ZTPl35S—R型传感器在体温计中的应用

摘  要：红外体温计采用红外温度传感器测量体温，利用GE公司的zTP135S—R型红外热电堆温度传感器实现对温度信号的非接触测量。详细介绍了ZTP135S—R型传感器的工作原理和性能。它与自带ADC的megal6型8位单片机相连，共同实现体温计的功能。
关键词：热电堆温度传感器；ZTPl35S—R；AVR单片机；体温；应用

1 引言
    现在，人们对自己的身体健康状况十分关注．都希望自己有一个好的身体。体温是人体的重要生理参数之一，对它的监测十分重要。市场上最流行的体温计是电子体温计，特别是非接触式红外体温计。目前国内开发的红外体温计主要有华中科技大学研制的“慧眼：HW一05”人体温度红外热图像仪．其分辨率高达0．06℃；中科院上海物理研究所研制的红外测温仪和兰州大学合华技术应用开发中心开发的LHW—I型红外线测温仪。国外产品有德国博郎集团开发的只需1秒即可测出体温的红外体温计；日本欧姆龙研制的几款非接触式红外体温计和BJ40型非接触式医用红外线体温计(精度为±tO．2℃，其主要器件是红外温度传感器。本文给出了应用GE公司的ZTP135S—R型红外温度传感器进行的体温计设计。

2 红外温度传感器的原理
    自然界一切温度高于绝对零度(-273．15℃)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普朗克(Plank)定律。红外测温的原理是一样的，都是根据普朗克原理。一般理解红外测量的是物体的温度．其实测的是目标物与传感器或者说是物体与环境温度之间的差值。物体辐射能量的大小直接与该物体的温度有关．具体地说，是与该物体热力学温度的4次方成正比．用公式可表达为：

    E=δε(T4-T4o) (1)
    式中，E是辐射出射度．单位是W／m3；
    δ是斯蒂芬一波尔兹曼常数，5．67x10-8W／(m2·K4)；
    δ是物体的辐射率：
    T是物体的温度(K)；
    To是物体周围的环境温度(K)。

    人体主要辐射波长为9 μm—10 μm的红外线．通过对人体自身辐射红外能量的测量便能准确地测定人体表面温度。由于该波长范围内的光线不被空气所吸收，因而也可利用人体辐射的红外能量精确地测量人体表面温度。

    红外温度传感器利用热电偶原理，测量目标物与传感器或者物体与环境温度之间的差值。热电偶的原理是二种不同的金属A和B构成一个闭合回路，当二个接触端温度不同时(T>To)，回路中产生热电势Eab，其中T称为热端、工作端或测量端，To称为冷端、自由端或参比端。A和B称为热电极。热电势的大小由接触电势(也叫伯尔贴电势)和温差电势(也叫汤姆逊电势)决定。

3 ZTPl35S—R的工作原理和性能
    GE公司生产的ZTP135S—R型红外温度传感器是一种专门用于非接触式测量体温的器件，其主要参数如下：
    芯片尺寸大小：1．8 mmxl．8 mm；
    光孔大小：1．4 mm x 1．4 mm；
    电偶数：60对：
    作用面积：O．7 mmx0．7 ram；
    内阻：60 kn±30％；
    电阻温度系数：<0．12％/℃；
    敏感度：65 V／W±30％；
    噪声电压：32 nVrms(典型值)；
    探测灵敏度：1．4E08 emHz(1/2)W(典型值)；
    时间系数：25 ms(典型值)；
    电热堆作温度补偿：R=100 kΩ，温度为25℃(R公差为±3％)，β=3960 (β公差为±0．5％)；
    封装型号：TO-46；
    工作温度：-20℃～100℃；
    存贮温度：-40℃～120℃。
    其外形和引脚排列如图1所示。

    被测物体的辐射能经过窗口和光阑聚焦在接收元件(热电堆)的受热片上，受热片上有60只串联的热电偶．每只热电偶的热端在受热片的中央部位围成一圈，焊接在一起，从引线就可以得到所有电偶的热电势之和。这种结构设计具有较小的热惯性和较高的灵敏度。传感器采用负温度系数电热调节器进行环境温度补偿。

    图2、图3和图4分别示出该传感器的灵敏度变化曲线、内阻变化率曲线和传输波形。

4  红外传感器的应用
    本设计采用AVR单片机进行数字信号处理，它与z1"P135S—R相连，对其采集到的温度电信号进行处理．再经过滤波和放大，把温度的标准电信号提取出来进行MD转换，最终在液晶显示器(LMD)上显示出来。LCD的8条数据线接．PB口；控制线RS、R／W、EN分别接PD0、PDl、PD3；LCD的背光灯由PD4控制。蜂鸣器由PD5控制。红外的温度信号接单片机的PA0口，环境温度补偿信号接单片机的PAI口。其中还设计了二个按钮(keyl，key2)，keyl为系统控制开关，key2为复位开关。图5示出megal6型单片机的外围电路。

5  结束语
    在温度测量系统中，温度传感器是一个重要的器件，它的性能直接影响温度测量的准确度．需要根据不同的测量精度来选择传感器，对于红外温度传感器来说，因为它是非接触式的，所以对环境的要求特别高，采用热电偶的测量原理，对环境温度进行补偿，从而获得准确的测量效果。本设计采用ZTPl35S—R型传感器很好地满足了要求。测量温度成线性变化，并且．本装置所用的红外传感器只是吸收人体辐射的红外线而不向人体发射任何射线．它采用的是被动式和非接触式测量方式．不会对人体产生辐射伤害。