考虑：测温仪所处的环境条件对测量结果有很大影响，应予考虑并适当解决，否则会影响测温精度甚至引起损坏。 红外辐射测温仪的标定：红外测温仪必须经过标定才能使它 正确地显示出被测目标的温度。 影响温度测量的主要因素及修正方法 影响红外人体测温仪的因素有：测温目标大小与测温距离的关系 、 测量温度时的环境因素 、 强光背景里目标的测量 和 温度输出功能。 测温目标大小与测温距离的关系：在不同距离处，可测的目标的有效直径 D 是不同的，因而在测量小目标时要注意目标距离。 人体 红外测温仪距离系数 K的定义为：被测目标的距离 L与被测目标的直径 D之比，即 K=L/D。 选择被测物质发射率： 人体 红外测温仪一般都是按黑体（发射率  =）分度的，而实际上，物质的发射率都小于。 因此，在需要测量目标的真实温度时， 必 须设置发射率值。 物质发射率可从《辐射测温中有关物体发射率的数据》中查得。 测量温度时的环境因素：测温仪所处的环境条件对测量结果有很大的影响，应予考虑并适当解决，否则会影响测温精度。 本设计中正是利用了 PM611 热释电红外线传感器可以补偿温度起伏的作用，实现准确测温。 强光背景里目标的测量：若被测目标有较亮背景光（特别是受太阳光或强灯直射），则测量的准确性将受到影响，因此可用物 体 遮挡直射目标的强光以消除背景光干扰。 温度输出功能： 首先 模拟信号输出 ： 0～ 5V， 1～ 5V， 0～ 10V， 0/4～ 20 毫安，可以加入闭环控制中。 其次 高报警、低报警 :在 生产过程中要求控制温度在某个范围里 ，可设置高 ， 低报警值。 高报警：在高报警设置打开的情况下，当温度高于高报警值，相应的 LED 灯闪烁，蜂鸣器响，并有 AH常开继电器接通。 由于在温度测量时 是 在不确定的环境中进行的，所以外界环境会对测温造成一定的影响，对测量结果产生误差，所以要对环境温度有一个修正。 由 节辐射公式可得出热释电传感器的响应公式为： 440()aV S T T () 式中： S 为与热释电响应特性及物体表面发射率有关的常数， 0T 为物体表面温度，aT 为环境温度。 根据表达式 （ ） 可以得到不同的标定公式： （ 1） 简单关系式，即 1 / 440 a a aVT T T K VS    （ ） 陕西理工学院毕业设计 第 9 页 共 38 页 式中：314a aK ST，应用此公式所作的标定实验结果见表 1，表中数据表明， aK 不仅与 aT 有关，还与 0T 有关。 （ 2） 多项式 ， 即 1/440 aVTTS （ ） 令 201 aaS a a T aT    （ ） S 取三项，其实验结果表明，要使测温仪满足一定的精度， 测温时的 环境温度 和 物体表面温度要在一定的范围内，如环境温度 aT =30℃ ，物体表面温度 在 180℃ 以上时，读数误差较大。 由下 表 21 可知：首先应该对物体表面温度分段定标，因为测量范围较大，所以不同段的标定系数相差很大。 实际应用中每隔 5~10℃ 就必须标定一个 系数，当采样电压峰值落在此区间时就选择该系数。 然后再根。