專利名稱：非接觸紅外照相體溫計的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及紅外測溫技術領域，具體地說是一種非接觸紅外照相體溫計。
技術背景自1709年荷蘭人華倫海特制造出世界上第一支水銀溫度計以來，人類使用水銀溫度計已有近300年的歷史，特別是近兩個世紀以來，水銀溫度計已成為醫(yī)院和家庭診斷疾病的常用儀器。
隨著社會的發(fā)展和進步，對醫(yī)院和家庭大量使用水銀溫度計造成水銀(劇毒金屬液體)外泄嚴重污染人類生存環(huán)境(空氣和水)非常擔憂和恐懼，呼吁禁止出售和使用水銀溫度計的呼聲越來越高。至2001年止，歐美日等國已正式出臺有關法律正式禁止出售和使用水銀體溫計。此外，水銀體溫計還有兩大嚴重缺點①它是接觸式測溫，多人使用易造成疾病交叉感染；②測溫時間太長(5分鐘以上)，不適應現(xiàn)代人的快節(jié)奏生活。
從20世紀90年代初開始，世界眾多紅外測溫專業(yè)公司如美國的IRCON、RAYTEK、MIKRON、WAHL等公司，英國的LAND公司，德國的BRAUM公司，日本的千野、美能達、歐姆龍等公司，瑞典的AGA公司都對水銀體溫計的替代產(chǎn)品進行了大量研究和探索。共同的結(jié)論是紅外體溫計是水銀體溫計的最佳替代品產(chǎn)品。十多年過去了，真正完全非接觸紅外體溫計至今仍未有商品問世。究其原因，首先是技術上的。紅外測溫技術本身就是一項光機電一體化高新技術，而紅外體溫計又是紅外測溫技術中難度最大者之一。它融光學技術、電子技術、精密機械技術、熱學技術、抗干擾技術和軟件技術于一體，不是某一門學科或一種專業(yè)所能單獨解決問題的。它對測溫精度和穩(wěn)定性的要求比通常工業(yè)用紅外測溫儀要高一個數(shù)量級以上。其次是產(chǎn)品的成本和價格問題。因為它要替代水銀體溫計，要進入億萬普通百姓家庭，其成本和售價必須低。這就是所謂的“兩高一低”(即高精度、高穩(wěn)定性和低價格)。這“兩高一低”的難度把這個項目推至當今世界技術難題之一，一旦突破，它又是一項市場潛力，經(jīng)濟效益和社會效益均十分巨大的世界級產(chǎn)品。
在攻克這項技術難題的征途中，遇到的最大困難是在一個完全開放的環(huán)境中要同時精確測量目標和環(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的產(chǎn)品。用它插入人的耳道內(nèi)(請注意“耳道內(nèi)”，這是一個相對封閉的環(huán)境，其環(huán)溫變化很小)來專門測量靠近人腦的耳膜的溫度。很明顯，紅外耳溫計的缺點和局限是(1)它必須插入耳道內(nèi)，對準耳膜，當插入不夠或?qū)Σ粶识a(chǎn)生較大誤差而造成誤測；(2)它仍沒有擺脫“接觸測量”的弊?。?3)它只能測耳膜，太過局限。
工業(yè)用紅外溫度計的普遍結(jié)構(gòu)。其中紅外光學系統(tǒng)將目標紅外輻射會聚于紅外探頭上，紅外探頭將紅外輻射能轉(zhuǎn)換為電壓信號V∑。儀器處在環(huán)溫為Tam的環(huán)境中，紅外探頭在接收目標輻射的同時還受環(huán)境溫度的影響，由紅外探頭輸出的綜合信號應為V∑＝RK(T4ob-T4am)＝RKT4ob-RKT4am＝Vob-Vam......(1)(1)式中R--紅外探頭的電壓響應率K--與系統(tǒng)參數(shù)有關的常數(shù)。
Tob--目標溫度Tam--環(huán)境溫度Vob--對應目標輸出的電壓信號Vam--應環(huán)溫輸出的電壓信號。
我們需要準確知道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)做法是用一個專測環(huán)溫的探頭置于緊靠紅外探頭的地方來單獨測量環(huán)溫信號V′am。問題的關鍵是Vam和V′am是由兩個不同的探頭測量出來的環(huán)溫信號，相當于兩個裁判對一個跳水運動員打分。這種傳統(tǒng)處理方法必然給環(huán)溫測量帶來兩項誤差。
