非接触人体表面温度测量方法的研究

发布时间：2016-12-01 15:09

  本文关键词：非接触人体表面温度测量方法的研究，由笔耕文化传播整理发布。

非接触人体表面温度测量方法的研究 投稿：姚俢俣

 

 

天津大学 硕士学位论文 非接触人体表面温度测量方法的研究 姓名:李松林 申请学位级别:硕士 专业:测试计量技术及仪器 指导教师:徐可欣 20050101中文摘要人在健康状态时,体温一般是比较恒定的,但是当人体内的某些机能发生改 变或某些部位发生病变…

入团申请书1000字精选敬爱的团组织：共青团是中国共产党所领导的先进青年的群众组织，共青团坚决拥护中国共产党的纲领，以马克思列宁主义、毛泽东思想、邓小平理论和“三个代表”重要思想为行动指南，深入贯彻落实科学发展观，解放思想，实事求是，与时俱进，团结全…

孩子这些事不能靠老师 需父母的家庭教育1、写字和握笔姿势如果你经历孩子成长的整个过程，你会感悟到，孩子写一手帅气的钢笔字，是非常有价值的技能。把字写好，，是每一个家长的责任。如果你还年轻，不知道怎么教育孩子，那就从这一点开始吧。请您记住，一个班里那么多…

 

天津大学 硕士学位论文 非接触人体表面温度测量方法的研究 姓名:李松林 申请学位级别:硕士 专业:测试计量技术及仪器 指导教师:徐可欣 20050101

中文摘要
人在健康状态时,体温一般是比较恒定的,但是当人体内的某些机能发生改 变或某些部位发生病变时,恒定的体温将产生变化,如非典型肺炎的首要症状就 是发烧.在ches
Oil

the methods of rapid skin temperature measurement will be performed.

These researches will be useful to develop the instruments of rapid skin temperature

measurement.
The main contents ofthis dissertation include: 1.Some researches have been
on

done

on

the methods

of non-contact

skin

temperature measurement based

the study of the theory of infrared temperature

measurement.The theoretic model of'measurement while moving'was constructed,
and the
sources

ofthe

errors

when using such

a

method were also analyzed. studied,

2.The difference of forehead temperature

and under-arm temperature Was analyzed.

and the effect to separate the high—fever person was 3.Based
on

the study of actual system of the skin temperature measurement,the

experimental facility Was constructed by using high

performance infrared temperature

instrument and flexible software.And the design ofthe blackbody has been achieved, which included the

design

of the form,the circuit

and

the program based

on

single

chip computer.The accuracy ofthe tO±0 1℃/8 hours. 4.Based the
on

temperature

control ability ofthe black body is up

the experiment research of non-contact skin temperature measurement, of rapid skin temperature measurement using
the

feasibility

method

of

'measurement while moving'Was proved.The evaluation of the system

in the

application of forehead temperature mearument and the opinions to eliminate the
errors

were given

KEY

WORDS:

Non—contact,Infrared

Temperature

Measurement,Skin

Temperature,Blackbody,SARS

独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表

或撰写过的研究成果,也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或证
书而使用过的材料.与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意.

学位论文作者签名:夕;争松奉禾签字目期:沙寸年,月A日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解墨注盘茔有关保留,使用学位论文的规定. 特授权墨盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检
索,并采用影印,缩印或扫描等复制手段保存,汇编以供查阅和借阅.同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘. (保密的学位论文在解密后适用本授权说明)

学位论文作者始苍别木
签字日期:沙旷年 ,月如日

导师签名:饴叮疋

签字日期:冲

,月加日

天律大学硕士学何论文

第一章绪论

第一章绪论

1.1研究的目的及意义
人和高等动物都有一定的体温.体温的产生是机体不断地进行新陈代谢的结 果:同时体温又是机体功能活动正常进行的重要条件.入能够在环境温度不同的
情况下,通过对体内产热和散热过程
的调节来保持体内环境温度的相对稳定,并

提高对环境温度变化的适应能力.在健康状态时,如饮食正常,农着适宜,人体 的体温一般是比较恒定的,即保持在37℃上下(大致介于36.2.C～37
3℃),而不

因外界环境温度的改变而变化.但是当人体内的某些机能发生改变或某些部位发 生病变时,恒定的体温将产生变化:在临床医学中.体温是一个重要的生理参数. 病人的体温为医生提供了生理状态的重要信思易因为消毒不彻底而引起交叉感染.

1.2.2非接触式体温测量仪
非接触式体温测量仪是利用红外辐射测温的原理实现温度测量的.非接触测 温仪的优点是不需与被测对象接触,因此在测量体温时不会造成交叉感染;而且 它的测量速度快,通常测量时间小于1秒.不同形式的红外体温测量仪又具有不 同的特点. (1)红外耳温计.'式自动扫描红外体温检 测仪,它主要通过测温探头的转动完成对额头温度的测量;由沈阳科仪公司等研 制的KHC—DGl型快速红外测温仪,它的探头采用固定的方式,在被测人行进的 过程中捕捉其额头温度信息.不论哪种方式,仪表所测的都是皮肤表面温度,与 体内温度存在一定差距,而且在公共场所中应用时,不可避免要受环境因素的影 响,因此这类仪器只能用于非常时期的体温的初步测量.

1.3本论文的主要工作

红外辐射测温法具有快速,非接触等优点,利用人体的红外辐射能量,选择 合理的非接触体温测量方式,可以替代传统的人体温度测量方法.2003年初, 当非典型性肺炎在我国蔓延的时候,红外非接触体温测量仪成为主要的体温监测 设备,在机场,码头,车站等人口流动的公共场所起到了积极的疾病防御作用. 本论文主要围绕着非接触体表温度的测量方法进行了一系列的研究,论文的工作 主要集中在以下几介方面: (1)在深入研究了红外非接触测温理论基础之上,对现有的各种非接触体温测 量方法进行了研究和比较;

(2)建立了专门针对原子的 振动均随温度升高而加剧.物体受热使物体内的原子或分子从受热中获得能量, 从低能态跃迁到高能态;在到达高能态的过程中发出的多种频率的辐射,这类辐 射称之为射, 用数学表达式可表达为:

,d(D

M:塑
出

其单位为瓦/米2(W//方向无关,是一个常数,用数学表达式可表示为:

_dO:LdACOS0(2-5)
d缈

式中

口——观察方向与面元法向的夹角: 三——比例系数,与0无关.
遵从朗伯余弦定律的辐射源,称为漫辐射源或朗伯体.黑体就是理想的漫辐

射源.绝大多数的绝缘材料,相对表面法线方向的观察角口在60.以内都可以近 似地看作是朗伯体. 朗伯体的辐射亮度三与辐射出射度M之间有如下关系:

三:丝

(2,6)

.8.

