基于热释电传感器p7187的人体测温仪的设计

中心议题：

• 介绍热释电效应及p7187热释电传感器的等效电路
• 说明红外测温仪测量系统基本电路、参数选择并得出结论

解决方案：

• 热释电传感器在温度变化时有输出电压
• 采用温敏二极管的非线性作温度补偿
  

 

热释电红外探测器是由热释电红外传感器、菲涅耳透镜及电子电路组成的一种光电检测装置。他能无接触地检测人体运动时辐射出的红外线并转换成电信号输出。本文介绍了一种用于快速测量人体体温的p7187热释电传感器的原理及其基本设计电路。

热释电效应
某些强介电物质(PZT，LiTaO3等)的表面接受了红外线的辐射能量，其表面产生温度变化，随着温度的上升或下降，这些物质表面上就会产生电荷的变化，这种现象称为热释电效应。图1为晶体表面电荷随温度变化的移动情况[1]。

 
可见，当红外线照射热释电元件时，其内部极化作用发生很大的变化，其变化部分作为电荷释放出，从外部取出该电荷就变成传感器的输出电压。由此可见，热释电传感器只有在温度变化时才有输出电压。

p7187热释电传感器的等效电路
常见的热释电传感器有p2613，p3782，p7187等。根据法拉第法则，人体的体温约为3 7℃，辐射最多红外线的波长是10μm左右，而p7187对7～20μm范围波长比较灵敏，他采用了2个热释电元件PZT板，PZT板表面吸收红外线，并在受光面的内外各自安装取出电荷的一对电极，能敏感的捕捉到被测物体或光源，具有很高的灵敏度。这2个受光电极反向串联，可有效地防止背景波动以及干扰光照射时的误动作(一是环境变化引起的误动作，二是使用光调制器时的误动作)对传感器的影响，当2个受光电极同时受到红外线照射时，输出电压相互抵消而无输出，只有当人体移动时才有电压的输出，输出电压比较精确的反映了人体移动的情况。P7187等效电路如图2[2]。

 
红外测温仪测量系统基本电路及参数选择
a.电路构成
测量系统基本电路如图3所示。传感器输出信号经放大、选频滤波后，与室温测量元件输出进行相加和修正，最后得到与被测物体温度成正比的输出电压。

 
b.参数选择
传感器输出的信号经47μF电容耦合到同相放大器A1，A1的闭环增益为23～24之间。同时A1还兼做高通滤波器，其截止频率为fL=0.3 Hz。

A2是一个低通滤波器，其闭环增益约为1，截止频率为fH=7 Hz。

A1，A2分别把低于0.3 Hz和高于7 Hz的信号滤掉，使输出的信号仅是经过调制器调制的1 Hz红外辐射信号。

由温敏二极管和运算放大器A4组成温度补偿部分，他检测调制器的温度Ta，利用温敏二极管的非线性作温度补偿。

根据斯忒藩一波耳兹曼定律，当调制器装置温度为T0，被测温体的温度为T0时，红外线传感器的输出电压为：

 
由上式可知，要获得正比于待测物体的绝对温度的电压V，应将 

 
信号加到上式中进行补偿[3]。V(Ta)由温度补偿电路提供，温度补偿曲线可近似地看成是四次方曲线，这个过程将在加法器A3中完成。A3的作用是将信号电压与温度校正部分的输出进行加法计算。
 
结 语
该红外测温仪灵敏度为20 mV/℃，分辨率优于0.2℃，误差在0.3℃以内;具有非接触快速测温的优点，这对减少相互传染提供了重要手段。但他仅适于被测物体与传感器单元的距离为10 cm左右的非接触测温场合，并且人体表面温度不仅跟人体温度相关，同时还受体表下血液循环、导热状况和表面换热条件等多方面因素的影响。该测温仪测量的是人体表面的温度，应尽量要求被测量人处在测量环境中足够长的时间，使得被测量人的表面换热条件相同或相近。

 

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