專利名稱：非接觸高精度紅外測(cè)量體溫的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及紅外測(cè)溫技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種非接觸高精度紅外測(cè)量體溫的方法和裝置。
背景技術(shù)：
自1709年荷蘭人華倫海特制造出世界上第一支水銀溫度計(jì)以來，人類使用水銀溫度計(jì)已有近300年的歷史，特別是近兩個(gè)世紀(jì)以來，水銀溫度計(jì)已成為醫(yī)院和家庭診斷疾病的常用儀器。
隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，對(duì)醫(yī)院和家庭大量使用水銀溫度計(jì)造成水銀(劇毒金屬液體)外泄嚴(yán)重污染人類生存環(huán)境(空氣和水)非常擔(dān)憂和恐懼，呼吁禁止出售和使用水銀溫度計(jì)的呼聲越來越高。至2001年止，歐美日等國(guó)已正式出臺(tái)有關(guān)法律正式禁止出售和使用水銀體溫計(jì)。此外，水銀體溫計(jì)還有兩大嚴(yán)重缺點(diǎn)①它是接觸式測(cè)溫，多人使用易造成疾病交叉感染；②測(cè)溫時(shí)間太長(zhǎng)(5分鐘以上)，不適應(yīng)現(xiàn)代人的快節(jié)奏生活。
從20世紀(jì)90年代初開始，世界眾多紅外測(cè)溫專業(yè)公司如美國(guó)的IRCON、RAYTEK、MIKRON、WAHL等公司，英國(guó)的LAND公司，德國(guó)的BRAUM公司，日本的千野、美能達(dá)、歐姆龍等公司，瑞典的AGA公司都對(duì)水銀體溫計(jì)的替代產(chǎn)品進(jìn)行了大量研究和探索。共同的結(jié)論是紅外體溫計(jì)是水銀體溫計(jì)的最佳替代品產(chǎn)品。十多年過去了，真正完全非接觸紅外體溫計(jì)至今仍未有商品問世。究其原因，首先是技術(shù)上的。紅外測(cè)溫技術(shù)本身就是一項(xiàng)光機(jī)電一體化高新技術(shù)，而紅外體溫計(jì)又是紅外測(cè)溫技術(shù)中難度最大者之一。它融光學(xué)技術(shù)、電子技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)、熱學(xué)技術(shù)、抗干擾技術(shù)和軟件技術(shù)于一體，不是某一門學(xué)科或一種專業(yè)所能單獨(dú)解決問題的。它對(duì)測(cè)溫精度和穩(wěn)定性的要求比通常工業(yè)用紅外測(cè)溫儀要高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。其次是產(chǎn)品的成本和價(jià)格問題。因?yàn)樗娲y體溫計(jì)，要進(jìn)入億萬普通百姓家庭，其成本和售價(jià)必須低。這就是所謂的“兩高一低”(即高精度、高穩(wěn)定性和低價(jià)格)。這“兩高一低”的難度把這個(gè)項(xiàng)目推至當(dāng)今世界技術(shù)難題之一，一旦突破，它又是一項(xiàng)市場(chǎng)潛力，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益均十分巨大的世界級(jí)產(chǎn)品。
在攻克這項(xiàng)技術(shù)難題的征途中，遇到的最大困難是在一個(gè)完全開放的環(huán)境中要同時(shí)精確測(cè)量目標(biāo)和環(huán)境溫度。精明的日本人于前幾年由歐姆龍公司推出一款紅外耳溫計(jì)的產(chǎn)品。用它插入人的耳道內(nèi)(請(qǐng)注意“耳道內(nèi)”，這是一個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)境，其環(huán)溫變化很小)來專門測(cè)量靠近人腦的耳膜的溫度。很明顯，紅外耳溫計(jì)的缺點(diǎn)和局限是(1)它必須插入耳道內(nèi)，對(duì)準(zhǔn)耳膜，當(dāng)插入不夠或?qū)Σ粶?zhǔn)耳膜會(huì)產(chǎn)生較大誤差而造成誤測(cè)；(2)它仍沒有擺脫“接觸測(cè)量”的弊?。?3)它只能測(cè)耳膜，太過局限。