天津大学硕士学位论文

第二章非接触测温的相关知'龊

2.3黑体辐射定律
绝对黑体在物理学和辐射测温学中部是一个重要的概念.绝对黑体的辐射称 为黑体辐射.一个密闭空腔中的辐射就是黑体辐射.实际上,自然界中并不存在 这样一种物体,其辐射特性与黑体完全相符,它实际上只是一个理想的物理模型, 具有以下特性: (1)能够在任何温度下全部吸收所有波长辐射能量,而且与入射波长和方向无 关; (2)在任何温度下,每单位面积都能发出最大的辐射通量: (3)其发射与方向无关,即为一个漫射体. 下面就辐射测温的需要来讨论黑体辐射理论中的基本定律,主要包括普朗克 定律,维恩位移定律和斯蒂芬一玻耳兹曼定律.

2.3.1普朗克定律
黑体的光谱稆射出射厦是坡长和黑体温厦的函数,即:

‰n
式中:

2葡筹杀

(2.7)

c1——第一辐射常数,c1=2赢2=3.7415×10埘(W.m2);

c2——第二辐射常数,c22等=1.4388×10{(m'世).
其中:

K——玻耳兹曼常数; h——普朗直常数: c一一电磁波在真空中的传播

速度. 图2.2表示了不同温度下黑体辐射 的频谱分布,从图中可以看出:黑体总 的辐射能量随温度的增高而增加:单色 辐射出度随温度的升高而升高;对于某 一温度,单色辐射通量在波长五.下有 最大值;随着温度的升高,极大值对应 的波长丑.向短波方向移动.
^抽擗

量

透
S
i

图2-2黑体辐射曲线

当2T乘积较小时,即e一4身的辐射出

射度为o-r,4,而吸收的部分则为吗4,因此物体净的辐射出射度为:
Mo=盯(正4一瓦4)
(2.11)

上式表明除非正>>疋,否则处于室温条件下的物体的辐射是不能忽略不计 的.忽略辐射物体对周围物体辐射的能量的吸收将会导致相当大的误差.

2.4非黑体辐射
如前所述,自然界中并不存在绝对黑体,因此实际测温对象也都不是绝对黑 体.黑体辐射定律都是仅对于黑体才成立的,要把黑体辐射定律直接用于实际测 温就会出现困难,所以很有必要研究非黑体辐射.

2.4.1非黑体
发射率或光谱发射率是一个小于1的正数.如果实际物体的光谱发射率是～ 个与波长无关的常数,那么这种物体称为量,但是在 我国不论是家庭还是医院都主要使用水银体温计进行体温测量.2003年初,当 非典型性肺炎在我国蔓延的时候,红外非接触式测量体温的方法才被广泛采用. 本章将对非接触体温测量方法和误差来源进行深入的研究,给出在人流较大的公 共场所进行体温测量的方案.

3.1红外非接触体温测量的特点
,耳温计的生产厂商会提供～个 修正值,并要求用户在使用耳温计测量时尽量将耳道拉直,以符合他们在制订这 个修正值时的条件. 将使用耳温计测量划分到非接触测量的主要原因是它测的测量目标为鼓膜, 在测量时与鼓膜不接触;但是实际上在使用耳温计测量时,不可避免的要与耳道 接触.因此多数耳温计都配有一次性使用的探头盖道的过程中将其额头温度测出来,则不仅可以节约人力 资源,而且能够通过缩短操作步骤而节约时间,提高测温仪的测量效率.这就是 人体表面快速筛检方法的基本思想. 基于这种基本思想,产生了两种不同的筛检方法:站立时测量法和行进中测 量法.站立时测量法要求人在规定的位置站立一段时间(通常为几秒),然后由

测温仪通过测温探头的摆动或热像的识别给出被测人的体表温度;行进中测量法
则要求被测人沿着特定的路线行走,在其行进过程中由测温仪捕捉到其体表温度 信息.显然,行进中测量法比站立时测量法有着更高的效率.

天津大学硕士学位论文

第三章非接触体温测量方法及误差研究

3.4行进中测量法

3.4.1概述
行进中测量法的示意图如图3—4所示.可见为了测量身高不同的人在行进过 程中额头的温度,需要使红外测温探头与铅垂面成一个锐角,否则不可能接收到 不同身高人的额头红外辐射信息;另外由于探头视场的原因,又要求被测人必须 按照规定的路线行走.

3.4.2误差源分析
应用行进中测量法进行体温测量时,除了需要考虑来自于外界环境,皮肤表 面状态及体表与体内温度差别等影响所有非接触体表温度测量法共有的误差因 素外,还要考虑行走速度,方向等因素所引入的测量误差. (1)环境因素 对于环境因素的考虑有两个方面的内容:一是环境温度对测温仪的影响大,一般不会影响到对 异常体温者的排查. (3)额头温度与体内温度差别 额头经常裸露在外,因此额头温度不仅受到环境温度,湿度,气流等外界因 素的影响,还与体表下血液循环和导热状况以及表面换热条件等人体自身因素有 关.但是在环境温度等外界条件适宜的情况下,额头温度与体内温度是有一定的 相对关系的,那就是体内温度越高,相对应的体表温度越高,尽管二者的差值会

因人而异.但是只要这个差值不影响对体温异常者的排查,那么由它产生的误差
就是可以接受的. (4)测量方法本身可能引入的误差 由于是在行进过程中对额头温度进行测量,而红外仪器本身进行测量时又具 有一定的响应时间,因此人的行进速度对温度测量必然会产生一定影响,当速度 大到超过某个限度的时候必然引入测量误差.另外受到测温仪视场的限制,人的 行进方向也将成为误差来源之一.

