專利名稱：非接觸、口腔紅外線電子體溫計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子溫度計(jì)，特別是一種非接觸式、口腔紅外線電子體溫計(jì)。
體溫計(jì)是人類保健醫(yī)療器械中，應(yīng)用最普遍的儀表。由于技術(shù)和價(jià)格兩方面的原因，迄今還沒(méi)有真正可以與人體完全不接觸地，快速地測(cè)量人體體溫的溫度計(jì)。近幾年出現(xiàn)的采用紅外測(cè)溫技術(shù)的體溫計(jì)，如美國(guó)Thermoscan公司的Pro-1耳道溫度計(jì)(U.S.Patent4,797,840)，還有日本Omron公司的MC-505耳用溫度計(jì)，分別采用了熱電探測(cè)器和熱電堆探測(cè)器，直接測(cè)量耳腔內(nèi)和鼓膜的溫度，1～3秒鐘測(cè)得體溫。它們的共同點(diǎn)都是要將測(cè)溫探頭插入人的耳穴內(nèi)。因此，對(duì)人體來(lái)說(shuō)，不能稱為“非接觸”的體溫表。上述溫度計(jì)只能測(cè)量高于環(huán)境溫度的物體，而不能測(cè)量低于環(huán)境溫度的物體。
本發(fā)明的目的是提供一種新的，完全不與人體接觸的體溫計(jì)，一套新的，有效地提高非接觸式的紅外測(cè)溫儀靈敏度、信噪比和精度的技術(shù)，確保了這種體溫計(jì)的精確，可靠。
本發(fā)明的另一目的是提供一種包括醫(yī)療或其它應(yīng)用的非接觸式測(cè)溫儀，既能測(cè)量比測(cè)溫儀所處環(huán)境溫度高的目標(biāo)的溫度；也能測(cè)量比測(cè)溫儀所處環(huán)境溫度低的目標(biāo)的溫度。
本發(fā)明的主要特點(diǎn)是包括外殼，在外殼內(nèi)有一電源9，開(kāi)關(guān)10放置在適當(dāng)位置，還包括匯聚所測(cè)物體紅外輻射的非球面透鏡1，所匯聚的紅外輻射經(jīng)調(diào)制器2斬波調(diào)制后入射到探測(cè)器3上，探測(cè)器3輸出的電信號(hào)經(jīng)電路處理，得到所測(cè)物體的溫度。
本發(fā)明測(cè)量時(shí)完全不與人體接觸，快速、準(zhǔn)確，既能測(cè)量比測(cè)溫儀所處環(huán)境溫度高的目標(biāo)的溫度；也能測(cè)量比測(cè)溫儀所處環(huán)境溫度低的目標(biāo)的溫度，非常適合現(xiàn)代衛(wèi)生的要求。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1——紅外透鏡 2——調(diào)制器 3——探測(cè)器 4——熱電探測(cè)器—場(chǎng)效應(yīng)管輸入電路 5——峰值檢波電路 6——峰值保持電路 7——液晶顯示器 8——發(fā)光二極管 9——電池 10——開(kāi)關(guān) 11——被測(cè)物圖2是振子型斬波調(diào)制器結(jié)構(gòu)圖。
圖中21——鋼片 22——磁性材料 23——線圈 24——線圈25——晶體管 26——同步信號(hào)輸出圖3A是現(xiàn)有技術(shù)熱釋電探測(cè)器輸入電路圖，B是其等效電路。
圖中3——熱釋電探測(cè)器 31——后接場(chǎng)效應(yīng)管的輸入柵偏電阻Rg32——場(chǎng)效應(yīng)管T133——熱電探測(cè)器的等效漏電阻Rd34——熱電探測(cè)器的等效電容Cd35——場(chǎng)效應(yīng)管T1的結(jié)電容Cg37——場(chǎng)效應(yīng)管的源極電阻Rs圖4A是本發(fā)明的熱釋電探測(cè)器—場(chǎng)效應(yīng)管輸入電路，B是其等效電路。(所用標(biāo)號(hào)與圖3相同)圖中36——附加的另一只場(chǎng)效應(yīng)管T235——這種接法下后接放大器的等效輸入電容 38——本輸入電路后接的放大器圖5是同步峰值檢波電路原理圖。
