（测试计量技术及仪器专业论文）红外测温法监测固定穴位的针刺反应.pdf

摘要 摘要 经络学说是中医学的重要组成部分，它指导着中医各科的临床实践，贯穿于中 医诊疗的各个方面，是具有我国传统医学特色的针灸疗法。针刺后穴位温度的监测 对经穴理化特性的研究有着重要作用。目前常用针形传感器检测人体皮肤温度，但 其必须刺入人体皮肤内。红外测温技术属于非接触式测温的一种，应用于人体穴位 温度监测具有响应速度快、灵敏度高、不影响被测温度场等特点。 本文详细介绍了红外辐射测温的基本原理和实现方法，提出并研制了一种基于 m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机红外测温装置，并将其应用于对人体合谷穴针刺后温度检测中， 取得了相关实验数据。根据实验数据，采用最小二乘法找到了合谷穴针刺后穴位处 皮肤温度变化的规律。 本课题主要任务是利用红外辐射测温的原理实现对人体合谷穴受到针刺后的温 度变化进行监测，并找出温度变化的规律。课题主要完成了以下工作：对整个硬件 电路进行了设计，使用红外热释电探测器作为温度的转换器件，采用两级放大电路 和带通滤波电路对采集的信号进行放大与滤波，利用m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机自带的1 2 位a d 转换器a d c l 2 完成数据采集工作，通过r s 2 3 2 串口将处理后的数据传输给计 算机；进行了软件设计，编写了单片机的信号采集和数据处理程序，利用v b 6 0 编 写了计算机监控程序；利用自制的红外温差监测系统和电针仪进行了针刺合谷穴的 温差监测实验，采用误差理论和最d - - 乘法进行处理，得到了温差变化的拟合曲线。 实验结果显示，人体的合谷穴受到电针刺激后，穴位处的皮肤温度明显上升，在针 刺2 0 分钟后温度达到最大值。 关键词红外；穴位；温差；热释电探测器；m s p 4 3 0 f 1 4 9 a b s t a c t 目目目= = = = ：；：= ：= ；= = = ；。= = = = ；= = = = = 目目e = = = = ；= 目e i t 目；# = ；# 目# ；= 目= = ；= = = = = 目 a bs t r a c t t h em e r i d i a nt h e o r yi sac o m p o n e n to ft h et r a d i t i o n a lc h i n e s em e d i c i n e ( t c m ) i t g u i d e st h ec l i n i cp r a c t i c eo fe v e r ys e c t i o no ft c m ，e s p e c i a l l yt h ea c u p u n c t u r e ，t h ef a m o u s t c mt h e r a p y m o n i t o r i n gt h et e m p e r a t u r ea f t e ra c u p u n c t u r eap o i n th a sa ni m p o r t a n tr o l e t ot h er e s e a r c ho fp h y s i o c h e m i c a lp r o p e r t i e so ft h ea c u p o i n t sa n dm e r i d i a n s a tp r e s e n t ， o f t e nu s en e e d l et e m p e r a t u r es e n s o rt ot e s tt h et e m p e r a t u r eo fb o d y ss k i n ，b u ti tm u s tb e p e n e t r a t e di n t ob o d y ss k i n a sam a i nw a yo fn o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n t ，i n f r a r e d m e a s u r e m e n tw h e nb eu s e di nm o n i t o r i n gt h et e m p e r a t u r eo fb o d y sp o i n t ，h a sm a n y a d v a n t a g e s ，s u c ha sr a p i dr e a c t i o n ，h i g hs e n s i t i v i t ya n dn o n i n t e r f e r e n c et ot e m p e r a t u r e f i e l de t c t l l i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i cp r i n c i p l eo fi n f r a r e dt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta n dt h e m e