红外传感器ZTP-135SR及其在红外体温测量中的应用

【作者】 李若薇 ，刘梓晨 ，袁思念 ，朱子孚，叶继伦,3，张旭,3

1 深圳市生物医学工程重点实验室，深圳市，518000

2 深圳大学 生物医学工程学院，深圳市，518000

3 广东省生物医学信息检测与超声成像重点实验室，深圳市，518000

0 引言

体温是人体一项基本的生命体征参数，正常的体温是人体维持正常生理活动的基础[1]。为了解人体的体温情况，基于部分特殊物质的温度特性设计出了体温计。体温计根据其测量原理可以分为三类，分别是水银温度计、电子温度计和红外体温计。红外体温计的测量原理是通过红外温度传感器感知被测体向外辐射的红外能量，不需要与被测者接触，可以避免因接触式测温而产生的交叉感染，并且测量速度快，克服了传统接触式体温计的缺点，在公共场所的使用愈加广泛。2020年新型冠状病毒肺炎暴发，这种疾病传染力很强，感染者的典型患病特征之一就是发热，体温测量也成了防控疫情的重要手段。红外体温测量由于其快速、无接触式的测量特点，是疫情防控期间在公共场所进行体温测量的优先手段，对疫情的防控具有重要作用。

1 红外体温计的测量原理

任何温度高于绝对零度（-273.15 ℃）的物体都会自发地向外辐射红外能量[2]，物体温度越高，向外辐射的能量越强。红外辐射遵循一些特殊规律，如基尔霍夫定律、斯特藩-玻尔兹曼定律、维恩位移定律、普朗克定律等，这些规律针对黑体[3]而言，它们不仅揭示了黑体红外辐射的本质特性，还奠定了红外应用的基础。斯特藩-玻尔兹曼定律[3]表明一个黑体的表面单位面积在单位时间内辐射出的总能量MB(T)与它的热力学温度T的四次方成正比，表达式为：

其中σ为斯忒藩-玻尔兹曼常数。当温度有微小变化时，就会引起辐射的总能量有很大变化，通过测量物体向外辐射的能量MB(T)，则可计算出其温度值T。由于自然界中并不存在理想黑体，实际物体的红外辐射都属于非黑体辐射，所以在使用上述针对黑体而言的红外辐射定律时要进行修正。自然界普通物体的辐射和温度，材料以及表面状况有关[4]，对热辐射的吸收比总是小于1，它们的辐射度会通过与同温度的黑体辐射进行比较，故再定义一个比辐射率ε来衡量实际物体的辐射性能。因此，实际物体辐射的辐射能量公式就改写为下式：

人体主要辐射9～10 μm波长[3]的红外线，这一波长范围内的红外线不会被空气吸收，根据上述所述定律可知，已知人体表面皮肤的发射率和被测部位向外辐射的能量，就可得知人体的表面温度。

2 红外温度传感器和系统方案设计

2.1 红外温度传感器ZTP-135SR

系统采用安费诺公司的热电堆红外温度传感器ZTP-135SR，它能够接收被测目标发出的红外辐射能量并将其转换成电信号。传感器内部主要由热敏电阻和热电堆组成，热敏电阻用于感知环境温度，阻值随着环境温度的变化而变化，用作环境温度补偿；热电堆感知被测目标温度和环境温度之间的温度差，两端的输出电压与温差成正比。

2.2 系统整体设计方案

红外温度计的系统框架如图1所示。电源模块为各个模块提供稳定的电压，红外传感器感知目标温度和环境温度并将其转换成电信号输出，通过AD转换模块实现模拟信号到数字信号的转换，再将数据传输到MCU中进行处理。

图1 红外温度计系统框架Fig.1 The block diagram of infrared thermometer system

3 系统硬件设计

3.1 热电堆输出信号的放大及滤波

传感器热电堆的输出信号是低频微弱的生理信号，需要对信号进行放大处理和低通滤波处理。热电堆输出信号的放大电路和滤波电路如下图所示。热电堆输出信号微弱，在设计放大电路时，应当选用偏置电流和温度漂移都很小的运算放大器。系统采用同相比例放大电路，其中R15电阻两端并联一个电容C4，可防止电路震荡并抑制高频噪声。

图2 热电堆输出信号电路Fig.2 Thermopile output signal circuit

3.2 热敏电阻输出信号

ZTP-135SR中的热敏电阻阻值和温度成反比，环境温度越高，电阻阻值越低。通过电压跟随器和三极管组成恒流源，给热敏电阻提供一个恒定电流，再通过用ADC采集热敏电阻两端的电压，即可得到热敏电阻的阻值大小（见图3）。根据传感器数据手册提供的热敏电阻和环境温度的R-T关系表，即可得到环境温度的值。