3.4.3行进速度与误差关系的理论模型
为了研究测量过程中行进速度与产生误差的关系,我们首先建立了一个行进 速度与产生误差的关系的理论模型,推导了使用特定的测温仪器采用直径: 测温探头的摆放角度;

d‖口

●●

-●

光斑照射时由两条边界线形成的角度; 人的移动距离;

:

●●

人移动缸时,光斑的移动距离;
●_

口缸幽她

人移动缸时,测量距离的变化.

天津大学硕士学位论文

第三章非接触体温测量方法及误差研究

3.4.3.3理论推导 设人额头的有效测量直径为D,人的行走速度为v,测温探头的距离系数为 k,响应时间为,.从理论上来讲,若人的行走速度对温度测量不产生影响,则 要求在红外测温仪的响应时间T内,光斑的移动距离Ah要在额头的有效测量直 径D内. 首先确定目的最大值靠..如果o>om.,即使人静止,光斑的范围也超出额

头的范围,无法正确测得人的额头温度.当疗取得最大值时,对身高为h的人产
生的光斑直径刚好为D,这是求得om.的临界条件. 由于a很小,所以
d≈d'sin0 (3-3)

由三角关系式得

Lcos0:H一(^一昙).日一h(3-4)
由式3—2,3—3,3-4得到:

臼=——之卫
万一.ill-1罡丝二鹄
可见,对于确定的H,h和k,当d'达到最大值时臼可以达到最大值,即

(3_5)

万一.in-1吕丝二当 ‰=———三_妊(2(H～^)<七.D)
在探头响应时间T内,人的位移血与行进速度v的关系为:
△x=v·T

(3.6)

(3-7) (3_8)
Ah

在位移Ax内,可近似认为光斑直径d没有变化,因此tanO.坐
由式3—7,3.8得:

V=～
r

Ah.tan0

(3-9)

可见若口一定,当Ah取t,….一Ak时,速度v可以取得最大值.
△‰.与D的关系可以表示为:

幽..=D—d.
综合式3-2,3-3,3-5,3-9和3.10可得:

(3—10)

天津大学硕士学位论文

第三章非接触体温测量方法及误差研究

—且掣.tan0(臼<‰)
D一

丝二垒
71

可以看出,采用行进中测量方法对人的行走方向 是有一定限制的.如果人行走的方向偏离了士学位论文

第三章非接触体温测量方法及误差研究

表3-2一个人在不同时间腋下温度与额头温度的对比数据 l腋下温度(℃) 额头温度(℃) 二者温差(℃)
36.1 34.2 1.9 36.0 34.5 1.5 36.3 34.6
1 7

35.9 33.5 2.4

36.1 34.9 1.2

36'3 34 6 1.7

36.5 34.7 l 8

36.2 34.8 1.4

36.O 34.5 1.5

36.5 35 1.5

从两张表的数据可以看出,人的额头温度与腋下温度的差值确实存在很大的 差别,很难通过一个人的额头温度确定其腋下温度或体内温度.但是可以看出即 使是对不同的人,在适宜的外界环境下,两者的差值也不会相差的太远. 图3.5为表3-1和表3-2中所有额头温度 与腋下温度之差的统计结果.从图中可以看 出,对于体温正常(36.5℃左右)的人,在适 宜的外界环境下,其腋下温度与额头温度的 差值一般在2.5℃以内,随个体差异有所不同,

可能出现个别高于这个差值的个体.

图3-5额头与腋下温度之差的统计

图3—6所示为在外界环境适宜的条件下,腋下温度和额头与腋下温度温差的 关系,其中额头温度与腋下温度的差值为一个统计值,是同条件下对不同的人的腋下温度与额头温度的比较,可以分析出即 使这两种温度存在一定差别,但是在适宜的外界环境条件下,也可以基本将那些 高烧者排查出来,达到黑体炉(1500.C以上). 根据黑体腔体几何形状的不同,可分为:(1)圆筒型:(2)圆锥～圆筒型; (3)内凸圆锥一圆筒型;(4)双锥型:(5)带盖锥型;(6)球形.其示意图如 图4-1所示.

一l二::::二:≤:::::::.—芝::二:j
(2) (3)

≤三'≤詈'e
(4) (5) (6)

图4一l各种典型黑体空腔

根据黑体炉的精度可分为:定点黑体炉,比较黑体炉和标准黑体炉.其中定 点黑体炉只能在特定温度下实现黑体辐射,由于重复性好,可用作高精度的辐射 标准.而标准黑体炉和比较黑体炉的精度低于定点黑体炉.所谓比较黑体法,就

是用标准辐射温度计测量黑体空腔的温度,将其示值作为黑体温度的校正方法;
标准黑体法就是用铂电阻温度计或热电偶温度计测量黑体空腔温度,把这个示值 作为黑体温度的校正方法.

4.1.3黑体炉腔壁的选择要求
设计黑体炉时,除了要考虑空腔的形状,尺寸外,还要考虑空腔壁材料的选 择,主要有以下三方面的要求: (1)要有良好的导热率,以减小腔壁的温度梯度: (2)在黑体炉使用的温度范围内,要有高的抗氧化性能或者表面的氧化层不易 脱落; (3)材料本身的发射率要大.

4.1.4黑体炉的温度控制要求
对于黑体来说,精确的温度控制和测量是十分重要的.根据斯蒂芬一玻尔兹 曼定律,如果腔体工作温度为r,当温度有微小的变化d丁时,引出的辐射出射 度的变化为:

天津大学硕士学位论文

第四章实验用黑体系统的设计及性能评价

…一
dM 肘
.dT
丁

由此可见,腔体温度的变化对于其辐射出射度的变化是至关重要的.

4.1.5等效辐射
如图4—2所示,设n…b为辐射源,其 辐射经过小孔光阑cd而达到探测器曲 上,如果探测器曲能吸收所有落到它上 面的辐射,则由图可见,辐射源中只有 .…b这部分的辐射能量能够达到探测器 a6上,辐射源a…b以外的部分不能达到 探测器上.即,就入射到探测器的能量 来说,它和辐射源位于cd处,并有cd的 面积是等效的.

～三
(4.1)

4.1.6发射率计算
在计算实际黑体发射律的时候,有很多方法,包括哥福理论,贝克莱一斯帕 罗理论,德沃斯.奎恩方法以及蒙特卡洛方法等.文

第四章实验用黑体系统的设计及性能评价

4.2实验用黑体结构设计
黑体外形如图4.3所示,主要包括金属腔体,加热片,保温层,光阑扳及温 度传感器几部分.