t h o do fr e a l i z a t i o ni nd e t a i l w i t l lt h i st e c h n o l o g y i tp u t sf o r w a r da n dd e v e l o p sak i n d o fm e a s u r ee q u i p m e n tw h i c hb a s e so nt h em c um s p 4 3 0 f l4 9 t h i se q u i p m e n tc a nb e u s e di nt h et e m p e r a t u r ec h a n g em o n i t o r i n gw h e na c u p u n c t u r eo nt h eh u m a nb o d y s h e g u ( l i4 ) ，a n do b t a i n st h er e l e v a n te x p e r i m e n t a ld a t a a c c o r d i n gt o t h ee x p e r i m e n t a l d a t a ，u s i n gl e a s ts q u a r em e t h o d ，t h et e m p e r a t u r ec h a n g ep a t t e r n s o fa c u p u n c t u r eo n h e g u ( l i4 ) c a nb eg e t t h ep r o j e c tt e s tt h et e m p e r a t u r ec h a n g eo fa c u p u n c t u r eo nt h eb o d y sh e g u ( l i4 ) m a i n l yb a s e so np r i n c i p l eo f i n f r a r e dt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t t h ef o l l o w i n gi sm ym a i n w o r k s t h eh a r d w a r ec i r c u i th a sb e e nd e s i g n e d i nt h ec i r c u i t ，t h ep y r o e l e c t r i ci n f r a r e d d e t e c t o ri su s e da sat e m p e r a t u r ec o n v e r s i o nd e v i c e ，t h ec o l l e c t e ds i g n a li sa m p l i f i e da n d f l i t t e db yt w o s t a g ea m p l i f i e rc i r c u i ta n db a n d p a s sf i l t e rc i r c u i t ，t h ec o l l e c t i o no ft h ed a t a i sm a d ew i t ht h e12 b i ta dc o n v e r t e ra d c 12w h a tw a st h em c um s p 4 30 f14 9o w n ，也e p r o c e s s e dd a t aa r et r a n s p o r t e dt ot h ec o m p u t e rw i t hr s 一2 3 2 d e s i g nt h es o f t w a r eo ft h e p r o je c t t h i sp r o j e c th a sc o m p l i e dt h ep r o g r a m so ft h es i n g l ec o l l e c t i o na n dt h ed a t a p r o c e s s i n g ，a n dc o m p l i e dt h ec o m p u t e rm o n i t o rp r o g r a mb yv b 6 0 w i t ht h eh o m e m a d e i n f r a r e d t e m p e r a t u r em o n i t o r i n gs y s t e m a n de l e c t r o n i c a c u p u n c t u r ea p p a r a t u s ，a e x p e r i m e n th a sb e e nc o m p l e t e d ，i nw h i c ht h et e m p e r a t u r ec h a n g eo ft h ea c u p u n c t u r e r e a c t i o no ft h eb o d y sh e g u ( l 1 4 ) c a r lb em o n i t o r e d ，t h ee x p e r i m e n t a ld a t aa