工業(yè)用紅外溫度計(jì)的普遍結(jié)構(gòu)。其中紅外光學(xué)系統(tǒng)將目標(biāo)紅外輻射會(huì)聚于紅外探頭上，紅外探頭將紅外輻射能轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)V∑。儀器處在環(huán)溫為Tam的環(huán)境中，紅外探頭在接收目標(biāo)輻射的同時(shí)還受環(huán)境溫度的影響，由紅外探頭輸出的綜合信號(hào)應(yīng)為V∑＝RK(T4ob-T4am)＝RKT4ob-RKT4am＝Vob-Vam......(1)(1)式中R-紅外探頭的電壓響應(yīng)率K-與系統(tǒng)參數(shù)有關(guān)的常數(shù)。
Tob-目標(biāo)溫度Tam-境溫度Vob-對(duì)應(yīng)目標(biāo)輸出的電壓信號(hào)Vam-對(duì)應(yīng)環(huán)溫輸出的電壓信號(hào)。
我們需要準(zhǔn)確知道Vob，由(1)式有Vob＝V∑-Vam......(2)由(2)式可知，只有求出Vam，才能得到Vob，怎么求出Vam呢？目前普遍傳統(tǒng)做法是用一個(gè)專測(cè)環(huán)溫的探頭置于緊靠紅外探頭的地方來單獨(dú)測(cè)量環(huán)溫信號(hào)V′am。問題的關(guān)鍵是Vam和V′am是由兩個(gè)不同的探頭測(cè)量出來的環(huán)溫信號(hào)，相當(dāng)于兩個(gè)裁判對(duì)一個(gè)跳水運(yùn)動(dòng)員打分。這種傳統(tǒng)處理方法必然給環(huán)溫測(cè)量帶來兩項(xiàng)誤差。
誤差之一是兩種不同探頭的性能差異造成的誤差有下述三項(xiàng)1、紅外探頭是一種高靈敏度、低噪聲、響應(yīng)快(毫秒級(jí))的紅外探測(cè)器；專測(cè)環(huán)溫探頭通常都用NTC(或鉑電阻或AD590，LM35等)，其靈敏度、噪聲系數(shù)、響應(yīng)速度均與紅外探頭有較大差異，其造成的誤差設(shè)為ΔV1；2、紅外探頭和專測(cè)環(huán)溫探頭安裝位置不可能相同，其空間位置的差別，造成的測(cè)溫誤差設(shè)為ΔV2；3、紅外探頭接收的是熱輻射能量，其傳播速度為光速，專測(cè)環(huán)溫探頭接收的熱傳導(dǎo)能量，其熱傳遞速度很慢；而且紅外探頭和專測(cè)環(huán)溫探頭本身對(duì)熱的響應(yīng)速度一個(gè)為毫秒級(jí)，一個(gè)為秒級(jí)，差異很大，兩者接收和輸出的不可能是同一時(shí)間的熱能，設(shè)其誤差為ΔV3。
設(shè)Vam-V′am＝ΔVam＝ΔV1+ΔV2+ΔV3……(3)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，在環(huán)溫10℃～40℃范圍內(nèi)，由于ΔVam的存在引起的環(huán)溫測(cè)量誤差ΔT1約為±0.3℃。
誤差之二是專測(cè)環(huán)溫探頭本身的固有測(cè)溫誤差以ΔT2表示。以使用最普遍的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻NTC為例來說明。國(guó)外大公司(如美國(guó)的HONEYVELL公司和日本的石冢電子株式會(huì)社)生產(chǎn)的NTC，出廠時(shí)均會(huì)給出在一定溫度范圍內(nèi)的誤差值，在10℃～40℃范圍內(nèi)的溫度誤差為±0.7℃～±1℃，通過對(duì)其進(jìn)行線性處理(即分段細(xì)化標(biāo)定)后，其溫度誤差可減少到±0.3℃～±0.5℃。
假設(shè)其它干擾和噪聲均為零，僅將上述兩種誤差加起來(ΔT1+ΔT2)，再小也無法小于±0.5℃。這就是結(jié)論，這就是按這種傳統(tǒng)方法(兩個(gè)裁判打分)制作紅外溫度計(jì)無法實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫的原因，也是目前國(guó)內(nèi)外所有非接觸紅外溫度計(jì)(或叫測(cè)溫儀)的測(cè)溫精度(不是溫度分辨率)沒有高于0.5℃的原因所在。對(duì)于絕大多數(shù)工業(yè)用紅外溫度計(jì)，其誤差都在±2℃以上，0.5℃的誤差可以忽略。但對(duì)于測(cè)溫精度為0.1℃左右的紅外體溫計(jì)來講，0.5℃的誤差是絕對(duì)不能容許的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是從根本上改變了原有的思維定式，變由兩個(gè)裁判打分為一個(gè)裁判打分。具體講就是上面公式(1)式和(3)式中V∑和V′am不再分別由兩個(gè)探頭來測(cè)量，而只由一個(gè)紅外探頭在很短時(shí)間內(nèi)測(cè)量?jī)纱?。在此專測(cè)環(huán)溫探頭已不存在。