图3 热电阻输出信号电路Fig.3 Thermistor output signal circuit

3.3 信号采样电路

为保证温度信号的采样精度，选用24位的高精度模数转换器ADS1220，它的有效分辨率可达到20位，可以实现两个差分输入或四个单端输入，还带有数字滤波器可同时抑制 50 Hz和60 Hz工频干扰。采用差分输入接法对热电堆输出电压和热敏电阻输出电压进行采集，在模拟信号输入处使用一阶无源 RC 滤波器进一步改善采样性能。

4 系统软件设计

红外体温计的软件部分主要由系统初始化、按键处理、工作模式切换、温度数据采集与转换和温度数据校准等部分组成。温度测量子程序，如图4所示。主要包括读取热敏电阻和热电堆两端的电压值和温度转换。温度转换的作用是将ADC采集到的热电堆两端的电压值转换为经过环境温度补偿后的被测物体的实际温度。

图4 温度测量子程序流程Fig.4 The subroutine flowchart of temperature measurement

系统采用多项式拟合的方法得到环境温度-热敏电阻阻值拟合曲线和被测物体温度-热电堆输出电压的拟合曲线，以得到温度补偿后的实际温度。设热敏电阻两端检测到的电压为U，根据热敏电阻的R-T公式和热敏电阻两端的电压U-R公式，则可以利用Matlab得到热敏电阻U和T的关系式，图5为热敏电阻的U-T曲线。

图5 热敏电阻温度特性曲线Fig.5 Thermistor temperature characteristic curve

使用ZTP135-SR传感器在环境温度为0oC时测量不同目标温度对应的传感器热电堆两端的电压值，据此做出温度特性表，则可拟合出目标温度T和热电堆电压U的关系曲线（见图6）。

图6 热电堆温度特性曲线Fig.6 Thermopile temperature characteristic curve

热电堆由多个热电偶组成，热电偶的测温原理是基于“热电效应”，该效应是指热电偶两个接点处的温度不相同时，回路中将产生热电势[5]。当热电偶的热端A和冷端B的温度分别为t、t0，根据热电偶的中间温度定律[5]，产生的电动势可表示为式(3)：

当冷端温度为0 ℃时，计算变化如下：

根据上述公式，则进一步可推导出在当前环境温度下的目标温度，计算表达式如下：

5 系统测试与分析

5.1 系统实现与测试

红外温度计板卡，如图7所示。板卡长、宽分别为40 mm和23 mm。电源接口给板子供电后即可实现温度测量功能，显示屏上显示被测物体的温度数据。

图7 红外温度计板卡Fig.7 The circuit board of infrared thermometer

系统搭建好后验证测量的准确性和平稳性，图8是系统在稳定的室内环境中分别对着空气、手掌和额头ADC采集的滤波处理后的热电堆两端输出电压数据。

图8 测试数据统计Fig.8 Test data statistics chart

为了验证本红外测温系统在体温测量范围内的精度，选取30 ℃、35 ℃、38 ℃、40 ℃和45 ℃五个温度点[6]，在相同测试环境下测量这五个点的系统温度精度，每个测量点测量样本数为7个。图9表明了这五个测试点下的温度测量误差，可以看出，在人体体温范围内的温度测量误差范围控制在±0.2 ℃以内，满足国家标准 GB/T 21417.1—2008 《医用红外体温计》中规定的±0.2 ℃测量精度的要求。

5.2 系统误差分析

红外传感器感知测量目标向外辐射的红外能量易受到外部干扰[7]。当人体处于热对流小的室内环境时，则环境温度变化对测温造成的影响即可忽略。由于人体向外辐射的能量会逐渐衰减，因此测量距离也是影响测量精度的重要因素，测量距离越大，测量误差也越来越大[7]。为保证温度测量数据的准确性，应当尽可能减少因环境造成的误差，并且要确保测量环境附近没有其他热源干扰，使用环境要在传感器预期的范围之内。同时，手持红外温度计测温时传感器与待测物之间应避免移动，以便传感器准确感知被测物体的辐射能量。温度误差分析，如图9所示。

图9 温度误差分析Fig.9 Temperature accuracy error analysis chart

6 总结

我们依据红外辐射原理设计了一款准确测量人体温度的红外温度计，不仅在硬件条件上充分考虑测量精度问题，选用高精度放大芯片和采样芯片，在软件上也利用多项式拟合补偿环境温度所造成的误差，提高了测量精度，具有良好的应用价值，确保了工程化应用。