r ep r o c e s s e d b ye r r o rt h e o r ya n dl e a s ts q u a r em e t h o d ，a tl a s tg e tt h ef i t t i n gc u r v eo ft h et e m p e r a t u r e c h a n g e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a ta f t e rt h eb o d y sh e g u ( l 1 4 ) i sa c u p u n c t u r e d ， t h et e m p e r a t u r eo fb o d y ss k i nw h a tn e a rh e g u ( l 1 4 ) s i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e d ，a n da f t e r t w e n t ym i n u t e si tc a r lr e a c ht h em a x i m u mv a l u e k e y w o r d si n f r a r e d ；p o i n t s ；t e m p e r a t u r e ：p y r o e l e c t r i cd e t e c t o r ；m s p 4 3 0 f 14 9 ；- - i j l 科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指寻下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：毒毛叫 j 卅年月日 指导教师签名：1 堑等辛搋 鳓年占窍毛日 ；- - i ：i l 科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容绽入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 口保密，在- 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 西保密。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者躲靛彬 神年6 只sb 指导教师签名：k _ 陲抛 刎年月石日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 几千年以来，作为中华民族文化精髓的中医理论为中华民族乃至世界人民的健 康做出了重要贡献。即使在现代医学快速发展的今天，仍然在医疗保健领域发挥着 重要而且不可替代的作用。经络学说是中医学中核心的组成部分。中医学认为经络 是以十二经脉为主体，网络周布全身的一个复杂体系。它内属脏腑，外络支节，行 血气，营阴阳，应天道，是血气运行的通路，是人体功能的联络、调节和反应系统【l 】。 经络学以一种完全不同于现代医学和生物学的理论来阐述人体机能的调控方式，贯 穿于人体生理、病理、诊断和治疗等各个方面，指导着中医各科特别是针灸治疗的 临床实践，形成了具有我国传统医学特色的针灸疗法【引。为研究针灸理论的科学基础， 引发了大批学者对经络和穴位的生物物理学、化学特性的研究热潮。 从现代科学的眼光来看，温度是反映能量代谢水平的重要的指标与参数，是组 织功能活动的一种表现形式，它体现了组织的某种状态。温度高时表明组织细胞活 跃，能量代谢旺盛，局部血液循环量较丰富，温度低时则相反。同样在中医经络学 的诸多生物物理学特性中，温度特性研究也是经络理化特性中一个很重要的方面【3 】。 在经络穴位的生物物理属性中，经穴的温度比较灵敏，易于观察，又能及时反映该 处血管的舒缩变化。因此，经穴温度测量及其相关方面的研究己经成为一个活跃的 领域【4 5 j 。通过对经穴温度的检测分析，找出经穴温度分布的规律，可以进一步揭示 经络实质，发展经络学说。此外，通过对经穴温度的检测，有助于对内脏疾病做出 寒热虚实的经络辨证和中医诊断。 随着临床医学、电子科学技术和测控计量技术及仪器的发展，利用现代传感器 技术可以方便的检测生物体温变化。常用的温度探测器有：玻璃温度计、热敏电阻 器、热电偶、铂电阻、温度感应簧片、双金属片、红外温度传感器、i c 温度传感器、 感温铁氧体、晶体温度传感器等。 常用温度探测器的优缺点如下： 1 ) 玻璃温度计：通常不会出现大的误差，使用方便，易损坏，读数易产生误差， 测量距离受限，不能记录、报警、自动控制。 2 ) 热敏电阻：温度系数高、尺寸小、测温灵敏度高、响应快、成本低；但测温 范围不够宽、线性差、需要补偿电路。 3 ) 热电偶：易于测量、调节、放大、转换，测量方法简单、精度高、测温范围 宽，能够进行远距离测量，成本相对较低，无滞后；缺点是测量环境有一定的局限 性，测温精度达0 0 2 很难，需参照己知温度，检测随环境温度变化而需校正，有效 河北科技大学硕士学位论文 寿命短，输出信号小。 4 ) 铂电阻：精度高，互换性好，稳定性高，输出线形信号，测温范围广，体积 小、阻值高、响应卓越；缺点是灵敏度仅为热敏电阻的1 0 ，价格昂贵，为确保电 阻桥精度要求电阻精度高6 7 倍，生产难度大。 