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1、紅外探頭是一種高靈敏度、低噪聲、響應快(毫秒級)的紅外探測器；專測環(huán)溫探頭通常都用NTC(或鉑電阻或AD590LM35等)，其靈敏度、噪聲系數(shù)、響應速度均與紅外探頭有較大差異，其造成的誤差設為△V1；2、紅外探頭和專測環(huán)溫探頭安裝位置不可能相同，其空間位置的差別，造成的測溫誤差設為△V2；3、紅外探頭接收的是熱輻射能量，其傳播速度為光速，專測環(huán)溫探頭接收的熱傳導能量，其熱傳遞速度很慢；而且紅外探頭和專測環(huán)溫探頭本身對熱的響應速度一個為毫秒級，一個為秒級，差異很大，兩者接收和輸出的不可能是同一時間的熱能，設其誤差為△V3。
設Vam-V′am＝△Vam＝△V1+△V2+△V3……(3)大量實測數(shù)據(jù)表明，在環(huán)溫10℃～40℃范圍內(nèi)，由于△Vam的存在引起的環(huán)溫測量誤差△T1約為±0.3℃。
誤差之二是專測環(huán)溫探頭本身的固有測溫誤差以△T2表示。以使用最普遍的負溫度系數(shù)熱敏電阻NTC為例來說明。國外大公司(如美國的HONEYVELL公司和日本的石冢電子株式會社)生產(chǎn)的NTC，出廠時均會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℃，通過對其進行線性處理(即分段細化標定)后，其溫度誤差可減少到±0.3℃～±0.5℃。
假設其它干擾和噪聲均為零，僅將上述兩種誤差加起來(△T1+△T2)，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(兩個裁判打分)制作紅外溫度計無法實現(xiàn)高精度測溫的原因，也是目前國內(nèi)外所有非接觸紅外溫度計(或叫測溫儀)的測溫精度(不是溫度分辨率)沒有高于0.5℃的原因所在。對于絕大多數(shù)工業(yè)用紅外溫度計，其誤差都在±2℃以上，0.5℃的誤差可以忽略。但對于測溫精度為0.1℃左右的紅外體溫計來講，0.5℃的誤差是絕對不能容許的。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是從根本上改變了原有的思維定式，變由兩個裁判打分為一個裁判打分。具體講就是上面公式(1)式和(3)式中V∑和V′am不再分別由兩個探頭來測量，而只由一個紅外探頭在很短時間內(nèi)測量兩次。在此專測環(huán)溫探頭已不存在。
由于去掉了專測環(huán)溫探頭，公式(1)和(3)中的V∑和V′am均由紅外探頭承擔，上面所述的誤差之一、之二，均不復存在，即△V1＝△V2＝△V3＝△Vam＝0∴Vam＝V′am∴△T1＝0△T2＝0由于本實用新型從根本上消除了傳統(tǒng)方法處理環(huán)溫測量帶來的誤差，從而為高精度非接觸紅外測溫，建立了一種全新的理念和方法，使高精度非接觸紅外測溫成為可能。
本實用新型是利用一個探頭對目標和環(huán)境的溫度進行同時、同精度測量，其精度可達0.1℃，時間僅為0.5秒的非接觸紅外照相體溫計。
一種非接觸紅外照相體溫計，包括外殼，裝在外殼內(nèi)的紅外光學系統(tǒng)，信號采樣時間控制器，信號濾波、采樣雙功能開關，紅外探頭，電子控制器電路，液晶顯示器。
信號采樣時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。
一種非接觸紅外照相體溫計測溫是這樣實現(xiàn)的目標→信號采樣時間控制器→紅外光學系統(tǒng)→紅外探頭(W/V)→放大電路→A/D轉(zhuǎn)換→單片機系統(tǒng)(V/T)→譯碼器(2/10)→顯示器(LCD)。