圖中51——二極管溫度傳感器 52——運(yùn)算放大器 53——二極管 54——調(diào)制器同步信號(hào) 55——場(chǎng)效應(yīng)管圖6是圖5中各部分的電信號(hào)波形圖。
下面結(jié)合附圖詳述本發(fā)明。
由圖1所示，本發(fā)明的非接觸、口腔紅外線電子體溫計(jì)的工作原理是非球面形的紅外透鏡1將被測(cè)目標(biāo)11的紅外輻射匯聚；經(jīng)過(guò)高精度穩(wěn)頻振子形調(diào)制器2被斬波調(diào)制后，入射到熱電型探測(cè)器3的敏感面上，產(chǎn)生的電信號(hào)，接入熱電探測(cè)器—場(chǎng)效應(yīng)管輸入電路4。輸出的電信號(hào)進(jìn)入信號(hào)處理電路5經(jīng)過(guò)選頻放大，利用同步峰值檢波及壓縮帶寬技術(shù)，抑制了噪聲而取得表征被測(cè)目標(biāo)11的紅外輻射強(qiáng)度的電信號(hào)，此電信號(hào)經(jīng)過(guò)非線性補(bǔ)償及校準(zhǔn)，獲得與被測(cè)目標(biāo)11的溫度呈線性關(guān)系的電壓信號(hào)，此電壓信號(hào)可被一個(gè)峰值保持電路6保持它的電壓值，再通過(guò)常規(guī)的A/D變換及液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路，在液晶顯示器7上用數(shù)字顯示出被測(cè)目標(biāo)的溫度。8是一個(gè)發(fā)射角為8°～12°的超高亮度紅色發(fā)光二極管，前面加有一個(gè)光欄，發(fā)出一個(gè)紅色的光束，在本發(fā)明中用作瞄準(zhǔn)。它使一個(gè)直徑約1CM的紅色的光斑照射在15CM左右遠(yuǎn)處的目標(biāo)11上，本發(fā)明的溫度計(jì)所測(cè)的就是光斑所在位置的溫度。9是一個(gè)安裝有電池的盒子，提供溫度計(jì)的電源。以上各部件被固定安置在一個(gè)手柄型外殼1的內(nèi)部空腔內(nèi)。外殼前端有兩個(gè)孔，分別是瞄準(zhǔn)光束的出光孔和測(cè)量目標(biāo)紅外輻射的入射孔。外殼保護(hù)測(cè)溫儀的各個(gè)部件，并屏蔽與被測(cè)目標(biāo)無(wú)關(guān)的雜散輻射。
每次測(cè)量人的體溫時(shí)，先按下開(kāi)關(guān)10，接通電源8，則出現(xiàn)紅色瞄準(zhǔn)光束。請(qǐng)被測(cè)人張開(kāi)口，本發(fā)明的溫度計(jì)距被測(cè)人的口部10～20CM，將瞄準(zhǔn)光束的光斑掃描到規(guī)定的位置(如舌面的中間部分)，用約一秒的時(shí)間掃過(guò)。則本發(fā)明的測(cè)溫儀測(cè)得口腔內(nèi)的溫度表示了人的體溫，以0.1℃的精度在液晶顯示器7上顯示出來(lái)，此數(shù)值將保持直至下一次測(cè)量。
下面給出本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。
圖1中的紅外透鏡1是這樣設(shè)計(jì)的它的作用是收集目標(biāo)輻射的能量，并將其匯聚到紅外探測(cè)器上。通常的透過(guò)式光學(xué)系統(tǒng)是由一片凸透鏡或兩片膠合的凸透鏡構(gòu)成，均為球而鏡或鏡組。本發(fā)明的紅外透鏡為非球面形，最好為拋物面，使透鏡邊緣部分的焦距，短于中心部分的焦距，設(shè)透鏡的最大直徑為D。邊緣部分的焦距為f0，則透鏡不同直徑D部分的焦距為f