5 ) 红外温度传感器：可进行非接触式温度测量。可在室温下工作。灵敏度对波 长无选择；但较量子转换灵敏度低，在辐射吸收范围内易误读，辐射影响大，价格 曰直 c 口贝。 6 ) 量子温度传感器：非接触式测量、灵敏度高、响应快( g s 级) ；高温连续测 量必须用水冷却，需空气净化环境，灵敏度对波长有选择。 7 ) i c 温度传感器：精度高、线性好、易操作；价格昂贵，测温范围窄。 8 ) 晶体传感器：能以高分辨率、高精度、高准确度测量温度的微小变化，稳定 性极高，每月变化为o 0 0 7 ；能获得频率输出，使该类传感器适用于数字化程序， 通过地线传输实现无线测量，在长期工作时间内温漂很小；缺点是价格昂贵。 温度的测量按照测量方式不同可分为接触式和非接触式。传统的接触式测温方 式具有反应速度慢、测温时间长、干扰物体的温度场等缺点。非接触式测温是通过 测量表征被测温度的物理参数来求得被测温度的，它不存在热接触和热平衡带来的 缺点。目前在生物体温测量中接触式测温一般采用水银温度计和温度针形传感器( 一 般采用热敏电阻或铂电阻制成) 。湖北中医学院的研究者将温度针型传感器用于静 态下家兔穴位和经线上非穴位与相应对照点深部温度测定【6 。四川省中医研究院采用 热敏电阻温度计与计算机联机实时处理的方法，以耐痛闭定作施灸强度，对比观察 了着肤灸、隔姜灸、悬灸、聚光灸及氦氖激光灸对人体穴位皮肤温度，以及前四种 灸法对兔穴位皮肤、皮下与肌层温度的影响【7 】。非接触式测温主要采用红外测温技术， 红外热成像仪就是利用红外测温技术的一种测温仪器。医用红外热像技术已经成为 今天继c t 、磁共振、b 超等现代主流医学影像技术的又一新的突破，开辟了以功能 学为主的全新医学影像领域【8 】。在中医经穴研究中医用红外成像仪多用于经络显像。 福建中医药研究院和中国中医研究院针灸研究所等单位将红外热像仪用于经脉循行 线温度特性的研究【9 j0 1 。 温度计分辨率低一般只有o 2 ，且不能自动化测量。温度针形传感器精度高， 但需要将传感器刺入皮肤内，对皮肤的温度场有影响，并有响应速度慢等缺点1 2 】。 红外热成像仪的优点是成像范围内所有点的温度能够被同时记录【”】，且测温时不需 与被测物体接触，对人体体温没有干扰。但是红外热成像仪价钱昂贵，一般在二十 万以上，从而造成研究成本极高，并且对于具体穴位则存在定位困难的缺憾。因此 有必要研制一种廉价的红外测温仪，该仪器能够方便快捷地检测出针刺穴位后的穴 位温度变化。 第1 章绪论 1 2国内外研究现状 红外测温不仅可以测量温度很高的、有辐射性的、高纯度的物体，而且可以测 量导热性差的、小热容量的、微小的目标，运动的物体，以及固体、液体的表面温 度 1 4 1 5 。具有响应速度快、测量范围宽、灵敏度高【1 6 】、对被测温度场无干扰、热隋 性误差小等特点，并可用于显微测量和远距离测量当中。因此，红外测温技术得到 人们的广泛重视。经过几十年的发展红外测温技术已经取得了长足的进步，尤其近 2 0 年来，红外测温仪在技术上得到迅速发展，性能越来越完善，功能越来越强，品 种不断增多，被广泛应用在石油化工、电子电器、航空航天【17 1 、环境监测、医疗卫 生等各行各业当中【i s 1 9 。 现在市场上红外测温仪品种繁多，如西光i r t 1 2 0 0 d 型、i r t 3 0 6 0 d 型、 i r t 3 0 0 0 a 型、i r t - 4 0 0 g 型、h c w v a 型、d h s 2 0 0 型、w f h x 3 3 0 型( 光学瞄准， 测温距离可达3 0 m ) ，美国雷泰公司生产的s t 系列、m x 系列、m x 6 系列、3 i 系 列测温仪，德国h e i t r o n i c s 公司的k t l 9 系列、k t l 5 d 、k t l 2 系列等也有较广 泛的应用。目前，世界上最大的红外测温仪生产商是美国的f l u k e 公司，其产品包 括便携式、在线式和扫描式三大类数百多个品种，测温范围从5 0 6 0 0 0 不等，占有 了世界上3 0 以上的销售份额，我国红外测温仪的生产单位有西安北方光电有限公 司、中科院自动化所、西安沃尔仪器公司等，但不仅产品的种类较少，而且从精度 或读数的重复一致性方面均与国外有不小的差距。 相对于工业领域用红外测温仪，由于用于人体温度检测的红外测温仪有着特殊 要求，因此直到1 9 8 6 年t s h i n o z a k i 等才首次应用热电堆探测器制成了耳道式红外体 温计，用来测量人体鼓膜的温度。虽然热电堆所做的仪器在响应速度、精度等方面 都能达到较高的要求，但它有很大的局限性，如信号强度小，非线性，电损耗大， 仪器重，成本高。由于热释电探测器具有响应速度快、光谱响应宽、工作频率宽、 灵敏度与波长无关等优点。热释电红外测温仪是利用热释电效应工作的一种新型红 外测温仪。与传统测温仪相比，具有不需制冷、能在室温下工作和光谱相应宽等优 点，并且灵敏度高、响应速度快、抗干扰能力强【2 吡1 1 。1 9 8 9 年以来，热释电耳道式 测温仪已成功的用于体温测量，1 9 9 1 年以后该产品己遍及欧美市场。我国在这方面 的起步较晚。