基于热释电效应的非接触式红外测温仪的设计
张少华 姚国瑞 陈大鹏 钱麒麟 堵若瑜
摘要：为了解决传统测温方式的不足，提出一种基于热释电效应的非接触式红外测温仪，以黑体辐射定律为基础，设计了以热释电传感器与菲涅尔透镜为基础的检测装置以及信号处理电路，该测温仪具有体积小，测温快，使用寿命长，非接触式等特点，可用于体温度的快速测量。
关键词：热释电效应;红外测温仪;菲涅尔透镜;非接触式
中图分类号：TP311? ? ? ? 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2021）17-0239-02
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进入21世纪后，红外传感技术不断发展与完善，并且由于2002年SARS的爆发，人们开始将原来应用于工业生产制造中的高精度红外测温仪使用到医疗和日常生活中。
目前2019-nCoV仍然在全球众多的国家中传播，每天确证的病例数依旧很多，我国从去年病毒爆发以来就在全国所有的公共场所、车站、机场、学校等人员密集的场所配备测温装置来测量体温，大多数场所采用的测温装置仍然是热电堆红外测温枪。传统的热电堆测温枪对于本次疫情而言有一个最大的缺点，测温枪需要近距离接触被测目标，人体体温的可测距离大概为1-3cm，这种测量方式不仅不太方便，还有可能增加测量人员感染的风险，所以设计一种可以远距离测量的测温仪十分必要。
本文设计了一种基于热释电效应的非接触式红外测温仪，该测温仪具有体积小，响应速度快，测量距离远，使用寿命长，非接触式等特点，可用于体温度的快速测量。
1测温原理
目前多数的测温装置都是利用物体的红外辐射测量温度，红外辐射也叫红外线，是红光的外侧看不见的光。自然界中的物體只要温度大于绝对零度就会向外辐射出不同强度的红外线，因此如果已经知道某个物体的发射率，只需要测量被测物体的红外辐射量就可以通过计算确定物体的温度，所有红外测温装置都是基于这一原理制作而成的。
红外线是频率介于微波与可见光之间的电磁波，波长的范围在0.75μm到1000μm之间，根据波长可分为以下四个波段，如表1所示。
根据黑体辐射定律可知自然界中的物体只要温度大于绝对零度就会向外辐射出不同强度的能量，而辐射出的能量的强度大小就和该物体表面的温度有关，物体表面的温度越高，向外辐射的能量就越大，因此根据普朗克公式可以计算出物体在波长为[λ]处的单色光谱辐射出射度与热力学温度[T]之间的关系如下式所示：
[MλT=C1λ-5expC2λT-1-1]
上式中，[C1=3.7418×10-16W?m2]，称为第一辐射出射度常数，[C2=1.4388×10-2W?K]，称为第二辐射出射度常数。
热释电效应指的是铁电梯发生极化现象后，极化强度会随着温度改变，从而释放部分表面电荷的现象。当热释电器件检测范围内的温度产生变化时，光敏面的电极会释放电荷，从而在两个电极之间产生一定的电压差。热释电红外传感器通过探测温度变化时，经过光电转换之后将温度信号转化为交变电压信号，经过后续处理电路得到温度信息，经推导普朗克公式计算得到物体温度为：
[Q=Kε1σT41-Kε2σT42]
上式中，[T1]是被测物体的温度;[T2]是物体所处环境的温度;[ε1]是被测物体的发射率;[ε2]是物体所处环境的发射率;[ σ=5.670373×10-8W?m-2?K-4]，称为斯特藩-玻尔兹曼常数;[K]是探测器的灵敏度。
2测温系统整体设计
基于热释电效应的非接触式红外测温仪系统主要有以下四部分组成：光学系统，光电检测模块，信号处理模块，显示模块和报警电路，如图1所示。光学系统部分完成红外辐射的捕捉与采集，确定视场的大小，采集到的辐射信号通过热释电红外传感器完成光电信号的转换，检测得到的交变电压信号再经过放大滤波电路传送至单片机进行处理，最终通过显示模块显示测量的温度，还可设定报警阈值，超过阈值温度发出警报。
3系统硬件电路设计
3.1热释电红外传感器
热释电红外传感器内部结构有以下三个部分：光敏感单元、阻抗变换器和滤光窗，具体结构如图2所示。
光敏感单元：对于不同的热释电传感器所采用的光敏感单元的制作材料不同，但都属于压电类晶体，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等。热释电传感器的光敏感单元主要对红外辐射的变化量敏感，辐射量发生变化光敏面的电极才会产生电荷，所以热释电传感器对静止的物体或者移动较慢的物体不敏感，这样就可以降低环境干扰，例如太阳光中的红外线以及周边物体辐射出的红外线。
滤光窗：人体向外辐射红外线在不同的波长上的强度是不一样的，滤光窗的响应波长范围为7μm到14μm，其中心正好是人体向外辐射红外线的最强波长，因此滤光窗可以尽可能地让人体向外辐射红外线汇聚到传感器光敏感单元。
热释电红外传感器将探测到的红外辐射转换成交变的电压差信号，经过场效应管放大后传输给后续电路，将热释电传感器与菲涅尔透镜组合使用，这样可以提高传感器的探测灵敏度，菲涅尔透镜是将透镜分成若干等分来增加红外线的汇聚，从而和后续的放大电路配合起到放大信号的作用。
3.2信号放大电路
被测人员向外辐射出的红外线经过光学系统的菲涅尔透镜进行汇聚，由于透镜的作用产生的电压信号呈脉冲的形式，热释电红外传感器产生微弱的交变电压信号，该信号要先经过一个RC滤波电路，由于输出的信号微弱，一般情况下大概为1mV左右，并且是一个变化的脉冲电压信号，脉冲电压信号的频率则取决于被测物体的移动速度，一般情况下在0.1Hz到10Hz之间，所以对输出的信号进行放大十分必要。信号放大电路部分使用集成运算放大器LM324进行放大，两级的放大可以使得输出信号获得足够的增益，具体电路如图3所示。
3.3报警保持及消除电路
热释电传感器探测的微弱电信号经过放大电路的放大以及滤波后，当前置电路有电信号传来时，此模块的输出信号由低电平到高电平变化，从而触发报警音乐芯片驱动电路，放大电路中的电位器W1可用于对比较电路的判决电平进行调节。报警电路主要完成报警保持及消除的控制，输入电平高于判决电平发出报警，具体电路如图4所示。
4结束语
本文设计了以热释电红外传感器作为检测模块的非接触式测温仪，以黑体辐射定律作为理论基础，结合了光电检测与信号处理等方面的产物。本设计与传统的热电堆红外测温枪相比具有体积小，响应速度快，测量距离远，使用寿命长，非接?触式等特点，尤其是在进行体温快速测量时，不需要将测温装置对准且靠近被测者，当被测者经过测温仪时就可以测量出体温，如果体温超过设定的阈值就会发出报警。
参考文献
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【通联编辑：朱宝贵】