即越接近中心部分，焦距越長(zhǎng)，透鏡為拋物面形，近距離處散焦，使輻射能量分散，而遠(yuǎn)距離處聚焦，使接收輻射能量集中而信號(hào)增強(qiáng)。這種設(shè)計(jì)適應(yīng)了體溫計(jì)相對(duì)短距離測(cè)量的要求，減小了測(cè)量距離變化引起的偏差，提高了測(cè)量精度。
圖1中2為本發(fā)明設(shè)計(jì)的調(diào)制器，這種振子型斬波調(diào)制器的結(jié)構(gòu)原理和驅(qū)動(dòng)電路示意圖為圖2。一只一端固定在基板上的高彈性鋼片作為振動(dòng)片21，粘有一枚用釹鐵硼永磁材料制做的圓柱形永磁體22。置于具有兩個(gè)重疊的繞組23、24的線圈框中。23作為激勵(lì)線圈，接在晶體管25的集電極，24作為反饋線圈，接于晶體管25的基極。接通電源的瞬間，線圈23產(chǎn)生的磁場(chǎng)，吸引永磁體22，帶動(dòng)鋼片21向線圈內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，永磁體的運(yùn)動(dòng)，又在線圈24上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，使晶體管的基極電流增加，正反饋使通過(guò)線圈23的集電極電流增加，更促進(jìn)吸引永磁體伸入線圈內(nèi)部，當(dāng)此引力與鋼片的彈力平衡時(shí)，永磁體靜止，基極線圈24感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為0，電流截止，激勵(lì)線圈的電磁場(chǎng)消失，鋼片彈回到初始位置，一超過(guò)平衡點(diǎn)，磁鋼的運(yùn)動(dòng)又使基極線圈24產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，正反饋又使晶體管集電極產(chǎn)生電流，使激勵(lì)線卷產(chǎn)生電磁場(chǎng)，吸引永磁體再次向線卷內(nèi)運(yùn)動(dòng)......。如此形成鋼片的振動(dòng)，周期性地遮斷和開(kāi)通經(jīng)過(guò)透鏡1聚焦的入射紅外輻射，完成了對(duì)被測(cè)目標(biāo)紅外輻射的調(diào)制。本發(fā)明的這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而調(diào)制頻率完全由鋼片的固有振動(dòng)頻率決定而與線圈和外電路無(wú)關(guān)，穩(wěn)定性可以達(dá)到0.04％，而驅(qū)動(dòng)電路晶體管僅耗電1mA，實(shí)現(xiàn)了對(duì)紅外輻射信號(hào)的高精度，高穩(wěn)定的調(diào)制，本發(fā)明設(shè)計(jì)的振動(dòng)調(diào)制頻率為75Hz左右，避開(kāi)了工頻(50-60Hz)及諧波(100-120Hz)的干擾，而且使本發(fā)明溫度計(jì)的響應(yīng)時(shí)間可達(dá)0.1秒。
圖1中3為紅外探測(cè)器，本發(fā)明采用了鉭酸鋰(LiTaO3)或鋯鈦酸鉛(PZT)熱釋電型探測(cè)器，由于已對(duì)目標(biāo)的紅外輻射進(jìn)行了調(diào)制，就可以選用靈敏度高，信噪比好而且價(jià)格遠(yuǎn)低于熱電堆的這類熱釋電型探測(cè)器了。
圖1中4為本發(fā)明設(shè)計(jì)的熱電探測(cè)器—場(chǎng)效應(yīng)管輸入電路，說(shuō)明如下現(xiàn)有熱釋電探測(cè)器的輸入電路和等效電路如圖3。
熱電探測(cè)器是一個(gè)恒流源。其負(fù)載為Rg和電容C＝Cd+Cg的并聯(lián)。為提高電壓響應(yīng)率，必須使用較大的輸入電阻Rg，然而，當(dāng)時(shí)間常數(shù)τe＝RgC＞1時(shí)，電壓響應(yīng)率隨調(diào)制頻率的增高而線性減小，信噪比降低，使探測(cè)器不能在高頻工作。為了減小τe，除在探測(cè)器制造工藝上改進(jìn)，減小Cd外，只能降低柵偏電阻Rg，為此又須由降低電壓響應(yīng)率和信噪比為代價(jià)。