2 0 0 3 年，由中科院物理研究所王树铎教授研制的“非接触、口腔式红 外线电子体温仪”才获得专利授权，对耳温测量的研究也取得了一定的成果【 。但 是，由于被测对象的不同，这两种医用红外测温仪只适合对耳道内和口腔内体温进 行测量，不适用于对针刺穴位温差的监测。 1 3 课题的主要任务及工作 课题的主要任务就是研制一套低成本的、能够对人体穴位温度变化进行监测的 河北科技大学硕士学位论文 红外测温装置，并且使用该装置监测针刺人体合谷穴后温度变化，找到穴位受到针 刺后的温度变化规律。 1 ) 在对整个温差监测系统的原理和测温方案分析的基础上，对系统的软硬件设 计进行了协调优化，并进行了总体部分的设计。 2 ) 硬件部分：采用m s p 4 3 0 f 1 4 9 作为整个电路系统的核心芯片，完成了光学系 统、探测器前置放大电路单元、带通滤波单元、低通滤波单元、环境温度测量单元 等部分的电路设计。 3 ) 软件部分：完成信号采集、与计算机通信、环境温度检测的流程图设计和相 关部分软件的编写。并且完成计算机上位机管理软件的编写。 4 ) 实验部分：完成了针刺合谷穴后温度变化的数据采集，并根据统计学原理和 最d , - - 乘法曲线拟合方法找到了温差变化的规律。 4 第2 章热释电红外测温的原理 第2 章热释电红外测温的原理 2 1辐射测温的原理 温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量。热辐射投 射到物体上会产生吸收、反射和透射现象。能全部吸收辐射能的物体称为“黑体”； 能全部透射辐射能的物体称为“透明体”；能全部反射辐射能的物体，当呈现镜面 反射时称为“镜体”，呈现漫反射时称为“白体”。吸收能力越强的物体，反射能 力就越差。显然，黑体、透明体、镜体、白体都是理想物体。物体的红外辐射能量 的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体 自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温 所依据的客观基础【2 3 】。 黑体是一种理想化的辐射体，它吸收所有波长的辐射能量，没有能量的反射和 透过，其表面的发射率为1 。可以看出黑体只是一种理想化的模型，自然界中并没有 真正的黑体，但是在理论研究中为了弄清和获得红外辐射分布规律，必须选择合适 的模型，这就是普朗克提出的腔体辐射的量子化振子模型，从而导出了普朗克黑体 辐射的定律，即以波长表示的黑体光谱辐射度，这是一切红外辐射理论的出发点， 故称黑体辐射定律。具体的讲，可以概括为以下四个定律： 1 ) 黑体的光谱辐射出射度由普朗克公式确定，即 m z = c 】万5 ( e x p ( c 2 五丁”一1 - 1 ( 2 1 ) 2 ) 黑体辐射出射度由斯蒂芬一玻耳兹曼定律确定，即 m ，= i m ，d a = 0 7 4 ( 2 2 ) j 一 0 式中c ，= 3 7 4 1 8 x 1 0 - 1 6 w m2 ，称为第一出射度： c ，= 1 4 3 8 8 x 1 0 。2 聊k ，称为第二出射度； 盯= 5 6 6 9 7 x 1 0 w m 2 k 4 ，称为斯蒂芬一玻耳兹曼常数； 旯表示波长； 丁表示热力学温度。 由式( 2 - 2 ) 可以看出辐射出射度随温度的增加而迅速增大是很明显的这个增加 与绝对温度的四次方成正比。故相当小的温度变化，就会引起辐射出射度很大的变 化。 3 ) 兰波特定律 由于实际物体并非黑体，所以实际物体的辐射出射度( 即总的辐射功率) 还需 要在上式中乘上物体的辐射常数，即 河北科技大学硕十学位论文 m = 丁4 ( 2 - 3 ) 广1 式中s = ip 。m 。d 2l 刃4 ，它是光谱发射率的平均效果，称为辐射体的发射率。 l 0j 发射率是指被测量物体吸收、透过和发射红外波段能量的能力，其值为0 0 ( 极光滑 的镜面) 至1 0 ( 黑体) 。根据辐射源随波长变化的情况，辐射源可分为三类： ( 1 ) 黑体：s = 1 0 ； ( 2 ) 灰体：= 常数( 小于1 ) ； ( 3 ) 选择性辐射体：随波长而变。 在自然界中几乎所有物体的辐射都具有选择性。具有粗糙表面的固体的选择性 最小。它们可看作灰体，灰体的辐射也与黑体一样具有连续光谱，且其光谱曲线的 形状与黑体类似。在相同温度下灰体和黑体具有相同的峰值波长。影响发射率的因 素有： ( 1 ) 材料的类别。一般情况下，金属材料的发射率较低，而非金属材料的发射 率比较高。 c 2 ) 温度。一般情况下，金属材料的发射率随着温度的升高而逐渐增大；非金 属材料的发射率随着温度的升高而减小。 ( 3 ) 辐射波长。一般物体的发射率会随着波长的改变而变化。 ( 4 ) 物体表面的加工状况。光滑而清洁的表面发射率一般较低；粗糙的、有氧 化膜的表面发射率较高。 ( 5 ) 表面涂层。发射率是物体表面状态的函数，涂层不同，当射率不同。 ( 6 ) 涂层厚薄。 4 ) 维恩位移定律 黑体辐射光谱分布的峰值波长h ( 俗称峰值辐射波长) 随其绝对温度丁成反比 移动。 l t = 2 8 9 7 8 0 4 p r o k ( 2 - 4 ) 因此对于进入红外测温光学系统的光线，经过探测器的光电转换后，其电压 v = 以7 4( 2 5 ) 这里面的k 与探测器的灵敏度、光学系统中光谱的透过率等有关，由实验时确 定。 