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基于热释电传感器p7187的人体测温仪的设计

基于热释电传感器p7187的人体测温仪的设计

热释电红外探测器是由热释电红外传感器、菲涅耳透镜及电子电路组成的一种光电检测装置。他能无接触地检测人体运动时辐射出的红外线并转换成电信号输出。本文介绍了一种用于快速测量人体体温的p7187热释电传感器的原理及其基本设计电路。



1.热释电效应
某些强介电物质(PZT,LiTaO3等)的表面接受了红外线的辐射能量,其表面产生温度变化,随着温度的上升或下降,这些物质表面上就会产生电荷的变化,这种现象称为热释电效应。图1为晶体表面电荷随温度变化的移动情况。

可见,当红外线照射热释电元件时,其内部极化作用发生很大的变化,其变化部分作为电荷释放出,从外部取出该电荷就变成传感器的输出电压。由此可见,热释电传感器只有在温度变化时才有输出电压。

2 p7187热释电传感器的等效电路

常见的热释电传感器有p2613,p3782,p7187等。根据法拉第法则,人体的体温约为3 7℃,辐射最多红外线的波长是10μm左右,而p7187对7~20μm范围波长比较灵敏,他采用了2个热释电元件PZT板,PZT板表面吸收红外线,并在受光面的内外各自安装取出电荷的一对电极,能敏感的捕捉到被测物体或光源,具有很高的灵敏度。这2个受光电极反向串联,可有效地防止背景波动以及干扰光照射时的误动作(一是环境变化引起的误动作,二是使用光调制器时的误动作)对传感器的影响,当2个受光电极同时受到红外线照射时,输出电压相互抵消而无输出,只有当人体移动时才有电压的输出,输出电压比较精确的反映了人体移动的情况。

3 红外测温仪测量系统基本电路及参数选择
3.1 电路构成

传感器输出信号经放大、选频滤波后,与室温测量元件输出进行相加和修正,最后得到与被测物体温度成正比的输出电压。

3.2 参数选择
传感器输出的信号经47μF电容耦合到同相放大器A1,A1的闭环增益为23~24之间。同时A1还兼做高通滤波器,其截止频率为fL=0.3 Hz。

A2是一个低通滤波器,其闭环增益约为1,截止频率为fH=7 Hz。

A1,A2分别把低于0.3 Hz和高于7 Hz的信号滤掉,使输出的信号仅是经过调制器调制的1 Hz红外辐射信号。
由温敏二极管和运算放大器A4组成温度补偿部分,他检测调制器的温度Ta,利用温敏二极管的非线性作温度补偿。

根据斯忒藩一波耳兹曼定律,当调制器装置温度为T0,被测温体的温度为T0时,红外线传感器的输出电压为:
要获得正比于待测物体的绝对温度的电压V,应将 信号加到上式中进行补偿。V(Ta)由温度补偿电路提供,温度补偿曲线可近似地看成是四次方曲线,这个过程将在加法器A3中完成。A3的作用是将信号电压与温度校正部分的输出进行加法计算。

4 结语
该红外测温仪灵敏度为20 mV/℃,分辨率优于0.2℃,误差在0.3℃以内;具有非接触快速测温的优点,这对减少相互传染提供了重要手段。但他仅适于被测物体与传感器单元的距离为10 cm左右的非接触测温场合,并且人体表面温度不仅跟人体温度相关,同时还受体表下血液循环、导热状况和表面换热条件等多方面因素的影响。该测温仪测量的是人体表面的温度,应尽量要求被测量人处在测量环境中足够长的时间,使得被测量人的表面换热条件相同或相近。
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