本發(fā)明注意到τe＝RgC中，C是探測(cè)器的電容Cd與場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)電容Cg之和，只要減小電容C，同樣能取得提高響應(yīng)率和展寬使用頻率的效果。為此，本發(fā)明設(shè)計(jì)的熱釋電探測(cè)器——場(chǎng)效應(yīng)管輸入電路如圖4所示。場(chǎng)效應(yīng)管源極輸出放大器的增益K=gmRs1+gmRs<1]]>式中g(shù)m為場(chǎng)效應(yīng)管的跨導(dǎo)。這種接法將探測(cè)器接在場(chǎng)效應(yīng)管的柵、源極之間，形成了正反饋?zhàn)饔?由于K＜1，不會(huì)引起振蕩)使后接放大器的等效輸入電容C0=Cd+Cg1+gmRs]]>顯然，比傳統(tǒng)的電路減少了(1+gmRs)倍，如果將Rs用恒流源代替，此電容可減少1-3個(gè)數(shù)量極！實(shí)際測(cè)量結(jié)果表明，用本發(fā)明的這種電路，τe減少了幾倍至幾百倍。也就是說(shuō)，本發(fā)明的這種輸入電路，將熱電探測(cè)器的電壓響應(yīng)率提高了幾倍至幾百倍，而且可以在高頻使用，并獲得好的信噪比。
圖1中5為選頻放大器和用窄脈沖控制的同步峰值檢波電路。圖5中，二極管溫度傳感器51安裝在調(diào)制器最近處，用于取得對(duì)應(yīng)測(cè)溫環(huán)境的電信號(hào)。在運(yùn)算放大器52與從輸入電路4接來(lái)的代表被測(cè)目標(biāo)的電信號(hào)疊加，以補(bǔ)償環(huán)境溫度的影響。53是工作在微電流下的二極管。利用該二極管的非線性，將該二極管加在運(yùn)算放大器52的負(fù)反饋端，完成非線性補(bǔ)償。將被測(cè)目標(biāo)經(jīng)此放大器輸出的信號(hào)與紅外輻射的強(qiáng)度修正成線性關(guān)系。54是調(diào)制器同步信號(hào)、占空比為1∶8的窄脈沖。此脈沖輸入到場(chǎng)效應(yīng)管55的柵極，僅在脈沖作用期間打開(kāi)場(chǎng)效應(yīng)管，控制了場(chǎng)效應(yīng)管的通、斷，完成了對(duì)被測(cè)信號(hào)的同步過(guò)零、正、負(fù)峰值檢波作用，有效地壓縮了噪聲帶寬。特別應(yīng)說(shuō)明，當(dāng)被測(cè)目標(biāo)的溫度低于環(huán)境溫度時(shí)，本發(fā)明設(shè)計(jì)的這個(gè)電路將來(lái)自被測(cè)目標(biāo)的調(diào)制信號(hào)倒相，同步脈沖控制檢取負(fù)脈沖——使低于室溫的被測(cè)信號(hào)得到正確的負(fù)值輸出。圖6中，61為A點(diǎn)被測(cè)目標(biāo)被放大的信號(hào)；62的B點(diǎn)為調(diào)制器同步的峰值檢波控制脈沖信號(hào)；63為C點(diǎn)檢波輸出，強(qiáng)度正比于被測(cè)目標(biāo)溫度的電信號(hào)；64為D點(diǎn)經(jīng)過(guò)濾波取得的直流電壓信號(hào)，此電壓值正比于被測(cè)目標(biāo)的溫度。
電子電路的噪聲與電路的帶寬的平方根成正比，本發(fā)明由于有高精度的調(diào)制器，頻率穩(wěn)定，所以選頻放大器的帶寬僅為3-5Hz。同時(shí)，峰值檢波采用占空比為1∶8的峰脈沖，又將有效帶寬壓縮了