2 2 辐射测温的几种方法 依据测温的原理不同，在设计红外测温装置时可以采用三种方法来设计，即全 辐射测温法、单色测温法和比色测温法。 6 第2 章热秆电红外测温的原理 2 2 1 全辐射测温法 全辐射测温法是通过测量波长从零到无穷大的整个光谱范围内的辐射功率来确 定物体的辐射温度【2 4 】。辐射温度就是指当实际物体总的辐射功率( 包括所有的波长) 与绝对黑体总的辐射功率相等时，则黑体的温度就是实际物体的辐射温度。 目前尚无对全光谱波段辐射均匀响应的探测器，也没有能透过全光谱波段的窗 口或透镜的红外光学材料。因此，全辐射测温只是一个理想化的概念。实际使用的 全辐射测温仪只是对较宽波段范围的辐射进行测量，所接收的辐射能量为总辐射能 量的大部分。 根据斯蒂芬波耳兹曼定律式( 2 3 ) 可知，物体表面的辐射功率不仅取决于物体 的温度丁，还依赖于物体表面的发射率。由于不同物体的发射率差异很大，所以不 能只通过测量辐射功率来单一地决定物体的温度。 全辐射测温仪通常要通过黑体进行标定。在实际测量时，需要把辐射温度转换 成真实温度，可通过下式进行换算： 1 t = t p g 4 ( 2 - 6 ) 由它引起的真实温度误差为 2 5 】： 。 一a t ：一三竺 ( 2 7 ) 一= 一一x 一 z 一， t4s 式中 乃黑体的温度； 卜真实温度； 卜总发射率的误差。 2 2 2 单色测温法 单色测温法是通过测量目标发射的某一波长范围内的辐射功率来确定目标亮度 温度2 酗。所谓亮温是指温度为r 的辐射体，如它在某一波长范围内的辐射功率与温 度为的黑体在同一波长范围内的辐射功率相等，则定义为该辐射体的亮度温 度。 单色测温法的理论基础是普朗克定律，即 上一土：互1 n l( 2 8 ) = 一l t l lz 一 ， c t c 2 s ( 五，t ) 其中 ( 2 ，n 一实际物体温度为丁时，在波长五下的光谱发射率； 卜实际物体的真实温度； 正实际物体的亮度温度。 由此式可得出：实际物体的亮度温度永远小于它的真实温度，即正 7 5 输出信号 2 5 v ( 4 2 0 。k 黑体1 h z 调制频率0 3 - 3 o h z 带宽7 2 5 d b 增益) 噪声 2 0 0 m y ( m v p p 1 ( 2 5 ) 平衡度 2 0 工作电压2 2 1 5 v 工作电流8 5 - 2 4ua ( v t , = i o v r s = 4 7 k o 2 5 ) 源极 匕压 0 4 - 1 1 y ( v d = 1 0 v ，r s = 4 7 kq 2 5 ) t 作温度一2 0 一叶- 7 0 保存温度 - 3 5 一+ 8 0 3 3 2 斩波器电路设计 根据红外热释电探测器的工作原理，如果被测物体的为恒温物体，探测器没有 任何的电信号输出。只有输入的红外信号经过调制后才能使得探测器输出一个交变 的电信号。对红外信号的调制可以通过加斩波器的方法来解决：在光学系统的焦平 面附近加入一个斩波器，斩波器把接收到的光信号变成交替变化的光信号，再经过 热释电探测器后生成交变的电信号。本装置使用的斩波器如图3 3 所示。 图3 - 3 斩波器的形状 f i g 3 3s h a p e o fc h o p p e r 整个斩波器分成1 0 个透光区和1 0 个非透光区，当匀速做圆周运动时，每转动 一周，热释电探测器接收到的红外信号变化1 0 次，探测器输出1 0 个脉冲信号。在 透光区探测器接收的是被测物体的温度；在非透光区探测器测量的则是斩波器表面 河北科技大学硕士学位论文 的温度。所以探测器输出电压，应为被测物体与斩波器表面的温度差，当被测物体 的温度高于斩波器的温度时，输出为正值，反之则为负值。只有两者的温度相同时 输出才为零。由于本系统主要用于对人体皮肤表面温度的测量，因此在室温的条件 下探测器的输出应恒定为正值。 本系统采用步进电机对斩波器进行驱动。 3 3 2 1 步进电机的特点 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超 载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数。步 进电动机的转子为多级分布，定子上嵌有多相星行连接的控制绕组，由专门引线输 入电脉冲信号，每输入一个脉冲信号，步进电机的转子就前进一步。 步进电机具有以下优点： 1 ) 步距值不受各种干扰因素的影响，电压的大小、电流的数值和波形、温度的 变化，相对来说，都不会影响步距值。步进电机转子的转速主要取决于脉冲信号的 频率，而转子转动的总位移量取决于总的脉冲信号数。 2 ) 误差不长期积累 步进电机每走一步所转过的角度( 实际步距值) 与理论步距值之间总有一定的误 差。从某一步到任何一步，即走任意一定的步数以后，也总有一定的累积误差，但 是每转一圈的累积误差为零。所以说步距的误差不长期累积。 3 ) 控制性能好 步进电机的启动、停止、反转及其他任何行为的改变，都在少数脉冲内完成， 在一定的频率范围内运行时，任何运行方式都不会丢失一步。 