4.2.1腔体结构及表面处理
用金属铝加工成圆筒型腔,筒长为90ram(,),直径为60mm(2.,),壁厚 为20mm,其内壁上均匀喷涂黑色哑光漆.这样设计主要出于以下几点考虑: (1)铝的比重要比铜和铁小,所以在相同的体积下,由铝制作的腔体质量小, 利于后期实验的进行,且铝的导热性能也比较好; (2)黑色哑光漆具有较高的发射率可以 达到O.95以上,并且在黑体使用的温度 范围内不会脱落: (3)在相等的腔长和相同的材料表面发 射率的条件下,锥形腔的发射率最小, 球形腔的发射率最大,而圆筒型比球形 腔要稍小,但采用圆筒型腔体一方面可
腔律2.加热片3.保温层4光嘲板5.传感器

以简化设计,提高加工精度,另一方面 也易于达到较高的温度控制的精度.
图4-3腔体外形结构图

4.2.2加热器选择
加热部分采用电阻丝,其功率选定为50W.将电阻丝按黑体的外形结构加工 成一个加热片,包在黑体的外表面上.这样做不仅有利于对黑体实现均匀加热, 而且还起到～定的保温作用,从而简化了保温层的设计.另外,为了更好地对黑 体各部分进行均匀加热,制作加热片时考虑缠绕在黑体两侧部位的电阻丝要稍微 密于中间部位的,这样可阻保证黑体边缘和外界接触的部分得到更多的热量.

4.2.3保温层选择
在加热片的外部及黑体底部固定厚约lOram的海绵作为保温层.由于此黑体 的最高工作温度仅为45aIlf～301
,90
厅
7

1'o珈'95x卜刁蒜'
州争z
石·l—J一十石.oU-yU 4.3黑体温度采集及控制系统
4.3.1电源

石.(嬖)z协60.90

=0.989

该部分主要以Microchip公司的PICl6F877北京青
云公司的LCMl2864C液晶显示器.这是一个128×64点阵的并行接口的液晶显 示器,需要20根信号线与单片机相连,包括8位并行数据线,一些读写控制线 和电源及地线等.

4.4系统程序设计 4.4.1软件需求分析
根据黑体的特点和使用要求,在单片机采集控制系统程序设计中应考虑以下 几方面内容: (1)系统初始化

其中包括:①各I/O端口初始化,②定时器初始化,⑨串口通讯参数及相
关寄存器初始化, (2)数据采集 通过通用I/O口对读取数字温度传感器DSl8820的温度转换结果.在系统 ④液晶初始化, ⑤其它一些辅助寄存器初始化;

中设置了两个温度传感器:一个用于判断黑体温度,基于此温度给出用来
功率控制信息;另一个放置于不同地方,用于判断黑体温度分布的效果; (3)数据处理 首先将传感器的输出转化为可辨识的数字结果,再比较单片机读入的温度 结果与人为设定温度的差异,通过P1D算法给出输出功率的控制量; (4)功率输出控制 数据处理的结果以PWM的方式输出,通过控制功率放大器件导通与截止 的时间比例改变输出功率,实现对黑体进行加热的功能; (5)串口通讯 采取主动发送方式,定期向上位机发送温度及一些控制信息,以供上位机 进行存储及分析; (6)人机接口 包括显示部分和键盘部分两部分:按键部分用于实现设置温度设定值及系 统复位等功能:显示部分是一个点阵式液晶显示器,用于显示温度的设定 值和两路传感器温度输出.

天津大学硕士学位论文

第四章实验用黑体系统的设计及牲能评价

4.4.2实现
4.4.2.1 PIC

C的应用…时接收来自定时器产生的1秒中断和用户键

盘中断.其中1秒中断完成温度的定时采集,处理与显示,在整个程序设计中起
着重要作用,流程图如图4-6所示.进入lS中断后,首先对计数器及一些辅助 寄存器进行重新赋值;然后启动DSl8820进行温度转换并读取当前两路温度数 据,再将其转换为容易处理的十进制数据形式;接下来判断时间是否又经过了9 秒,如果为评价

天津大学硕士学位论文

第五章实验研究及结果分析

第五章实验研究及结果分析

本章将在前面章节理论分析的指导下,通过一系列的实验研究,包括利用黑 体模拟人体的实验和对额头温度进行实际测量的实验,提出利用, 就能够完全模拟门式体表温度遥测系统.
1.测温探头2.三角架3传送带4.黑体

图5-3实验平台示意图

5.1.4实验软件设计
由于MX4+型红外测温枪可以通过RS232接口很方便地和计算机进行通讯, 实时传送温度等信息,因此温度数据的处理(读取,显示,分析及存储等)可以

方便地通过软件来完成;另外在实测额头温度信号时,也是通过软件对人在规定

天津大学硕士学位论文

第五章实验研究及结果分析

路程中行走的时间进行测量,从而计算出人行走速度. 这部分程序是通过Labview软件编写完成的.主要完成如下功能: (1)数据读取及有用信号提取 MX4+将温度,时间及报警等信息以规定的格式并采用ASCII码的数据形式 通过串口发送出来,根据由MX4+定义的通讯协议编写程序进行数据的读取及温 度信息的提取.对采集的一组温度信息进行初步分析,将它们转化为温度数值, 求出这组数值的极值. (2)数据显示及存储 将采集到的数据进行数字及图形显示,以明确当时实验进行的状态;并将所 有采集到的数据和一些与实验有关的信息(如当前环境温度,被测物实际温度, 人的身高,行进速度等)存盘,以便于后期进一步的数据分析. (3)操作控制

对程序的一些操作进行控制,如软件计时,是否需要文件存储及一些信息量
的输入等.通过计时控制操作,可以方便地将行进中的速度计算出来,用于以人 为被测对象的实验中.关于速度的计算方法将在实验中给出具体的说明.

