非接触、口腔红外线电子体温计

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本发明属于电子温度计，特别是一种非接触式、口腔红外线电子体温 计。\n体温计是人类保健医疗器械中，应用最普遍的仪表。由于技术和价格 两方面的原因，迄今还没有真正可以与人体完全不接触地，快速地测量人 体体温的温度计。近几年出现的采用红外测温技术的体温计，如美国 Thermoscan公司的Pro-1耳道温度计(U.S.Patent：4,797,840)，还有 日本Omron公司的MC-505耳用温度计，分别采用了热电探测器和热电堆 探测器，直接测量耳腔内和鼓膜的温度，1～3秒钟测得体温。它们的共 同点都是要将测温探头插入人的耳穴内。因此，对人体来说，不能称为“非 接触”的体温表。上述温度计只能测量高于环境温度的物体，而不能测量 低于环境温度的物体。\n本发明的目的是提供一种新的，完全不与人体接触的体温计，一套新 的，有效地提高非接触式的红外测温仪灵敏度、信噪比和精度的技术，确 保了这种体温计的精确，可靠。\n本发明的另一目的是提供一种包括医疗或其它应用的非接触式测温 仪，既能测量比测温仪所处环境温度高的目标的温度；也能测量比测温仪 所处环境温度低的目标的温度。\n本发明的主要特点是包括外壳，在外壳内有一电源9，开关10放置在适 当位置，还包括汇聚所测物体红外辐射的非球面透镜1，所汇聚的红外辐射 经调制器2斩波调制后入射到探测器3上，探测器3输出的电信号经电路 处理，得到所测物体的温度。\n本发明测量时完全不与人体接触，快速、准确，既能测量比测温仪所 处环境温度高的目标的温度；也能测量比测温仪所处环境温度低的目标的 温度，非常适合现代卫生的要求。\n附图说明\n图1是本发明的结构示意图。\n图中1——红外透镜 2——调制器 3——探测器 4——热电 探测器—场效应管输入电路 5——峰值检波电路 6——峰值保持电 路 7——液晶显示器 8——发光二极管 9——电池 10——开 关 11——被测物\n图2是振子型斩波调制器结构图。\n图中21——钢片 22——磁性材料 23——线圈 24——线圈 25——晶体管 26——同步信号输出\n图3A是现有技术热释电探测器输入电路图，B是其等效电路。\n图中3——热释电探测器 31——后接场效应管的输入栅偏电阻Rg\n32——场效应管T1 33——热电探测器的等效漏电阻Rd 34——\n热电探测器的等效电容Cd 35——场效应管T1的结电容Cg 37——\n场效应管的源极电阻RS\n图4A是本发明的热释电探测器—场效应管输入电路，B是其等效电\n路。(所用标号与图3相同)\n图中36——附加的另一只场效应管T2 35——这种接法下后接放大 器的等效输入电容 38——本输入电路后接的放大器\n图5是同步峰值检波电路原理图。 \n图中51——二极管温度传感器 52——运算放大器  53——二\n极管 54——调制器同步信号 55——场效应管\n图6是图5中各部分的电信号波形图。\n下面结合附图详述本发明。\n由图1所示，本发明的非接触、口腔红外线电子体温计的工作原理是： 非球面形的红外透镜1将被测目标11的红外辐射汇聚；经过高精度稳频 振子形调制器2被斩波调制后，入射到热电型探测器3的敏感面上，产生 的电信号，接入热电探测器—场效应管输入电路4。输出的电信号进入信 号处理电路5经过选频放大，利用同步峰值检波及压缩带宽技术，抑制了 噪声而取得表征被测目标11的红外辐射强度的电信号，此电信号经过非 线性补偿及校准，获得与被测目标11的温度呈线性关系的电压信号，此 电压信号可被一个峰值保持电路6保持它的电压值，再通过常规的A/D变 换及液晶显示驱动电路，在液晶显示器7上用数字显示出被测目标的温 度。8是一个发射角为8°～12°的超高亮度红色发光二极管，前面加 有一个光栏，发出一个红色的光束，在本发明中用作瞄准。它使一个直径 约1CM的红色的光斑照射在15CM左右远处的目标11上，本发明的温度计 所测的就是光斑所在位置的温度。9是一个安装有电池的盒子，提供温度 计的电源。以上各部件被固定安置在一个手柄型外壳1的内部空腔内。