步进电机由于其独特的优点，使得当它作为伺服电动机应用于控制系统时，往 往可使系统简化，工作可靠，而且可获得较高的控制精度。正因为如此，本系统采 用了步进电机来控制斩波器的转动，使光信号变成一个周期的脉冲信号传递给热释 电传感器。 3 3 2 2 步进电机驱动芯片的选择 步进电机驱动芯片采用美国i m s 公司专用芯片d m d 4 0 3 ，d m d 4 0 3 步进电机细 分驱动器，具有高性能、低价格的特点，适合驱动两相或四相混合式步进电机【3 9 4 0 1 。 特点如下： 双极恒流斩波方式，斩波频率2 0 k h z ； 光隔离信号输入； 输入电信号t t l 兼容； 自动半流功能； 电流设定方便，最大驱动电流3 5 a 相( 峰值) ； 1 6 第3 章系统硬件设计 细分数最高可达2 5 6 ； 具有双脉冲输入控制功能。 d m d 4 0 3 引脚图如图3 4 所示，引脚功能说明见表3 2 ： 图3 _ 4d m d 4 0 3 引脚图 f i g 3 - 4 d m d 4 0 3 sp i n s 表3 2d m d 4 0 3 引脚功能 t a b 3 - 2f u n c t i o no f d m d 4 0 3 sp i n s 引脚+ r 2 。信号功能 lp u l脉冲信号：此光隔输入端的每一个脉冲上升沿驱动电机一次步进，步进量取 决于细分数设置。 ， d i r方向信号：此光隔输入端用于改变电机的转向。实际转向还取决于电机绕组 - 的联接情况。 3 c o m光隔电源：+ 5 v d c 为各光隔输入端提供电流，也可用更高的电源电压，但 应采取限流措施使流过光隔的电流不超过15 m a 4 e n a 使能信号：此光隔输入端用于使能禁止驱动器的输 i = ；部分，低i u f 时i u 机相 电流被切断，转子处于自由状态( 即脱机) ；高电平( 开路时) 为使能状态。 但此输入端并不能屏蔽脉冲输入，因此，当重新使其为使能状态时，驱动输 出将根据禁止期间所接收的脉冲数发生改变。 5r s 丁 复位信号：此光隔输入端为低电平时使电机复位( 输出将被禁止) ；复位信 号撇消后，驱动器处于初始状态( a 相关，b 相开) 。 6n c悬字。 7 d c 直流电源地 8d c + 直流电源正极，电压范嗣+ 2 4 v + 4 0 v 9 、1 0a + 、a 电机a 相 1 l 、1 2b + 、b 1 u 秽ib 相 本驱动器采用八位拨码开关设定细分数、动态电流和静态电流。设置如图3 5 所示。 拨码开关的1 - 3 位用于设定电机运动时电流( 动态电流) ，第4 位用于设定静 1 7 河北科技大学硕士学位论文 动态电流 半流全；i ；【细分数 图3 - 5d m d 4 0 3 拨码开关 f i g 3 5 d m d 4 0 3 sd i a ls w i t c h 止时电流( 静态电流) 。步进电机的控制信号由n e 5 5 5 的控制器输出频率为1 0 0 h z 、 占空比为5 0 方波信号驱动步进电机，在1 3 2 微步距下，电机每次转动1 1 2 5 度角， 每转动3 2 步转动一周，根据斩波器的特点以及系统的要求，步进电机的控制频率设 为3 1 2 5 h z 。 3 3 2 3 矩形脉冲的产生 n e 5 5 5 是一种用于产生矩形波振荡信号的高稳定装置，是一种应用灵活方便的 集成芯片，在各类检测电路中得到广泛应用。n e 5 5 5 工作于多谐振荡状态的外部接 线图如图3 - 6 所示。 当工作于振荡状态时，其输出信号的频率和占空比由两只外接电阻尺l 、尺2 和一 只外接电容c 2 来决定。工作时，外接电容c 2 通过电阻尺。充电，通过尺2 放电。因此， 输出信号的频率可以通过二者的适当比值来精确调节。在这种工作方式中，电容的 1 充电值和放电值分别在去v c c 和专v c c 之间。电容的充电时间和放电时间及输出信号 oj 的周期与电源电压无关。 图3 - 6 脉冲形成电路 f i g 3 6 c i r c u i to ff o r m i n gp u l s e 1 8 第3 章系统硬件设计 充电时间( 输出高电平) 为： 放电时间( 输出低电平) 为： z i r ，c ，i n2 jj l = r ，c ，i n2 j -o ( 3 1 ) ( 3 2 ) 振荡信号的周期为： t tt + 疋= ( r 1 + 尺2 ) c 2l n2 ( 3 - 3 ) 占空比为： 口。土( 3 4 ) 1 尺1 + r 2 本课题需要一个1 0 0h z ，占空比为5 0 的方波信号。那么可选择定时电容c = o o l a f ，将t - - 0 0 1 s 代入式( 3 3 ) 中，可得r 1 = r 2 7 5 0 k o 。 3 3 2 4 步进电机的驱动电路 综上所述，实际的步进电机驱动电路如图3 7 所示。 图3 7 步进电机驱动电路 f i g 3 - 7d r i v i n gc i r c u i to fe l e c t r o m o t o r 3 3 3 放大和滤波电路设计 本系统的放大和滤波电路包括以下几个部分：前置放大器、带通滤波器、主放 大器。 被测物体的红外辐射经过斩波器调制后，被热释电探测器接收，接收到的信号 为交变的脉冲电信号。这种电信号是十分微弱的，通常只有几毫伏。