5.2利用黑体模拟额头的温度测量实验 5.2.1实验概述
人体本身有很多不确定因素,诸如皮肤表面温度会随环境条件的变化而变 化,运用行进中测量方法测量时行走的速度和方向不确定性,被测人额头面积因 人而异等,都会影响到对实验结果的分析.与之相反,黑体比较稳定,而且通过 使用传送带可以使其速度和方向以比较精确的方式给出,因此首先利用黑体模拟 人体做相关的实验,简化了问题,有利于在此基础之上进行人体额温的测量. 从前面的理论分析可以知道,速度可能对测量结果产生一定影响,而且理论 上应该存在一个速度极限,如果行走的速度在这个极限范围内,将不会影响测量 误差.但是从式3.11中可以看出,这个极限速度的取得还受到其它～些因素的

影响,如探头的摆放角度,高度,被测物有效的测量面积等.下面我们通过几个
基本实验来验证前面的理论分析. 在实验过程中,红外测温仪将对运动中的黑体进行实时的温度测量,从黑体 进入红外测温仪的视场到离开其视场.在这种情况下,红外测温仪将捕捉到一系 列的温度数据,其中就可能包含了黑体真实的温度信息.在红外测温仪的整个视 场范围内,黑体的温度最高,所以如果它可以捕捉到黑体真实
温度的信息,那么

天津大学硕士学位论文

第五章实验研究及结果分析

在这一系列的温度数据中的最大值无疑就是黑体的实际温度.因此,以下实验中 所记录的温度值都是在当次测量过程中所记录的数据中的最大值.另外,由于红 外测温仪的精度可以达到±O.2.C以内,而且通过上对黑体性能的评价中可以看

出,当黑体温度为37℃时.测温仪测得的温度多数都在37℃和36,9行测量时,环境温度会综合运动速度等因素对测量结果产生其它一些影响. 本组实验是在实验1的基础上,降低了环境温度,研究增加环境温度与被测物的 温差对测量的影响.在每个速度下测量10次数据. 实验中各项参数如下:￡=37℃,￡=21℃,sub=30cm,0=60.. 当环境温度为21℃时,在传送带速度分别为10
cm/s,21 cm/s,26

cm/s时对
crn/s,

运动中黑体的温度进行溺量.图5.5a,5.5b,5—5c所示分别为在速度为10
2l cm/s,26

em/s时,所测的数据同实验1中相同速度下所测数据的比较.

图5--5a v=lOcm/s时,不同环境温度下的测量值

查堂查兰堡主兰堡笙苎

苎蔓兰壅坠里壅墨堕墨坌堑

圈5.sb v=21cm/s时.不同环境温度F的测量值

图5.5c

v=26cm/s时,不同环境温度下的测量值

分析图5—5a,5.5b,5—5c中的实验数据可以看出: (1)实验1中,当v=10cm/s时没有因为速度而产生的误差,在本次实验中尽管 改变了环境温度,但是同样没有因为速度而产生的误差. (2)实验1中,当v=21cm/s和v=26cm/s时由于速度过大的原因产生了测量误 差,在本次实验中随着环境与被测物温差的增加,在相同速度下的误差也增大了. 本组实验说明,如果在某个速度下由于速度过大的原因产生测量误差,那么 增加环境与被测物温差,在相同的速度下产生的误差将会增大.

5.2.4测量高度与误差的关系
从式3—11中可以看出,在实际测量人体额头温度的过程中,人的身高因素 也可能通过运动速度影响测量结果.本组实验室是在实验1基础上,改变了测温 探头与被测物之间的高度差,分析这种变化对测量的影响. 实验中各项参数如下:死=37℃,￡=27℃,sub=50cm,0=60.. 当测温探头与被测物之间的高度差由30cm提高到50cm时,在传送带速度 分别为8
cm/s,14

cm/s,21cm/s时对运动中黑体的温度进行测量.图5—6a,5—6b,
cm/s,21

5—6c所示分别为在速度为8 cm/s,14

cm/s时,所测的数据同实验1中

相同速度下的所测的数据的比较.在每个速度下测量10次数据.

天津大学硕士学位论文

第五章实验研究及结果分析
一一

印∞ ∞∞

一一
图5-6a

v=8cm/s时,探头与黑体高度差不同时的测量值

图5-6b v=14cm/s时,探头与黑体高度差不同时的测量值

图5—6c v=21cm/s时,探头与黑体高度差不同时的测量值

由船11计轧.=J鼍铲·tan600_11.8cm/s
2一

!!

分析图5—6a,5—6b,5—6c中的实验数据可以看出: (1)实验1中,当V=8cm/s时没有因为速度而产生的误差,在本次实验中尽管 改变了黑体和测温探头之间的高度差,但是同样没有因为速度而产生的误差. (2)实验1中,当V.14cm/s时基本没有误差产生,在本次实验中随着环境与被 测物温差的增加产生了测量误差. (3)实验1中,当v=21cm/s时由于速度过大的原因产生了误差,在本次实验中 随着黑体和测温探头之间高度差
的增加,在相同速度下的误差也增大了.

天津大学硕士学位论文

第五章实验研究及结果分析

本组实验说明,在其它条件相同的情况下,被测物与测温探头之间的高度差 的增大将使被测物最大允许运动速度减小.

5.2.5被测物面积与误差的关系
从式3—1l中可以看出,在实际测量人体额头温度的过程中,额头的有效测 量直径可能通过运动速度影响测量结果.本组实验室在实验1基础上,增加了光 阑孔径的大小,也就相当于增加了有效测量直径,分析这种变化对测量的影响. 实验中的各项参数如下:五=37℃,E=27.C,sub=30cm,0=60.,D=50mm. 在本次实验中,只选择了在v=26crrds时对运动中黑体的温度进行测量.图 5—7所示为v=26cm/s时所测的温度与实验1在相同的速度下所测数据的比较.

图5—7 v=260rals时,选用不同孔径光阑时的测量值

5一

垫

由式3·11计算得

V一=—』虬絮带丛盟螋,t柚600,测量软件好比秒表,记录被测者通过规定距离的时间;同时测 量软件还需读取串口的温度测量信息.额头温度检测及计时方法示意图如图5.8 所示.

图5-8额头温度检测及计时方法示意图

采用另外一只Raytek Mx4+型红外测温仪测量人的额头温度.在使用前,用

天津大学硕士学位论文

第五章实验研究及结果分析

黑体对其校准,使其与三角架上固定的测温探头有很好的一致性.每次测量时, 首先对被测人的额头温度进行测量,然后要求被测人按照预定的行走路线行进. 在这个过程中,由红外测温仪捕捉其额头的温度信息,送给计算机进行软件处理.