外 壳前端有两个孔，分别是瞄准光束的出光孔和测量目标红外辐射的入射 孔。外壳保护测温仪的各个部件，并屏蔽与被测目标无关的杂散辐射。\n每次测量人的体温时，先按下开关10，接通电源8，则出现红色瞄准 光束。请被测人张开口，本发明的温度计距被测人的口部10～20CM，将 瞄准光束的光斑扫描到规定的位置(如舌面的中间部分)，用约一秒的时间 扫过。则本发明的测温仪测得口腔内的温度表示了人的体温，以0.1℃的 精度在液晶显示器7上显示出来，此数值将保持直至下一次测量。\n下面给出本发明的一个实施例。\n图1中的红外透镜1是这样设计的：它的作用是收集目标辐射的能量， 并将其汇聚到红外探测器上。通常的透过式光学系统是由一片凸透镜或两 片胶合的凸透镜构成，均为球面镜或镜组。本发明的红外透镜为非球面形， 最好为抛物面，使透镜边缘部分的焦距，短于中心部分的焦距，设透镜的 最大直径为D。边缘部分的焦距为f0，则透镜不同直径D部分的焦距为f $=f_0+4\lambda {\left(\frac{f_0}{D}\right)}^2$ 即：越接近中心部分，焦距越长，透镜为抛物面形，近 距离处散焦，使辐射能量分散，而远距离处聚焦，使接收辐射能量集中而 信号增强。这种设计适应了体温计相对短距离测量的要求，减小了测量距 离变化引起的偏差，提高了测量精度。\n图1中2为本发明设计的调制器，这种振子型斩波调制器的结构原理 和驱动电路示意图为图2。一只一端固定在基板上的高弹性钢片作为振动 片21，粘有一枚用钕铁硼永磁材料制做的圆柱形永磁体22。置于具有两 个重叠的绕组23、24的线圈框中。23作为激励线圈，接在晶体管25的 集电极，24作为反馈线圈，接于晶体管25的基极。接通电源的瞬间，线 圈23产生的磁场，吸引永磁体22，带动钢片21向线圈内部运动，永磁 体的运动，又在线圈24上产生感应电动势，使晶体管的基极电流增加， 正反馈使通过线圈23的集电极电流增加，更促进吸引永磁体伸入线圈内 部，当此引力与钢片的弹力平衡时，永磁体静止，基极线圈24感应电动 势为0，电流截止，激励线圈的电磁场消失，钢片弹回到初始位置，一超 过平衡点，磁钢的运动又使基极线圈24产生感生电动势，正反馈又使晶 体管集电极产生电流，使激励线卷产生电磁场，吸引永磁体再次向线卷内 运动......。如此形成钢片的振动，周期性地遮断和开通经过透镜1聚焦的 入射红外辐射，完成了对被测目标红外辐射的调制。本发明的这种设计结 构简单，而调制频率完全由钢片的固有振动频率决定而与线圈和外电路无 关，稳定性可以达到0.04％，而驱动电路晶体管仅耗电1mA，实现了对红 外辐射信号的高精度，高稳定的调制，本发明设计的振动调制频率为75Hz 左右，避开了工频(50-60Hz)及谐波(100-120Hz)的干扰，而且使本发明温 度计的响应时间可达0.1秒。\n图1中3为红外探测器，本发明采用了钽酸锂(LiTaO3)或锆钛酸铅(PZT) 热释电型探测器，由于已对目标的红外辐射进行了调制，就可以选用灵敏 度高，信噪比好而且价格远低于热电堆的这类热释电型探测器了。\n图1中4为本发明设计的热电探测器—场效应管输入电路，说明如下：\n现有热释电探测器的输入电路和等效电路如图3。\n热电探测器是一个恒流源。其负载为Rg和电容C＝Cd+Cg的并联。为提 高电压响应率，必须使用较大的输入电阻Rg，然而，当时间常数τe＝RgC＞1 时，电压响应率随调制频率的增高而线性减小，信噪比降低，使探测器不 能在高频工作。为了减小τe，除在探测器制造工艺上改进，减小Cd外，只 能降低栅偏电阻Rg，为此又须由降低电压响应率和信噪比为代价。\n本发明注意到：τe＝RgC中，C是探测器的电容Cd与场效应管的结电 容Cg之和，只要减小电容C，同样能取得提高响应率和展宽使用频率的 效果。为此，本发明设计的热释电探测器——场效应管输入电路如图4所 示。场效应管源极输出放大器的增益 $K=\frac{g_m{g}_s}{1+g_m{R}_s}<1$\n式中gm为场效应管的跨导。 