非接触式温度计.docx
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非接触式温度计
附件
北京交通大学
第五届大学生物理实验竞赛
项目说明
参赛题目研究温度传感的物理特性，并据此制作非接触式体温计_________________________
参赛学院_____电信学院____________________
组队负责人________________________
北京交通大学教务处制
2012年5月
研究温度传感的物理特性，并据此制作一非接触式体温计
题目序号
二
排序
姓名
学号
学院
专业
手机
1（负责人）
电信
通信
2
电信
自动化
3电信电子
设计原理与方法：
1、传感器工作原理
TS118—3无接触测量的原理是:
所有的物体都会向外发射红外线,而发射功率正比于物体的
表面温度。
那么精确测量物体的红外线发射功率就能确定物体的表面温度。
TS118-3应用微结构薄膜技术在硅底板上集成了许多个基于热电效应的热电偶。
热电偶的热端和冷端之间用隔热的SiNx隔膜隔开,热端的吸收区把引入的红外线转换成热量,而热电偶把热量成比例地转换成电压输出。
TS11821采用TO18封装,在距离人体5cm范围内红外线吸收效率接近100%,也就是说有效测量距离为≤5cm。
在TS118-3内还集成了一个热敏电阻,用于测量环境温度。
2、电路图
3、系统工作流程图
测量内容：
1、热源距传感器的距离与传感器输出电压关系
实验仪器：
纸杯、温度计、温度传感器，直尺，5位半台式万用表
实验原理：
实验步骤：
（1）在纸杯中注入适宜温度的热水，记录室温和水温，用台式万用表测量传感器电压
（2）传感器距纸杯2.5mm待示数稳定，记录万用表的示数
（3）以2.5mm为间隔重复步骤
（2）
实验数据：
d/mm
2.5
5
7.5
10
12.5
15
17.5
20
u/mv
0.53
0.43
0.35
0.32
0.3
0.28
0.25
0.24
22.5
25
27.5
30
32.5
35
37.5
40
42.5
0.22
0.22
0.2
0.18
0.18
0.17
0.15
0.14
0.12
结论：
在室温，热源温度一定的条件下，传感器的输出电压随热源距传感器的距离的增加而减小。
2、热源温度与传感器输出电压关系
实验仪器：
纸杯、温度计、温度传感器，直尺，5位半台式万用表
实验原理：
实验步骤：
（1）在纸杯中注入适宜温度的热水，记录室温和水温，用台式万用表测量传感器电压
（2）保持传感器距纸杯的距离不变，没当水温下降一定的温度，记录此时的水温和台式万用表的示数
实验数据：
t/℃
40
39
37.8
37.2
36
35.8
35.5
35.1
34.8
u/mv
0.2
0.18
0.17
0.15
0.14
0.1
0.08
0.07
0.05
3、热源与传感器夹角与传感器输出电压关系
实验仪器：
纸杯、温度计、温度传感器，直尺，5位半台式万用表
实验步骤：
（1）在纸杯中注入适宜温度的热水，记录室温和水温，用台式万用表测量传感器电压
（2）保持热源距传感器的距离不变，以传感器为中心的半圆移动，每隔15度记录台式万用表的示数
实验数据：
目标位纸杯
a/°
90
105
120
135
150
165
180
u/mv
0.23
0.22
0.18
0.11
0.05
-0.02
-0.04
目标为手指
a/°
90
105
120
135
150
165
180
u/mv
0.1
0.07
0.05
0.03
0.02
-0.02
-0.03
4、传感器集成热敏电阻与环境温度关系
实验仪器
实验原理：
采用加热片、半导体制冷片、铁箱子，制作一个简单的温度控制器，产生一个恒定的温度，变化的模拟环境温度。
恒温箱每改变5℃，测量一组两个不同的目标温度，记录输出电压和电阻值得大小，环境温度测量范围-5℃~50℃。
实验步骤：
（1）由于恒温箱的温度控制范围为15~50℃，先从15℃开始测量，当温度上升到15℃时开始注意，电压表的数值变化，当温度从最大值开始有下降趋势时记录数据，先记电阻值，再记录23℃和35.8℃下输出的电压值。
（2）温度每升高5℃，重复
（1）过程测量一组数据，直到升高到50℃。
（3）打开恒温箱，将温度传感器紧贴与制冷片上，每下降5℃测量一组数据（包括两组电压值，一组电阻值）。
（4）温度下降到0℃时，要在制冷片上滴上数滴水，提高降温能力。
此后下降到-5摄氏度测量最后一组数据。
实验数据：
目标为空气
温度
-5
0
5
10
15
20
电阻
1039
1057
1078
1097
1114
1134
电压uV
750
630
580
450
310
90
25
30
35
40
45
50
1152
1173
1186
1204
1222
1251
-60
-190
-350
-480
-590
-710
5、传感器输出电压与环境温度关系
目标为人体手心
温度
-5
0
5
10
15
20
电阻
1039
1057
1078
1097
1114
1134
电压uV
1280
1140
990
820
660
500
25
30
35
40
45
50
1152
1173
1186
1204
1222
1251
-60
-190
-350
-480
-590
-710
5、补偿
经过以上的测量可以得出结论，在进行测量时体温的输出电压与热源目标的距离，和环境温度有关，因此需要进行环境温度、距离补偿。
（一）补偿基本步骤：
（1）距离一定时测量一恒温物体，采用恒温箱改变传感器所处的环境温度，得出红外传感器输出电压AD值与环境温度之间的关系；