5.3.2额头温度测量与黑体温度测量的差别
人体温度测量与黑体温度测量的差别主要可以归纳为以下几点: (1)温度稳定性 对于黑体而言,可以将温度控制的非常稳定:而人体皮肤则不同,它不仅对 外界环境敏感,而且与人的运动及情绪等因素有关,也就是说在一定的时间范围 内不可能像黑体那样保持恒定的温度.因此即使是对同一个被测者,也要在每次 测量前对其额头温度进行测量;同时要考虑运动及情绪等各方面因素的影响. (2)速度均匀性 在黑体实验中,黑体放置在传送带上,速度均匀性较好;而人的行进速度是 通过测量时间和通过的距离的方法得到的.首先,钡0试可能由于对被测者进入和 离开规定距离界限的界定不同,引起计时误差:其次虽然要求被测者尽量匀速运 动,但这种匀速只是一个近似概念,人在迈步的时候可能使某些点处的速度很大,

当这些点恰好是额温测量的最佳位置时,将会引起较大的误差.
(3)运动方向性 在黑体实验中,黑体的运行路线是传送带给出的,方向性很好,只要探头和 传送带固定不变,且每次黑体摆放在固定的位置上,那么可以说被测物是一定的; 尽管对被测者的行进路线做了一定要求,但是不能保证被测者按照规定的路线直 行,人在行进过程中可能是左右摇摆的.额头中间部位比较宽,但偏离中间位置 后其宽度就会减小,相当于有效测量面积减小了或是说测量对象变化了;又由于 这里测量选用的是红外点温式测量仪,对测量视场很敏感,因此被测人的行进路 线对测量是有影响的. 在测量黑体温度与人体温度的实验中,由于人体与黑体存在一定的差别,在 测量方式的选择方面也有所不同,因此可能会导致测量结果也存在一定的差异.

5.3.3人的行进速度与测量误差关系的分析
由于人的额头大小有差异,而且身高情况也不同,所以很难应用式3.11和 3—13明确地计算出最大速度和最佳角度,但是式3.11和3一13仍有～定的指导意 义.例如本次实验选择探头摆放角度的时候,就是先通过式3.13计算在

D=3cm,h=170cm时,最佳角度为72.左右,然后再
综合考虑其它因素选择探
头摆放角度为70..需要明确指出的是不可能给出一个针对每种情况都可以达

天津大学硕士学位论文

第五章实验研究及结果分析

到最大速度的角度. 表5—1给出了不同的人在以上实验条件时测量温度的结果.从表中可以看出, 测量的结果不如用黑体作为被测对象的实验中那么有规律.表中用黑体字标出的 部分误差比较大,特别是个别情况下,当行走速度比较小时误差也比较大,如第

3组和17组数据.为分析这些影响,我们将这些数据在采集时的波形与以黑体
作为被测对象时采集的波形进行比较.

表5-1不同人以不同速度行走时的温度测量结果 编号 身高(cm) 速度(cm/s) 实际温度(℃) 测量温度(℃) 温差f℃) 编号 身高(cm) 速度(ctrds) 实际温度(℃) 测量温度(℃) 温差f℃)
l 1 57 58 33.5 33.6 一O.1 1l 169 59 33.5 33.2 0'3 2 157 60 33.5 33.4 O.1 3 157 85 33.5 33.O 0.5
4

5 157 134 33.4 33.4 O

6 163 52 34.3 34.1 O.2

7 163 63 34.2 33.9 O.3

8 163 71 34.4 34 4 O

9 163 98 34.2 34.1 O.1

10 163 114 34.2 34.0 0.2

157 111 33.4 33.4 0

12 169 86 33.7 33.5 O.2

13 169 93 34.3 34.2 O l

14 169 98 33 3 33.4 一0.1

15 169 148 33.7 32.8 0.9

16 175 44 33.4 33.4 O

17 173 66 34 33.4 0.6

18 173 104 34.2 34.1 0.1

19 175 108 33 32.8 O.2

20 175 1lg 33.5 33.2 0.3

图5-9所示为以黑体为被测对象的实验l中,当v=8cm船时的第2个数据
在采集过程中的温度随时间变化的曲线,根据前面的实验知道此时没有因为速度 的原因产生误差.从图中可以看出,当速度较低时采样数据在波峰处比较平缓:

温度变化比较有规律.图5一lO所示为表5一l中的第8组数据在采集过程中温度
随时间变化的曲线,此时的速度为v=71cm/s.比较图5-9与图5.10,可以看到 二者变化趋势很相似,说明在条件适当的情况下可以用研究黑体运动的方法来研 究人的运动对测量的影响.

天津大学硕士学位论文

第五章实验研究及结果分析

图5-9黑体温度变化曲线1

图s.10第8组温度变化曲线

图5—11和5-12分别为表5一l中第3组和17组数据在采集时温度随时间变化 的曲线.二者在表上的共同点是虽然行走速度不大,但是产生的误差却比较大. 图5—1l的数据变化比较平缓,规律类似于图5.10的数据.因此其产生误差最可 能的原因是运动方向异常,导致了被测部位不是额头中部或是偏离中部太多,那 里的温度当然与额温是有差别的.而图5.12中数据的变化规律出现了异常,最 可能的原因是行走时左右摇晃得比较厉害引起了被测对象的变化,因此最终测量 的数据是不可靠的.