由于去掉了專測(cè)環(huán)溫探頭，公式(1)和(3)中的V∑和V′am均由紅外探頭承擔(dān)，上面所述的誤差之一、之二，均不復(fù)存在，即ΔV1＝ΔV2＝ΔV3＝ΔVam＝0∴Vam＝V′am∴ΔT1＝0ΔT2＝0由于本發(fā)明從根本上消除了傳統(tǒng)方法處理環(huán)溫測(cè)量帶來的誤差，從而為高精度非接觸紅外測(cè)溫，建立了一種全新的理念和方法，使高精度非接觸紅外測(cè)溫成為可能。
本發(fā)明是利用一個(gè)探頭對(duì)目標(biāo)和環(huán)境的溫度進(jìn)行同時(shí)、同精度測(cè)量，其精度可達(dá)0.1℃，時(shí)間僅為0.5秒的非接觸高精度紅外測(cè)量體溫的方法和裝置。
本發(fā)明一種非接觸高精度紅外測(cè)量體溫的方法是利用信號(hào)采樣時(shí)間控制器，紅外光學(xué)系統(tǒng)，一個(gè)探頭對(duì)目標(biāo)和環(huán)境溫度同時(shí)、同精度測(cè)量，然后溫度顯示在液晶顯示器上。
其測(cè)量目標(biāo)的溫度的精度為0.1℃，測(cè)量時(shí)間僅0.5秒。
一種非接觸高精度紅外測(cè)量體溫的裝置，包括外殼，裝在外殼內(nèi)的紅外光學(xué)系統(tǒng)，信號(hào)采樣時(shí)間控制器，信號(hào)濾波、采樣雙功能開關(guān)，紅外探頭，電子控制器電路，液晶顯示器。
信號(hào)采樣時(shí)間控制器包括連接殼體、控制器、控制片。
電子控制電路包括放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、譯碼器、單片機(jī)系統(tǒng)。電子控制電路在武漢金元科技公司有售。
一種非接觸高精度紅外測(cè)量體溫的方法是這樣實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)→信號(hào)采樣時(shí)間控制器→紅外光學(xué)系統(tǒng)→信號(hào)濾波、采樣雙功能開關(guān)→紅外探頭(W/V)→放大電路→A/D轉(zhuǎn)換→單片機(jī)系統(tǒng)(V/T)→譯碼器(2/10)→顯示器(LCD)。
如圖1所示，打開電源開關(guān)14，系統(tǒng)供電待機(jī)。向后扣動(dòng)扳機(jī)5帶動(dòng)連桿6向后移動(dòng)，其最大行程為4毫米，當(dāng)移動(dòng)到行程的一半2毫米時(shí)，信號(hào)采樣時(shí)間控制器1[以下簡(jiǎn)稱控制器1]在5～6毫秒內(nèi)完全打開，目標(biāo)輻射通量通過并進(jìn)入紅外光學(xué)系統(tǒng)2，并將輻射通量會(huì)聚到達(dá)信號(hào)濾波采樣雙功能開關(guān)9[以下簡(jiǎn)稱開關(guān)9]前。此時(shí)連桿6繼續(xù)向后移動(dòng)至最大行程4毫米時(shí)，開關(guān)9完全打開，目標(biāo)輻射通量進(jìn)入紅外探頭7，并將其變換為電壓信號(hào)。此信號(hào)經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換后等待單片機(jī)的采樣指令。在開關(guān)9完全打開的同時(shí)位于電路板10上的單片機(jī)系統(tǒng)會(huì)迅速發(fā)出采樣指令采樣。0.5秒后控制器1準(zhǔn)時(shí)關(guān)閉，開關(guān)9也同時(shí)關(guān)閉，單片機(jī)再次指令采樣。兩次采樣信號(hào)由單片機(jī)按規(guī)定程序和公式進(jìn)行計(jì)算處理，并轉(zhuǎn)換成目標(biāo)溫度的二進(jìn)制碼，再由譯碼器變成10進(jìn)制數(shù)交由顯示器LCD4顯示出目標(biāo)溫度。