（2）测量一恒温物体，改变测量距离，得出红外传感器输出电压AD值与目标距离AD之间的关系；
（3）距离一定时测量一变温物体的实际温度与红外传感器输出电压AD值的关系；
（4）由以上可以得到三个关系式，找到三个函数之间的偏差关系，采用偏差补偿法找出关系三输入一输出的函数关系。
（二）距离补偿校准原理图
（三、）环境温度补偿测量数据
环境温度
8.81
9.62
10.18
11.25
11.68
12.06
13.06
目标温度（AD值）
1375
1378
1373
1352
1349
1350
1333
室温（22.28℃）时的AD差值
269
272
267
246
243
244
227
环境温度
13.56
14.31
14.81
15.43
16.06
17.18
18.37
目标温度（AD值）
1323
1301
1290
1283
1266
1249
1223
室温（22.28℃）时的AD差值
217
195
184
177
160
143
117
环境温度
18.81
20.56
21.18
21.56
22.18
23.06
24.37
目标温度（AD值）
1209
1167
1154
1144
1134
1106
1072
室温（22.28℃）时的AD差值
103
61
48
38
28
0
-34
环境温度
25.18
25.56
25.93
26.81
28.18
28.5
28.87
目标温度（AD值）
1055
1043
1036
1013
975
967
951
室温（22.28℃）时的AD差值
-51
-63
-70
-93
-131
-139
-155
环境温度
29.81
30.12
30.5
30.81
31.56
32.43
33
目标温度（AD值）
923
919
911
894
876
851
832
室温（22.28℃）时的AD差值
-183
-187
-195
-212
-230
-255
-274
环境温度
33.43
33.75
34.06
35
35.68
36.12
36.43
目标温度（AD值）
814
809
801
771
745
726
717
室温（22.28℃）时的AD差值
-292
-297
-305
-335
-361
-380
-389
环境温度
36.87
37.18
37.43
37.68
37.87
38.43
目标温度（AD值）
702
699
687
679
674
658
室温（22.28℃）时的AD差值
-404
-407
-419
-427
-432
-448
（四）环境温度补偿原理图及计算公式
（五）距离补偿测量数据
与热源距离一定（8cm）、热源温度变化
温度
43
42
41
40
39
38
37
目标温度（AD值）
1088
1063
1033.3
1028
1005.3
951.7
956.6
距离AD值
1997
1995
1973.2
1981
2018.4
1996
1996
温度
36
35
34
33
32
31
30
目标温度（AD值）
913
906.7
896.92
892.8
888.83
877
878.8
距离AD值
1973.5
1973
1973.5
1974
1970.4
1952
1973
热源温度（34℃）固定、与热源距离变化
热源AD值
828
834
831
840
842
841
854
距离AD值
1296
1343
1412
1505
1604
1674
1812
热源AD值
855
862
871
875
883
889
899
距离AD值
1904
2043
2245
2520
2922
3290
3621
热源温度一定，改变距离时温度测量AD与距离AD之间关系图
改变目标温度（℃）
41.3
40.1
39
38.2
36.4
35.8
输出温度AD与标准温度AD差值
1601.5
1553
1218
1193
1082.5
944.8
温度平均AD值
3337.9
3289
2954.4
2929
2818.9
2681
改变目标温度（℃）
35
34
33
32.1
31.2
30
输出温度AD与标准温度AD差值
848.143
811.9
781.24
703.9
502.74
224.6
温度平均AD值
2584.5
2548
2517.6
2440
2239.1
1961
（六）距离补偿校准图
（七）MATLAB仿真测试函数：
x1=温度传感器与热源目标距离;
ad=被测温度;
x3=环境温度;
enver_temp=351.877106-2.624275684959397*x3-0.6352422526164174*x3^2+0.004175315994908031*x3^3;
ad=ad-enver_temp;
y1=715.2632247379161+0.12158533307693363*x1-0.00003104675825734162*x1^2+3.1426137565063774*10^-9*x1^3;
x2=ad-y1;
y2=342.3379638316876-0.5678936197529411*x2+0.007123107754962666*x2^2-0.000015222628829700973*x2^3;
T=y2/10;
（八）输出距离、热源、体温三者关系
结论：
由立体图形可以看出
备注：
我们经过查阅资料得到水的发射系数为0.9~0.95，而人体皮肤的发射系数为0.98，因此我们采用水做恒温源，最后用人体做细微补偿。
项目说明电子版于9月10日前在竞赛网站上传确认参赛。
完善后的正式项目说明电子版于9月19日前在竞赛网站提交。
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