图5-11第3组温度变化曲线

图5-12第17组温度变化曲线

图5-13所示为以黑体为被测对象的实验1中,当v=26cm/s时的第1个数 据在采集时温度随时间变化的曲线,根据前面的实验知道此时有很大
误差产生. 从图中可以分析出,由于速度比较大,引起温度的测量值的变化也较快,使得峰

值处的曲线很陡.图5-14所示为表5-1中的第15组数据在采集时温度随时间变
化的曲线,此时的速度为v=148cm/s,误差较大,约为0.9置来模拟人体额头,这么做可以简化问 题,排除一些对测量分析不利的干扰因素,如人额头温度比较容易受环境影响, 人行走方向的不确定性等.论文中完成了黑体的外形设计,电路设计以及单片机 程序设计,其温度控制效果可达士0.1与微光技术,北京:国防 工业出版社,1998.6:241—269 [7]周书铨,红外辐射测量基础,上海:上海交通大学出版社,1991.3:1～儿 [8]崔至尚,竺惠敏,温度计量与测试,北京:中国计量出版社,1998.8:140～
156

[9]由富恩,张存芳,付乐勇,辐射测温仪原理及其检定,北京:中国计量出版 社,1990.3:l～14 [10]秦永烈,表面温度测量,中国计量出版社,1989.12:98～108
[1 1]游伯坤,温度测量仪表,机械工业出版社,1982.9:258～284 112]TABLE
OF EMISSIVITY OF VARIOUS SURFACES.Mikron Instrument

Company,Inc

[13]吴宗凡,柳美琳,张绍举,赵裕泽,李汉宾,红外与微光技术,北京:国防 工业出版社,1998.6:20 [14]程玉兰,红外诊断现场实用技术,北京:机械工业出版社,2002.4:119 [15]曹琦,谢正雄,黄幼谦,一种耳温计的导波计,中国专利,97203205.3,1998.9
【16]Howe,et al,Unitary Probe Cover,U.S.Patent 5088834,Feb
18,1992

[17]中华人民共和国国家标准,红外人体表面温度快速筛选仪通用技术条件,
GB/T 19146,2003

[18]戴景民,曹欣荣,环境温度对红外辐射体温计读数的影响,计量学报,2002.1:
33～35

天津大学硕士学位论文

[19]程玉兰,红外诊断现场实用技术,北京:机械工业出版社,2002.4:109 [20]程玉兰,红外诊断现场实用技术,北京:机械工业出版社,2002.4:67 [21]周书铨,红外辐射测量基础,上海:上海交通大学出版社,1991.3:
165

157～

[22]谢植,高魁明,工业辐射温度测量,东北大学出版社,1994 [233段宇宁,黑体辐射源研究综述,现代计量测试,2001.3:7～1l [24]李吉林等,光电,红外,比色温度计原理与检定,中国计量出版社,1990.4:
112～14l [25]PICl6F87X
user

manual,USA:Microchip Technology

Inc.,1998

[26]王有绪,许杰,李拉成,PIC系列单片机接口技术及应用系统设计,北京: 北京航空航天大学出版社,2000.12 [27]窦振中,PIC系列单片机原理和程序设计,北京:北京航空航天大学出版社,
1998.10

[28]刘和平,PICl6F87X单片机实用软件与接口技术一c语言及其应用,北京: 北京航空航天大学出版社,2002.4 [29]赖寿宏,微型计算机控制技术,北京:机械工业出版社,2000.5
[30]Raytek,High Performance Infrared Thermometer
user

manual

[31]陈焕生,温度测试技术及仪表,北京:水利电力出版社,1987.9:80～93 [32]康伦华,黑体炉的标定,西北光电,1998.2:2～9 [33]张景异,黑体炉精度的实验研究,重庆工学院学报,2003.4:16418 [34]周玮,高魁明,在线黑体辐射源的建立及其精度评价,东北大学学报(自然 科学版),第18卷第5期:498～502 [35]吴红龙,周钧,测量人体温度的若干问题及应对办法,铁道技术监督,2003.9:
36～37

[36]沈国彦,宋平,红外温度计测量体温方法探讨,仪表技术,2003.3:9,42 [37]王晨钟,发射率及其对红外测温仪测量结果的影响,江苏质量,2003.2:37～
38

[38]N.P.Avdelidis,A.Moropoulou,Emissivity
thermography,Energy and Buildings
considerations

in building

35(2003):663—667
of the blackbody

[39JNonextensire

thermostatistical

investigatjon

radiation,Chaos,Sol itons and Fractals

13(2002):749—759

[40]杨湘,金庆波,红外测温技术的应用,天津冶金,1999.1:29～33 [41]高魁明,周玮.红外辐射测温中的几种干扰,基础自动化,1995.4:55～59

天津大学硕士学位论文

发表论文和科研情况说明

发表论文和科研情况说明

发表的论文: [1]李松林,芳.付乐勇 辐射测温仪原理及其检定 1990 10.秦永烈 表面温度测量 1989 11.游伯坤 温度测量仪表 1982 12.TABLE OF EMISSIVITY OF VARIOUS SURFACES 13.吴宗凡.柳美琳.张绍举.赵裕泽.李汉宾 红外与微光技术 1998 14.程玉兰 红外诊断现场实用技术 2002 15.曹琦.谢正雄.黄幼谦 一种耳温计的导波计 1998 16.Howe Unitary Probe Cover 1992 17.GB/T 19146.红外人体表面温度快速筛选仪通用技术条件 2003 18.曹欣荣.戴景民 环境温度对红外辐射式体温计读数的影响[期刊论文]-计量学报 2002(1) 19.程玉兰 红外诊断现场实用技术 2002 20.程玉兰 红外诊断现场实用技术 2002 21.周书铨 红外辐射测量基础 1991 22.谢植.高魁明 工业辐射温度测量 1994 23.段宇宁 黑体辐射源研究综述[期刊论文]-现代计量测试 2001(3) 24.李吉林 光电,红外,比色温度计原理与检定 1990 25.PIC16F87X user manual 1998 26.王有绪.许杰.李拉成 PIC系列单片机接口技术及应用系统设计 2000 27.窦振中 PIC系列单片机原理和程序设计 1998 28.刘和平 PIC16F87X单片机实用软件与接口技术—C语言及其应用 2002 29.赖寿宏 微型计算机控制技术 2000 30.Raytek High Performance Infrared Thermometer user manual 31.陈焕生 温度测试技术及仪表 1987 32.康伦华 黑体炉的标定 1998(02) 33.张景异 黑体炉精度的实验研究[期刊论文]-重庆工学院学报 2003(2)

34.周玮.高魁明 在线黑体辐射源的建立及其精度评价 35.吴红龙.周钧 测量人体温度的若干问题及应对办法[期刊论文]-铁道技术监督 2003(9) 36.沈国彦.宋平 红外温度计测量体温方法探讨[期刊论文]-仪表技术 2003(3) 37.王晨钟 发射率及其对红外测温仪测量结果的影响 2003(02) 38.N P Avdelidis.A Moropoulou Emissivity considerations in building thermography 2003 39.Nonextensive thermostatistical investigation of the blackbody radiation 2002 40.杨湘.金庆波 红外测温技术的应用 1999(01) 41.高魁明.周玮 红外辐射温度测量技术讲座 第四讲 红外辐射测温中的几种干扰[期刊论文]-基础自动化 1995(4)

相似文献(5条) 1.期刊论文 陈彬.于盛林 基于集成芯片热模式的PCB电子电路故障诊断方法 -计算机与数字工程2005,33(1)
本文提出了电子电路故障诊断的一种新方法,以集成芯片热模式为出发点,利用红外测温传感器对电子电路中集成芯片温度进行有效的非接触测量,建 立集成芯片工作温度标准热模式(WTSTM),并对电路板芯片若干故障现象进行试验.将实验结果与WTSTM进行比较分析,采用模糊推理算法确定传感器测量值 对各诊断元件的隶属度函数,并根据隶属度来确定故障元件.论证了该方法的可行性和有效性.

