非接触式红外体温测量方案解析

一、原理

讲之前先说个有意思的事儿，网络上有些人对额温枪是否有辐射，是否对人体产生危害提出了质疑。我可以很认真的对他说：有辐射，但是你在辐射，它只是吸收你辐射的能量而已。

各种形式的物质只要温度高于绝对零度（-273.15°C），都会发射红外辐射，称为特征辐射。辐射的原因在于内部分子的机械运动。这种运动的强度取决于物体的温度。由于分子运动代表电荷位移，这种辐射是电磁辐射（光子粒子）。这些光子以光速运动，且运行规律符合已知的光学原理。它们可以被偏转，用透镜聚焦或被反射表面反射。这种辐射的光谱范围可以从0.7um 到1000μm。因此，这种辐射通常用肉眼看不到。

图1

图2

Stephen 和 Boltzmann 于 1879 年发现，一个黑体表面单位面积在单位时间内辐射出的总功率（称为物体的辐射度或能量通量密度）与黑体本身的热力学温度T （又称绝对温度）的四次方成正比。这称为Stephen-Boltzmann law。Wien在1893年又进一步揭示了黑体热辐射规律，即黑体辐射公式和Wien’s displacement Law（因此获得了诺贝尔奖）: 随着温度的升高，物体的辐射量最大值将向短波方向移动。从图3中可以看出，随着目标温度的升高，最大辐射量逐渐向波段较短的区域移动，从辐射能量随辐射光波长的关系看，光谱中人眼不可见部分所包含的能量最高是可见部分的100000 倍。这正是红外测量技术的理论依据。

图3

理论上利用黑体辐射原理测量温度时，尽可能在最宽的波长范围内设置红外温度计，以获取最多的能量（对应于曲线下方的区域）或者目标发出的信号。然而，在某些情况下，这种做法并不总是有效的。例如在图3中，当温度比较高时，辐射强度在 2 µm 处增加量远远高于在 10 µm 处的，这样在2um处每单位温差下的辐射差异越大，红外温度计的测量精度便越高。同样，在低温环境下，在 2 µm 处工作的红外温度计将在温度低于 600°C 时由于辐射能量太少而几乎看不到任何东西，从而停止工作。

实际中被测物体与黑体模型也有出入。黑体是理想模型，没有透射，发射率等于1。灰体的辐射发射率小于1。而非灰体的发射率不仅小于1，而且在不同的波长发射率也会变化。

基于以上分析，用于测量人体温度范围的传感器一般波长范围在5um-15um左右。

使用的传感器则利用了热电效应（Seeback)制作的热电堆（热电偶），即，使用两种不同的半导体或金属导体连接起来，两种材料处于有温度差的情况时，会产生电势差。红外热电偶就是把被测物辐射的能量照射到这个热电偶的热端，通过NTC测出热电偶的冷端温度，再根据Stephen-Boltzmann law来得到被测物的实际温度。

二、硬件框图

图4

1.图4上部的电路是使用MCU内部ADC，这时需要使用低温漂，低失调电压，低偏置电流的运放来调理传感器信号。推荐使用AD8538, AD8539, ADA4051, AD4528, AD8638, AD8628, AD8571, AD8551, AD8552, LTC2063, LTC2066等；参考源要使用低温飘的ADR3530, ADR4530.
2.图4下部是使用集成度比较高的AFE，AD7191有两个ADC通道，内部集成了PGA，24bit高精度ADC，还有精密电流源方便与NTC电阻接口。参考源推荐ADR3530，ADR4530. 还可以选择AD7124-4，其内部集成了10ppm/C的参考源。

三、计算

Vout = K e (Tobj^4 - Ts^4) + Voffset 公式1

1.Voffset是当被测目标与环境温度相同时，热电堆输出的电压（实际上还有ADC及其前方的运算放大器产生的失调电压误差）。这个值可以如下方法测得：

a. 将整个电路置于环境中足够长时间，传感器内部热电堆与环境温度达到热平衡。这时单片机采样的ADC数值就是Voffset。
b. 如果选用的热电堆传感器批次的电压温度传递函数一致性很好，可以认为这一批的Voffset都一样；如果一致性比较差，那么生产时要对每一个产品进行此测试，求出正确的Voffset。

2. K是常数，e是被测目标表面的辐射发射率(人体额头表面可以认为是灰体，e<1，具体要根据实际测量经验确定)，实际操作中，可以把K*e当作一个常数对待。就相当于增益G。可以使用如下步骤测得：

a. 已知环境温度Ts，测温枪放到环境中足够长时间，传感器和环境达到热平衡

b. 测试已知温度的目标（图6黑体就可以干这个事），已知Tobj，读取ADC的电压Vout；

c. 根据上述1，2步得到的Voffset，Ts，Tobj和Vout可以算出K*e，即增益G。

3.通过以上几步，我们已经知道了被测目标温度Tobj与传感器输出电压Vout的关系，即：

Tobj = (Vout/G+Ts^4)^(1/4) 公式2

实际使用时，MCU通过读取Vout和Ts，就可以反算出Tobj了。Ts的计算如下：

Ts是传感器内部热电堆冷端温度，可以用传感器内部的NTC电阻大小来测量。可以使用传感器厂家给的数据线性拟合，或者把这些数据放到单片机内，通过查找表插值等方法计算出来；

图5

4. 需要注意的是以上公式中，各个参数的单位换算。

a. Tobj，Ts温度单位是热力学温度，也即开氏温度。它与我们常用的摄氏温度换算关系是：

T（K）=273.15+t(℃)， 公式3

b. Vout，Voffset单位很灵活，但要注意必须统一使用一样的单位。我们可以把ADC的读数直接用。

5.最后，我们采用的公式1的模型如果达不到温度精度，还需要通过实验来拟合出比较合适的模型。