本發(fā)明一種非接觸高精度紅外測(cè)量體溫的方法和裝置的優(yōu)點(diǎn)是是采用了信號(hào)采樣時(shí)間控制器和信號(hào)濾波采樣雙功能開關(guān)，其結(jié)構(gòu)獨(dú)特、簡(jiǎn)單，造價(jià)非常便宜，易于普及和推廣到千家萬戶。本裝置采用一個(gè)紅外探頭，對(duì)目標(biāo)信號(hào)和環(huán)境信號(hào)同時(shí)、同精度測(cè)量，測(cè)量精度達(dá)到0.1℃，測(cè)量時(shí)間不超過0.5秒。


圖1為非接觸高精度紅外測(cè)量體溫的原理結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為信號(hào)采樣時(shí)間控制器示意圖。
圖3為信號(hào)濾波、采樣雙功能開關(guān)示意圖。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)圖1-圖3所示，信號(hào)采樣時(shí)間控制器1裝在外殼內(nèi)，紅外光學(xué)系統(tǒng)2裝在信號(hào)采樣時(shí)間控制器1的后面或前面，紅外探頭7前面裝有信號(hào)濾波、采樣雙功能開關(guān)9，兩件一起裝在外殼內(nèi)，并和紅外光學(xué)系統(tǒng)2中一鏡成一定的角度，液晶顯示器4裝在外殼的另一頭。
電子控制電路裝在外殼內(nèi)，紅外探頭7直接裝在電路板8上，并和液晶顯示器4用導(dǎo)線相連。電子控制電路是在武漢金元科技公司購(gòu)買。
權(quán)利要求
1.一種非接觸高精度紅外測(cè)量體溫的方法，其特征在于利用信號(hào)采樣時(shí)間控制器(1)，紅外光學(xué)系統(tǒng)(2)，一個(gè)紅外探頭(7)，對(duì)目標(biāo)和環(huán)境溫度同時(shí)、同精度測(cè)量，然后溫度顯示在液晶顯示器上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸高精度紅外測(cè)量體溫的方法，其特征在于其測(cè)量目標(biāo)溫度的精度達(dá)0.1℃，測(cè)量時(shí)間僅0.5秒。
3.一種非接觸高精度紅外測(cè)量體溫的裝置，包括外殼，裝在外殼內(nèi)的紅外光學(xué)系統(tǒng)(2)，液晶顯示器(4)、紅外探頭(7)，其特征在于還有裝在紅外光學(xué)系統(tǒng)(2)前面或后面的信號(hào)采樣時(shí)間控制器，和裝在紅外探頭(7)前面的信號(hào)濾波、采樣雙功能開關(guān)(9)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的非接觸高精度紅外測(cè)量體溫的裝置，其特征在于信號(hào)采樣時(shí)間控制器(1)包括連接殼體、控制器、控制片。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的非接觸高精度紅外測(cè)量體溫的裝置，其特征在于紅外探頭(7)僅為一個(gè)。
全文摘要
一種非接觸高精度紅外測(cè)量體溫的方法是利用信號(hào)采樣時(shí)間控制器1，紅外光學(xué)系統(tǒng)2，一個(gè)紅外探頭7對(duì)目標(biāo)和環(huán)境溫度同時(shí)、同精度測(cè)量，然后溫度顯示在液晶顯示器上。一種非接觸高精度紅外測(cè)量體溫的裝置，包括外殼，裝在外殼內(nèi)的紅外光學(xué)系統(tǒng)2，信號(hào)采樣時(shí)間控制器1，信號(hào)濾波、采樣雙功能開關(guān)9，紅外探頭7，電子控制器電路，液晶顯示器4。其優(yōu)點(diǎn)是是采用了信號(hào)采樣時(shí)間控制器和信號(hào)濾波采樣雙功能開關(guān)，其結(jié)構(gòu)獨(dú)特、簡(jiǎn)單，造價(jià)非常便宜，易于普及和推廣到千家萬戶。本裝置采用一個(gè)紅外探頭，對(duì)目標(biāo)信號(hào)和環(huán)境信號(hào)同時(shí)、同精度測(cè)量，測(cè)量精度達(dá)到0.1℃，測(cè)量時(shí)間不超過0.5秒。
文檔編號(hào)G01K1/00GK1488923SQ0213915
公開日2004年4月14日 申請(qǐng)日期2002年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月10日
發(fā)明者楊錫庚 申請(qǐng)人:楊錫庚, 武漢科欣技術(shù)有限責(zé)任公司