关于穿戴式体温监测感知节点的研究

章乐毅

摘 要 体温的测量需要通过温度传感器来实现。不同的温度传感器影响体温测量的精度和稳定性，本文通过各种类型的传感器的比较探讨，给体温监测提供了多种方法可能。

关键词 体温检测;传感器;精度;快速测量

引言

随着科技水平的进步，人类寿命的延长，人们对自身的健康日益关注，人们对健康的认识化在发生改变：健康不仅是指身体没有疾病， 更是一种与体质、环境、心理密切相关的状态。体温是一个重要的生理参数，病人的体温为医生提供了生理状态的重要信息。

1 温度传感器

1.1 基本温度传感器的介绍

（1）热电偶传感器

热电偶温度传感器是基于热电效应原理的测温传感器。将两种不同的金属丝一端熔合起来，如果给它们的连接点和基准点之间提供不同的温度，就会产生电压，即热电势。这种现象叫作塞贝克效应。

热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是：

1）测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。

2）测量范围广。测温范围极宽、从-270℃的极低温度到2600℃的超高温度都可以测量，而且在600℃～2000℃的温度范围内可以进行精确的测量（600℃以下时，铂电阻的测量精度更高）。某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。

3）构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。

4）测温精度高、准确、可靠、性能稳定、热惯性小。通常用于高温炉的测量和快速测量方面。

但是热电偶传感器灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化[1]。

5）热电偶的种类

常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶 我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。

6）热电偶的结构形式。为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：

a.组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固。

b.两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路。

c.补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠。

d. 保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。

7）热电偶冷端的温度补偿

由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热 电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷 端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到 仪表端子上。

（2）电阻式温度传感器

1）热电阻温度传感器

热电阻温度传感器是利用纯金属、合金和半导体材料的电阻随温度变化的特性，对温度和温度有关的参数进行检测的装置。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。它分为金属热电阻和半导体热电阻两大类。

2）热敏电阻温度传感器

高精度热敏电阻温度传感器使用的主要元件是热敏电阻。热敏电阻的物理特性是其电阻值随着温度变化而显著变化，又分为两种：一种是电阻值随温度的升高而增大，称为正温度系数热敏电阻（PTC）;另一种是电阻值随温度的升高而减小，称为负温度系数热敏电阻（NTC）。在一定温度范围内，NTC热敏半导体陶瓷的电阻率对温度具有明显的敏感性，电阻率随温度升高而急剧减小。

（3）半导体温度传感器

PN结半导体温度传感器是利用半导体PN结的温度特性制成的。 其工作原理是PN結两端的电压随着温度的升高而减少。PN结温度传感器则具有灵敏度高、线性好、热响应快和体积轻巧等特点，尤其是温度数字化、温度控制以及用微机进行温度实时讯号处理等方面，乃是其他温度传感器所不能比拟的。

1.2 近年来温度测量技术的发展重点

（1）温度传感功能薄膜技术

薄膜温度传感器是随着薄膜技术的成熟而发展起来的一种新型微传感器，具有体积小、热动态响应时间短、灵敏度高、便于集成等特点。它可以替代传统的温度传感器，而且更适用于物体表面快速和小间隙场所的温度测量。

（2）热电偶材料性能的提高

在热电偶丝材料方面，一些类型的热电偶性能得到了提高，并出现了一些新型热电偶类型。

1）N型热电偶越来越受到重视。与K型热电偶相比，N型热电偶的高温稳定性与使用寿命均明显提高。

2）钨铼热电偶抗氧化技术得到了发展，拓宽了其应用领域。主要是采用热电偶丝材镀膜或采用高致密保护套管隔绝等技术，可以延长钨铼热电偶在氧化气氛下的使用时间，使之不局限在还原条件下使用，可在一定程度上取代铂铑等贵金属热电偶。

3）一些非标准分度的金属、非金属热电偶正在研制并逐步得到应用。为了提高温度测量上限，一些非标准分度的铂铑、铱铑等贵金属热电偶已经在工程上得到应用。

（3）光纤测温技术

光纤温度传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，待测参数温度与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位等）发生变化，称为被调制的信号光。再经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。

①分布式光纤温度传感器

分布式光纤温度传感器，通常用在检测空间温度分布的系统，其原理的发展是基于三种传感器的研究，分别是瑞利散射、布里渊散射、喇曼散射。在瑞利散射（OTDR）和布里渊散射（OTDR）的研究已取得了很大的进展，因此未来的传感器研究热点，将放在对基于喇曼散射（OTDR）的新分布式光纤传感器的研究上。土耳其Gunes Yilmaz开发出了一种分布式光纤温度传感器，此传感器的温度分辨率是10C，空间分辨率是1.23m。

②干涉型光纤温度传感器

干涉型光纤温度传感器是一种相位调制型光纤传感器。它是利用温度改变Mach- Zehnder 干涉仪、Fabry- Perot 干涉仪、Sagnac 干涉仪等一些干涉仪的干涉条纹来外界测量温度。

③半导体吸收型光纤温度传感器

利用半导体材料的吸收光谱随温度变化而变化的特性实现的。光通过半导体材料时，材料会吸收一部分光子能量，当光子能量超过半导体禁带宽度能量Eg（T）时，传输光的波长发生变化，由于禁带宽度随温度的变化而变化，因此半导体材料吸收的波长会随温度而變化，同时进入半导体材料的光强将发生变化。

④光纤光栅温度传感器

光纤光栅温度传感器的工作原理是当光纤光栅所处环境的温度发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使发射光的波长发生变化，通过测量温度变化前后反射光波长的变化，就可以获得温度的变化情况。

（4）辐射测温技术

辐射式湿度传感器利用一定温度物体的热辐射原理制成的，辐射能随物体温度的变化而变化。在应用辐射式温度传感器检测温度时，只需把传感器对准被测物体，不必与被测物体直接接触，属于非接触测温。它不会破坏被测对象的温度场，可测量运动物体的温度和小的被测对象的温度;传感器或热辐射能探测器不必达到与被测对象同样的温度，测温上限不受传感器材料熔点的限制;属于被动式温度测量（即无须电源）;检测时传感器不必和被测对象达到热平衡，响应时间短，检测速度快，适于快速测温[2]。

2 结束语

体温是反映人体健康状况的重要指标之一，是进行新陈代谢和正常生命活动的必要条件，也是临床最常用的诊断指标。体温的变化提示多种疾病的变化、转归。准确的体温测量数据可为临床诊断和治疗提供重要依据同时也为制定护理措施提供依据。

参考文献

[1]Chen Y，Zhang H，Wang N. Body temperature monitor and alarm system used in hospital based on 1-wire and wireless communication technology[C].International Workshop on Education Technology & Training & International Workshop on Geoscience & Remote Sensing. IEEE Computer Society，2008：401-404.

[2] 沙占友.智能温度传感器的发展趋势[J].电子技术应用，2002，（5）：6-7.