2.期刊论文 张国玉.徐熙平.杨琳.李成志.何凤梅.何小瓦 材料高温变形激光扫描测量方法 -兵工学报2003,24(1)
基于激光狭缝扫
描检测技术和红外测温技术,提出了一种用于材料高温变形量和线膨胀系数非接触自动测量的激光扫描测量方法和测量系统.本文详 细论述了测量系统及其测量原理,并利用该测量系统对某种材料的高温变形或线膨胀系数进行了测量.实验结果表明,该系统可满足标距为30～50mm试样在 1000～3000℃温度状态下材料变形的测量要求,测量精度可达±3μm,为研制新型特殊复合材料的高温性能和材料的合理使用提供了可靠依据.

3.会议论文 冯旺华 红外检测技术在重钢电网的应用 2006
红处检测技术是当今电力设备异常诊断中极为重要的一项技术.该技术的采用通过非接触测量电气设备在运行时的温度可以及时发现电力设备在运行 中的细小的缺陷,从而避免重大事故的发生.本文首先介绍了红外检测技术的工作原理并结合在重钢电网中近两年使用的Raytek(R)公司的MX2型红外测温 仪的实际应用情况,对红外检测技术在重钢电网的应用作了一些总结与探讨.

4.期刊论文 古岳 智能监控系统在电气运行中的状态实施策略 -通信市场2005(10)
目前,对电气设备运行温度的检测方法主要是依赖人的感觉,测量的准确度不高,从而影响判断的正确性,特别是高压电气设备,运行人员巡视检查时必 须保持一定的安全距离,再加上缺乏合适的检测仪器,不能及时发现故障隐患.因此,我们研制智能监控系统在电气设备运行状态中的应用尤其重要.本论文 分析采用红外测温技术对现场温度进行非接触测量,保证了对高电压,高温,高速部件测量的安全性.

5.学位论文 邓昕岳 基于ARM的光纤光栅温度监测系统 2009
电力变压器性能的好坏直接影响着电力系统的安全稳定运行.变压器绕组温度是变压器安全,经济运行以及使用寿命的决定性因素,已经成为变压 器状态监测中健康隐患和故障发展的重要表现形式.通过对变压器绕组温度进行实时监测并判断其健康状况,以此来进行变压器的负荷调整和预知性维 修,避免因绕组过热导致的变压器故障,可以提高变压器安全,经济运行水平,为电网安全运行带来重要保证. 传统的检测电力变压器温度的方 法主要有红外温度检测,热电阻,热电偶温度检测等.红外测温为非接触测量,它只能测量变压器的表面温度,易受环境温度及周围磁场的干扰,且需 人工操作,无法实现在线测量.对于热电阻,热电偶等测量法,在高频交变场中,导线会拾取噪声并由于涡流效应而发热.电导线的热导还会导致被测 温度的扰动,测量效果不很理想.光纤光栅传感技术以其体积小,电绝缘,抗电磁干扰,易复用,传感信号可远距离传输,便于实现实时在线测量等优 点,为电力变压器温度的测量提供了很好的技术手段. 本文在对
国内外光纤光栅传感技术及其解调方案进行深入分析的基础上,设计了光纤布拉 格光栅传感信号解调所需的硬件和软件,并进行了实验研究.论文涉及的主要工作有: 介绍了光纤的基本结构,布拉格光栅的工作机理及其制作 方法,分析了光纤布拉格光栅作为传感元件时的基本参数,推导了光纤布拉格光栅的温度传感模型;详细介绍了目前常用的布拉格光纤光栅解调技术. 重点分析了监测系统的硬件电路设计及其原理,主要有微控制器相关电路的设计,光电转换电路,前置放大及滤波电路,AD转换电路,以太网通讯 电路及液晶显示电路等.在硬件平台的基础上设计并测试了相关模块的驱动,实现温度的实时采集和发送.主要工作包括uC/OS—Ⅱ在LPC2148上的移植 ,利用LwIP实现以太网通讯等. 最后,搭建了系统光路,对监测系统进行了测试,得到了有益的数据,为下一步工作打下了良好的基础. 关键 词:光纤布拉格光栅;uC/OS—Ⅱ;ARM;温度监测

本文链接: 下载时间:2010年3月9日



 

天津大学 硕士学位论文 非接触人体表面温度测量方法的研究 姓名:李松林 申请学位级别:硕士 专业:测试计量技术及仪器 指导教师:徐可欣 20050101中文摘要人在健康状态时,体温一般是比较恒定的,但是当人体内的某些机能发生改 变或某些部位发生病变…

天津大学 硕士学位论文 非接触人体表面温度测量方法的研究 姓名:李松林 申请学位级别:硕士 专业:测试计量技术及仪器 指导教师:徐可欣 20050101中文摘要人在健康状态时,体温一般是比较恒定的,但是当人体内的某些机能发生改 变或某些部位发生病变…

天津大学 硕士学位论文 非接触人体表面温度测量方法的研究 姓名:李松林 申请学位级别:硕士 专业:测试计量技术及仪器 指导教师:徐可欣 20050101中文摘要人在健康状态时,体温一般是比较恒定的,但是当人体内的某些机能发生改 变或某些部位发生病变…

 

本文由第一文库网()首发，转载请保留网址和出处！

>> 查看更多相关文档

 

免费下载文档：

 

  本文关键词：非接触人体表面温度测量方法的研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：169239