发布时间 : 星期六 文章毕设论文 便携式红外线人体测温仪设计 - 图文更新完毕开始阅读
看不见的“热线”位于红色光外侧，叫做红外线。红外线是一种电磁波，具有与无线电波及可见光一样的本质，红外线的发现是人类对自然认识的一次飞跃，对研究、利用和发展红外技术领域开辟了一条全新的广阔道路。
自从赫歇尔发现红外辐射至今，红外技术的发展经历了将近两个世纪。从那时开始，红外辐射和红外元件、部件的科学研究逐步发展，但发展比较缓慢，直到1940年前后才真正出现现代的红外技术。当时，德国研制成硫化铅和几种红外透射材料，利用这些元、部件制成一些军用红外系统，如高射炮用导向仪、海岸用船舶侦察仪、船舶探测和跟踪系统，机载轰炸机探测仪和火控系统等等。其中有些达到实验室试验阶段，有些已小批量生产，但都未来得及实际使用。此后，美国、英国和前苏联等国竞相发展。特别是美国，大力研究红外技术在军事方面的应用。目前，美国将红外技术应用于单兵装备、装甲车辆、航空和航天的侦察监视、预警、跟踪以及武器制导等各个领域。半个世纪以来随着光学技术和半导体技术的发展，红外检测技术也日趋完善，其中红外测温技术也形成了完整的理论并成功地应用于医学、农业和工业等领域。
在实现远距离温度监测与控制方面，红外温度传感器以其优异的性能，满足了多方面的要求。在产品加工行业，特别是需要对温度进行远距离监测的场合，都是温度传感器大显身手的地方。在食品行业红外温度可以在不被污染的的情况下实现食品温度记录，因此备受欢迎。
随着红外测温技术的普遍应用，一种新型的红外技术—智能数字红外传感技术正在悄然兴起。这种智能传感器内置微处理器，能够实现传感器与控制单元的双向通信，具有小型化、数字通信、维护简单等优点。当前，各传感器用户纷纷升级其控制系统，智能红外传感器的需求量将会继续增长，预计短期内市场还不会达到饱和。另外，随着便携式红外传感器的体积越来越小，价格逐渐降低，在食品、采暖空调和汽车等领域也有了新的应用。比如用在食品烘烤机、理发吹风机上，红外传感器检测温度是否过热，以便系统决定是否进行下一步操作，如停止加热，或是将食品从烤箱中自动取出，或是使吹风机冷却等。随着更多的用户对便携式红外温度传感器的了解，其潜在用户正在增加。
其中红外线人体测温仪是红外测温技术的一个重要应用，它是利用人体发出的红外线来测量出人体的温度。它采用高精度的红外传感器和微电子技术，能够快速、准确、方便地测出人体的温度，解决了传统水银式温度计的容易破碎、水银染环境与不易读数等问题。这可以说是医学测量的一个重大进步。
2
第二章 红外温度传感器测温原理
2.1 红外测温的基础理论
在自然界中，一切温度高于绝对零度（-273.15°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0.4 ~ 0.76μm波段称为可见波段，而把波长从0.76 ~ 600μm的电磁波称为红外波段。而红外区通常又可分为近红外区（0.76 ~ 1.5μm）、中红外区（1.5 ~ 10μm）和远红外区（10μm
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2.1 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。一般活体皮肤光谱范围约为3 ~ 50μm，其中大部分能量集中在8~14μm波段内，峰值波长约为9.5μm。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0.98，近似为黑体。根据Planck定律，其波长主要分布在2.5 ~ 25μm红外波段范围内，根据Wien定律λm·T=2898（Kμm），人体皮肤辐射的峰值波长同样约为9.5μm。
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
3
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2.2 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 （2-1）
式中C1、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。
（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 =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，
4
4
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
34
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
5