倍，使信噪比進(jìn)一步提高，確保了對(duì)被測(cè)目標(biāo)較弱的紅外輻射有足夠高的放大器增益和信噪比，。還應(yīng)說(shuō)明的是采用這種同步檢波方式工作，對(duì)熱電探測(cè)器輸出的正、負(fù)信號(hào)都可以分別取正、負(fù)值。通常情況下，當(dāng)被測(cè)目標(biāo)的溫度高于熱電探測(cè)器工作環(huán)境的溫度時(shí)，熱電探測(cè)器輸出正信號(hào)；而當(dāng)被測(cè)目標(biāo)的溫度低于熱電探測(cè)器工作環(huán)境的溫度時(shí)，熱電探測(cè)器輸出為負(fù)信號(hào)。相對(duì)于只用一只紅外輻射屏蔽開(kāi)關(guān)，采用熱電探測(cè)器，通過(guò)檢測(cè)一次開(kāi)關(guān)瞬間紅外輻射信號(hào)脈沖峰值來(lái)確定溫度的測(cè)溫儀(如美國(guó)專利4,797,840)而言，因?yàn)楫?dāng)目標(biāo)溫度低于探測(cè)器環(huán)境溫度時(shí)，產(chǎn)生的是負(fù)信號(hào)，這使得處理電路十分復(fù)雜，以致很難測(cè)量比溫度計(jì)所處環(huán)境溫度低的目標(biāo)溫度。顯然，本發(fā)明的設(shè)計(jì)，既可以測(cè)高于溫度計(jì)環(huán)境的目標(biāo)的溫度，也可以測(cè)低于溫度計(jì)所處環(huán)境溫度的目標(biāo)的溫度，具有更廣泛的應(yīng)用意義。
圖1中5還包括常規(guī)的校準(zhǔn)電路。與被測(cè)目標(biāo)11的溫度呈線性關(guān)系的電壓信號(hào)可被一個(gè)峰值保持電路6保持它的電壓值，再通過(guò)一個(gè)常規(guī)的A/D變換及液晶顯示的數(shù)字電壓表7顯示出來(lái)。數(shù)字電壓表直接顯示出被測(cè)目標(biāo)的溫度值。
圖1中8為加有光欄的瞄準(zhǔn)用紅色發(fā)光二極管。人的口腔內(nèi)的溫度被認(rèn)為最正確地反映人的體溫，為了確定一個(gè)參考定標(biāo)點(diǎn)，本發(fā)明設(shè)計(jì)了用超高亮度，發(fā)射角為8°-12°的紅色發(fā)光二極管，通過(guò)一個(gè)圓孔光欄，在紅外透鏡前方15-20cm范圍內(nèi)形成一個(gè)直徑為1cm左右的鮮明的紅色光斑，它被調(diào)整到與紅外透鏡近似同軸，這樣光斑所在的位置(如對(duì)準(zhǔn)在人口腔內(nèi)舌面上后部)即透鏡匯聚其紅外輻射的目標(biāo)，也即將測(cè)得此處的溫度。
關(guān)于環(huán)境溫度的影響和測(cè)溫儀全部所用的元器件的的溫度穩(wěn)定性問(wèn)題，本發(fā)明是這樣解決的除熱電探測(cè)器、運(yùn)算放大器，非線性補(bǔ)償電路等設(shè)計(jì)中已采用了常規(guī)的溫度補(bǔ)償措施之外，整機(jī)的調(diào)試在20℃和40℃兩種環(huán)境溫度的恒溫箱中反復(fù)進(jìn)行，調(diào)成一致，并校準(zhǔn)。采用這種整機(jī)綜合恒溫調(diào)試的作法?？善胶飧鱾€(gè)元件的不同溫度響應(yīng)可能引起的偏差，取得最好的溫度補(bǔ)償結(jié)果，保證了使用精度。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種具有足夠高的精度和穩(wěn)定性的，完且不與人體接觸的，測(cè)量口腔溫度以確定體溫的，而且是低成本就可以制造的，非接觸式口腔紅外線電子體溫計(jì)。當(dāng)然，本發(fā)明的設(shè)計(jì)可以推廣應(yīng)用至包括醫(yī)療在內(nèi)的其它用途的非接觸式紅外測(cè)溫儀。只要不違背本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想，可以作出各種變型的紅外測(cè)溫儀。