如圖1所示，打開電源開關14，系統(tǒng)供待機。向后扣動扳機5帶動連桿6向后移動，其最大行程為4毫米，當移動到行程的一半2毫米時，信號采樣時間控制器1[以下簡稱控制器1]在5～6毫秒內(nèi)完全打開，目標輻射通量通過并進入紅外光學系統(tǒng)2并將輻射通量會聚到達信號濾波、采樣雙功能開關9[以下簡稱開關9]前。此時連桿6繼續(xù)向后移動至最大行程4毫米時，開關9完全打開，目標輻射通量進入紅外探頭7，并將其變換為電壓信號。此信號經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換后等待單片機的采樣指令。在開關9完全打開的同時位于電路板10上的單片機系統(tǒng)會迅速發(fā)出采樣指令采樣。0.5秒后控制器1準時關閉，開關9也同時關閉，單片機會再次指令采樣。兩次采樣信號由單片機按規(guī)定程序和公式進行計算處理，并轉(zhuǎn)換成目標溫度的二進制碼，再由譯碼器變成10進制數(shù)交由顯示器LCD 4顯示出目標溫度。
本實用新型非接觸紅外照相體溫計的優(yōu)點是采用了信號采樣時間控制器和信號濾波、采樣雙功能開關，其結(jié)構(gòu)獨特簡單，造價非常便宜，易于普及和推廣到千家萬戶。本裝置采用一個紅外探頭，對目標信號和環(huán)境信號同時、同精度測量，測量精度達到0.1℃，測量時間不超過0.5秒。


圖1為非接觸紅外照相體溫計結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為信號采樣時間控制器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為信號濾波、采樣雙功能開關示意圖。
具體實施方式
根據(jù)圖1-圖3所示，信號采樣時間控制器1裝在外殼16內(nèi)，紅外光學系統(tǒng)2裝在控制器1的后面或前面，紅外探頭7前面裝有信號濾波、采樣雙功能開關9，兩件一起裝在外殼內(nèi)，并和紅外光學系統(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?？刂齐娐返碾娫撮_關14裝在手柄15上，手柄15和外殼16相連，信號采樣時間控制器1的開關板機5，連桿6裝在外殼16上，用來控制控制器1的開關。
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用導線相連。電子控制電路是在武漢金元科技公司購買。
權(quán)利要求1.一種非接觸紅外照相體溫計，包括外殼(16)，外殼(16)中裝有紅外光學系統(tǒng)(2)，溫度液晶顯示器(4)，電子控制電路，其特征在于還有紅外光學系統(tǒng)(2)前面或后面裝有信號采樣時間控制器(1)，紅外探頭(7)前面裝有信號濾波、采樣雙功能開關(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸紅外照相體溫計，其特征在于信號采樣時間控制器(1)包括連接殼體、控制器、控制片。
專利摘要一種非接觸紅外照相體溫計，包括外殼，裝在外殼內(nèi)的紅外光學系統(tǒng)2，信號采樣時間控制器1，信號濾波、采樣雙功能開關9，紅外探頭7，電子控制器電路，液晶顯示器4。其優(yōu)點是是采用了信號采樣時間控制器，其結(jié)構(gòu)獨特、簡單，造價非常便宜，易于普及和推廣到千家萬戶。本裝置采用一個紅外探頭，對目標信號和環(huán)境信號同時、同精度測量，測量精度達到0.1℃，測量時間不超過0.5秒。
文檔編號G01K1/02GK2591596SQ02279510
公開日2003年12月10日 申請日期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 申請人:楊錫庚, 武漢科欣技術有限責任公司