对这种能量过 于微弱的电信号，既无法直接显示，一般也很难做进一步的分析处理。若要将信号 进行数字化的处理，则须把信号放大到数伏量级才能被一般的模数转换器所接受。 另外，由于信号中不可避免的包含有各种噪声，所以必须要对探测器检测到的 信号进行滤波，以使有用频率信号通过而同时抑制( 或大为衰减) 无用频率信号。 】9 河北科技大学硕士学位论文 3 3 3 1 前置放大器设计 红外信号经过调制盘输入到热释电探测器后，热释电传感器将其转变为交变的 电脉冲信号。由于热释电探测器本身接收到的红外辐射信号非常微小，必须经过放 大器放大后才能由单片机进行进一步的处理。本课题中采用前置放大器、带通滤波 器和主放大器三级放大形式。其中前置放大器的设计特别重要，这是由于前置放大 器是引入噪声的主要部件之一，它产生的噪声会被后续的各级放大器进一步放大， 所以前置放大器中有源器件的选择是非常重要的。 由于热释电探测器本身输出的电信号十分微弱，基本在微伏或纳微伏数量级， 因此前置放大器必须是高增益和低噪声的。高增益是用来把微弱信号放大到一定电 平，以便进一步再做处理；低噪声是为了保持尽可能高的信噪比。采用仪用放大器 可以达到要求。仪用放大器具有非常高的共模抑制比，因此可以较好的抑制噪声。 由于仪用放大器是靠匹配和牺牲放大倍数来获得高共模抑制比，因此前置放大 器的放大倍数不可能很高，所以本系统把信号的放大电路分为前置放大电路和主放 大电路进行处理，前置放大器的噪声系数对整个检测系统的噪声具有决定性作用， 本系统所设计的前置放大部分采用低失调精密运算放大芯片a d 7 0 7 ，其功能参数如 表3 3 所剩4 1 1 。本系统的前置放大器的电路图3 8 如下： 表3 3a d 7 0 7 的功能参数 t a b 3 3f u n c t i o np a r a m e t e ro fa d 6 2 0 参数参数值参数参数值 偏移电压 1 2 0 d b 失调电乐 0 1 “v 转换速率 0 3 v 岸s 输入偏置电流 1 3 0 d b 图3 8 前置放大器电路图 f i g 3 8p r e - a m p l i f i e rc i r c u i td i a g r a m 第3 章系统硬件设计 图中电容c 3 用于滤除信号中的直流信号，电路的增益为1 1 。 3 3 3 2 带通滤波器设计 n e 5 5 5 定时器产生频率为1 0 0h z 的时钟信号，而时钟信号的每一个上跳沿都会 驱动步进电机顺时针旋转1 1 2 5 。每3 2 个时钟脉冲就会使步进电机旋转一周。根据 斩波器的形状特点，步进电机每旋转一周，都会使热释电探测器接收到的红外信号 变化1 0 次。因此可以计算出来红外测温仪的工作频率为3 2h z ，带宽约为1 0 h z 。 电路中采用美国a d 公司的a d 6 2 0 仪用放大器。使其最大工作电流为1 3 m a ， 输入失调电压为5 v ，输入失调漂移最大为1 v ，共模抑制比9 3 d b ，增益范围可 调，且调节方便，噪声低。a d 6 2 0 主要技术指标见表3 4 。 表3 - 4a d 6 2 0 的功能参数 t a b 3 - 4f u n c t i o np a r a m e t e ro fa d 6 2 0 参数参数值参数参数值 带宽 8 0 0 m h z 静态功耗 0 4 8 m w 输出功率2 4 m w 输入失调电压= 6 0 u v 功率增益 1 2 叫b 工作温度范围 5 5 + 1 2 5 转换速率1 2 v m s封装形式 d i p 8 最大工作电压 1 8 v 带通滤波器电路设计如图3 - 9 所示。 r 1 2 图3 9 带通滤波电路 f i g 3 - 9b a n d p a s sf i l t e rc i r c u i td i a g r a m 由下列公式可计算出滤波器的中心频率和带宽。 b ；土f 土+ 三+ 型1 c 3 2i 尺1 1r 4r 1 ：j 2 1 ( 3 5 ) 河北科技大学硕士学位论文 厶i 去 去( 去+ 去矿 l l ，：1 + 堕 r 1 0 ( 3 6 ) ( 3 7 ) 么。兰l 一( 3 8 ) r 1 2 c b 式中b 滤波器的带宽； 卜滤波器的中心频率； 么滤波器的增益。 3 3 3 3 主放大器电路设计 图3 1 0 为主放大器电路图，电路中r l l 是阻值为1 0 0 k 的可调电位器，用来对 放大电路的增益进行调节。 3 3 4 整形电路设计 图3 1 0 主放大器电路 f i g 3 1 0 m a i na m p l i f i e rc i r c u i td i a g r a m 热释电探测器输出的电信号是正负交变的近似方波的脉冲信号。此信号经过放 大和滤波，变成了近似于正弦波的交流信号。为了便于后续电路的处理，还需要将 此信号进行整形。整形电路采用一个锗二极管形成整流电路，经过整形后的信号就 成为单向的脉冲信号。电路如图3 1 1 所示。 3 4 环境温度检测电路设计 热释电探测器测量的受周围环境影响较大，需要进行温度补偿，所以设计了斩 环境温度检测电路。 本系统采用集成温度传感器d s l 8 8 2 0 进行环境温度的测量。 第3 章系统硬件设计 图3 - 11