權(quán)利要求
1.非接觸、口腔紅外線電子體溫計(jì)，包括外殼，在外殼內(nèi)有一電源9，開(kāi)關(guān)10放置在適當(dāng)位置，其特征是還包括匯聚所測(cè)物體紅外輻射的非球面透鏡1，所匯聚的紅外輻射經(jīng)調(diào)制器2斬波調(diào)制后入射到探測(cè)器3上，探測(cè)器3輸出的電信號(hào)經(jīng)電路處理，得到所測(cè)物體的溫度。
2.按權(quán)利要求1所述的非接觸、口腔紅外線電子體溫計(jì)，其特征是所說(shuō)的非球面透鏡1是拋物面透鏡。
3.按權(quán)利要求1所述的非接觸、口腔紅外線電子體溫計(jì)，其特征是所說(shuō)的調(diào)制器2包括鋼片21，固定在鋼片21上的磁性材料22置于繞組23和24的線圈框內(nèi)。
4.按權(quán)利要求1或3所述的非接觸、口腔紅外線電子體溫計(jì)，其特征是所說(shuō)的磁性材料22是釹鐵硼永磁材料。
5.按權(quán)利要求1或3所述的非接觸、口腔紅外線電子體溫計(jì)，其特征是所說(shuō)的電路是晶體管25。
6.按權(quán)利要求1所述的非接觸、口腔紅外線電子體溫計(jì)，其特征是所說(shuō)的探測(cè)器3是鉭酸鋰(LiTaO3)或鋯鈦酸鉛(PZT)熱釋電型探測(cè)器。
7.按權(quán)利要求1所述的非接觸、口腔紅外線電子體溫計(jì)，其特征是所說(shuō)的處理電路包括熱電探測(cè)器—場(chǎng)效應(yīng)管輸入電路4、同步峰值檢波電路5、峰值保持電路6和數(shù)字電壓表7。
8.按權(quán)利要求1或7所述的非接觸、口腔紅外線電子體溫計(jì)，其特征是所說(shuō)的場(chǎng)效應(yīng)管輸入電路是場(chǎng)效應(yīng)管32和36串接，熱釋電探測(cè)器3接在場(chǎng)效應(yīng)管32的柵、源極之間。
9.按權(quán)利要求1或7所述的非接觸、口腔紅外線電子體溫計(jì)，其特征是所說(shuō)的同步峰值檢波電路5包括用同步脈沖54控制場(chǎng)效應(yīng)管55的柵極。
10.按權(quán)利要求1所述的非接觸、口腔紅外線電子體溫計(jì)，其特征是在體溫計(jì)的前部有瞄準(zhǔn)用的發(fā)光二極管8。
11.按權(quán)利要求10所述的非接觸、口腔紅外線電子體溫計(jì)，其特征是發(fā)光二極管的發(fā)射角為8°----12°。
12.按權(quán)利要求3所述的非接觸、口腔紅外線電子體溫計(jì)，其特征是線圈23接晶體管25的集電極，線圈24接晶體管25的基極形成正反饋。
全文摘要
非接觸、口腔紅外線電子體溫計(jì),在外殼內(nèi)有一電源9,開(kāi)關(guān)10放置在適當(dāng)位置,還包括匯聚所測(cè)物體紅外輻射的非球面透鏡1,所匯聚的紅外輻射經(jīng)調(diào)制器2斬波調(diào)制后入射到探測(cè)器3上,探測(cè)器3輸出的電信號(hào)經(jīng)電路處理,得到所測(cè)物體的溫度。本發(fā)明測(cè)量時(shí)完全不與人體接觸,快速、準(zhǔn)確,既能測(cè)量比測(cè)溫儀所處環(huán)境溫度高的目標(biāo)的溫度;也能測(cè)量比測(cè)溫儀所處環(huán)境溫度低的目標(biāo)的溫度,非常適合現(xiàn)代衛(wèi)生的要求。
文檔編號(hào)G01K7/02GK1240932SQ9810273
公開(kāi)日2000年1月12日 申請(qǐng)日期1998年6月25日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月25日
發(fā)明者朱春才, 王樹(shù)鐸 申請(qǐng)人:王樹(shù)鐸