这种接法将探测器接在场效应管的栅、源极之间，形成了正反馈作用 (由于K＜1，不会引起振荡)使后接放大器的等效输入电容 $C_0=\frac{C_d+C_g}{1+g_m{R}_s}$\n显然，比传统的电路减少了(1+gmRs)倍，如果将Rs用恒流源代替，此 电容可减少1-3个数量极！实际测量结果表明，用本发明的这种电路， τe减少了几倍至几百倍。也就是说，本发明的这种输入电路，将热电探测 器的电压响应率提高了几倍至几百倍，而且可以在高频使用，并获得好的 信噪比。 图1中5为选频放大器和用窄脉冲控制的同步峰值检波电路。图5中，二 极管温度传感器51安装在调制器最近处，用于取得对应测温环境的电信 号。在运算放大器52与从输入电路4接来的代表被测目标的电信号叠加， 以补偿环境温度的影响。53是工作在微电流下的二极管。利用该二极管 的非线性，将该二极管加在运算放大器52的负反馈端，完成非线性补偿。 将被测目标经此放大器输出的信号与红外辐射的强度修正成线性关系。 54是调制器同步信号、占空比为1∶8的窄脉冲。此脉冲输入到场效应 管55的栅极，仅在脉冲作用期间打开场效应管，控制了场效应管的通、 断，完成了对被测信号的同步过零、正、负峰值检波作用，有效地压缩了 噪声带宽。特别应说明，当被测目标的温度低于环境温度时，本发明设计 的这个电路将来自被测目标的调制信号倒相，同步脉冲控制检取负脉冲— —使低于室温的被测信号得到正确的负值输出。图6中，61为A点被测 目标被放大的信号；62的B点为调制器同步的峰值检波控制脉冲信号； 63为C点检波输出，强度正比于被测目标温度的电信号；64为D点经过 滤波取得的直流电压信号，此电压值正比于被测目标的温度。\n电子电路的噪声与电路的带宽的平方根成正比，本发明由于有高精度 的调制器，频率稳定，所以选频放大器的带宽仅为3-5Hz。同时，峰值 检波采用占空比为1∶8的峰脉冲，又将有效带宽压缩了 倍，使信噪比 进一步提高，确保了对被测目标较弱的红外辐射有足够高的放大器增益和 信噪比，。还应说明的是：采用这种同步检波方式工作，对热电探测器输 出的正、负信号都可以分别取正、负值。通常情况下，当被测目标的温度 高于热电探测器工作环境的温度时，热电探测器输出正信号；而当被测目 标的温度低于热电探测器工作环境的温度时，热电探测器输出为负信号。 相对于只用一只红外辐射屏蔽开关，采用热电探测器，通过检测一次开关 瞬间红外辐射信号脉冲峰值来确定温度的测温仪(如美国专利 4,797,840)而言，因为当目标温度低于探测器环境温度时，产生的是负 信号，这使得处理电路十分复杂，以致很难测量比温度计所处环境温度低 的目标温度。显然，本发明的设计，既可以测高于温度计环境的目标的温 度，也可以测低于温度计所处环境温度的目标的温度，具有更广泛的应用 意义。\n图1中5还包括常规的校准电路。与被测目标11的温度呈线性关系的 电压信号可被一个峰值保持电路6保持它的电压值，再通过一个常规的 A/D变换及液晶显示的数字电压表7显示出来。数字电压表直接显示出被 测目标的温度值。\n图1中8为加有光栏的瞄准用红色发光二极管。人的口腔内的温度被 认为最正确地反映人的体温，为了确定一个参考定标点，本发明设计了用 超高亮度，发射角为8°-12°的红色发光二极管，通过一个圆孔光栏，在 红外透镜前方15-20cm范围内形成一个直径为1cm左右的鲜明的红色 光斑，它被调整到与红外透镜近似同轴，这样光斑所在的位置(如对准在 人口腔内舌面上后部)即透镜汇聚其红外辐射的目标，也即将测得此处的 温度。\n关于环境温度的影响和测温仪全部所用的元器件的的温度稳定性问 题，本发明是这样解决的：除热电探测器、运算放大器，非线性补偿电路 等设计中已采用了常规的温度补偿措施之外，整机的调试在20℃和40℃ 两种环境温度的恒温箱中反复进行，调成一致，并校准。采用这种整机综 合恒温调试的作法。可平衡各个元件的不同温度响应可能引起的偏差，取 得最好的温度补偿结果，保证了使用精度。\n本发明实现了一种具有足够高的精度和稳定性的，完且不与人体接触 的，测量口腔温度以确定体温的，而且是低成本就可以制造的，非接触式 口腔红外线电子体温计。当然，本发明的设计可以推广应用至包括医疗在 内的其它用途的非接触式红外测温仪。只要不违背本发明的设计思想，可 以作出各种变型的红外测温仪。