關(guān)于穿戴式體溫監(jiān)測感知節(jié)點(diǎn)的研究

章樂毅

摘 要 體溫的測量需要通過溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)。不同的溫度傳感器影響體溫測量的精度和穩(wěn)定性，本文通過各種類型的傳感器的比較探討，給體溫監(jiān)測提供了多種方法可能。

關(guān)鍵詞 體溫檢測;傳感器;精度;快速測量

引言

隨著科技水平的進(jìn)步，人類壽命的延長，人們對自身的健康日益關(guān)注，人們對健康的認(rèn)識化在發(fā)生改變：健康不僅是指身體沒有疾病， 更是一種與體質(zhì)、環(huán)境、心理密切相關(guān)的狀態(tài)。體溫是一個重要的生理參數(shù)，病人的體溫為醫(yī)生提供了生理狀態(tài)的重要信息。

1 溫度傳感器

1.1 基本溫度傳感器的介紹

（1）熱電偶傳感器

熱電偶溫度傳感器是基于熱電效應(yīng)原理的測溫傳感器。將兩種不同的金屬絲一端熔合起來，如果給它們的連接點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)之間提供不同的溫度，就會產(chǎn)生電壓，即熱電勢。這種現(xiàn)象叫作塞貝克效應(yīng)。

熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。其優(yōu)點(diǎn)是：

1）測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。

2）測量范圍廣。測溫范圍極寬、從-270℃的極低溫度到2600℃的超高溫度都可以測量，而且在600℃～2000℃的溫度范圍內(nèi)可以進(jìn)行精確的測量（600℃以下時(shí)，鉑電阻的測量精度更高）。某些特殊熱電偶最低可測到-269℃（如金鐵鎳鉻），最高可達(dá)+2800℃（如鎢-錸）。

3）構(gòu)造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來非常方便。

4）測溫精度高、準(zhǔn)確、可靠、性能穩(wěn)定、熱慣性小。通常用于高溫爐的測量和快速測量方面。

但是熱電偶傳感器靈敏度比較低，容易受到環(huán)境干擾信號的影響，也容易受到前置放大器溫度漂移的影響，因此不適合測量微小的溫度變化[1]。

5）熱電偶的種類

常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶 我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。

6）熱電偶的結(jié)構(gòu)形式。為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作，對它的結(jié)構(gòu)要求如下：

a.組成熱電偶的兩個熱電極的焊接必須牢固。

b.兩個熱電極彼此之間應(yīng)很好地絕緣，以防短路。

c.補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶自由端的連接要方便可靠。

d. 保護(hù)套管應(yīng)能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。

7）熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償

由于熱電偶的材料一般都比較貴重（特別是采用貴金屬時(shí)），而測溫點(diǎn)到儀表的距離都很遠(yuǎn)，為了節(jié)省熱 電偶材料，降低成本，通常采用補(bǔ)償導(dǎo)線把熱電偶的冷 端（自由端）延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi)，連接到 儀表端子上。

（2）電阻式溫度傳感器

1）熱電阻溫度傳感器

熱電阻溫度傳感器是利用純金屬、合金和半導(dǎo)體材料的電阻隨溫度變化的特性，對溫度和溫度有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行檢測的裝置。它的主要特點(diǎn)是測量精度高，性能穩(wěn)定。它分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻兩大類。

2）熱敏電阻溫度傳感器

高精度熱敏電阻溫度傳感器使用的主要元件是熱敏電阻。熱敏電阻的物理特性是其電阻值隨著溫度變化而顯著變化，又分為兩種：一種是電阻值隨溫度的升高而增大，稱為正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）;另一種是電阻值隨溫度的升高而減小，稱為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）。在一定溫度范圍內(nèi)，NTC熱敏半導(dǎo)體陶瓷的電阻率對溫度具有明顯的敏感性，電阻率隨溫度升高而急劇減小。

（3）半導(dǎo)體溫度傳感器

PN結(jié)半導(dǎo)體溫度傳感器是利用半導(dǎo)體PN結(jié)的溫度特性制成的。 其工作原理是PN結(jié)兩端的電壓隨著溫度的升高而減少。PN結(jié)溫度傳感器則具有靈敏度高、線性好、熱響應(yīng)快和體積輕巧等特點(diǎn)，尤其是溫度數(shù)字化、溫度控制以及用微機(jī)進(jìn)行溫度實(shí)時(shí)訊號處理等方面，乃是其他溫度傳感器所不能比擬的。

1.2 近年來溫度測量技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)

（1）溫度傳感功能薄膜技術(shù)

薄膜溫度傳感器是隨著薄膜技術(shù)的成熟而發(fā)展起來的一種新型微傳感器，具有體積小、熱動態(tài)響應(yīng)時(shí)間短、靈敏度高、便于集成等特點(diǎn)。它可以替代傳統(tǒng)的溫度傳感器，而且更適用于物體表面快速和小間隙場所的溫度測量。

（2）熱電偶材料性能的提高

在熱電偶絲材料方面，一些類型的熱電偶性能得到了提高，并出現(xiàn)了一些新型熱電偶類型。

1）N型熱電偶越來越受到重視。與K型熱電偶相比，N型熱電偶的高溫穩(wěn)定性與使用壽命均明顯提高。

2）鎢錸熱電偶抗氧化技術(shù)得到了發(fā)展，拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域。主要是采用熱電偶絲材鍍膜或采用高致密保護(hù)套管隔絕等技術(shù)，可以延長鎢錸熱電偶在氧化氣氛下的使用時(shí)間，使之不局限在還原條件下使用，可在一定程度上取代鉑銠等貴金屬熱電偶。

3）一些非標(biāo)準(zhǔn)分度的金屬、非金屬熱電偶正在研制并逐步得到應(yīng)用。為了提高溫度測量上限，一些非標(biāo)準(zhǔn)分度的鉑銠、銥銠等貴金屬熱電偶已經(jīng)在工程上得到應(yīng)用。

（3）光纖測溫技術(shù)

光纖溫度傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，待測參數(shù)溫度與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長、頻率、相位等）發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的信號光。再經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。

①分布式光纖溫度傳感器

分布式光纖溫度傳感器，通常用在檢測空間溫度分布的系統(tǒng)，其原理的發(fā)展是基于三種傳感器的研究，分別是瑞利散射、布里淵散射、喇曼散射。在瑞利散射（OTDR）和布里淵散射（OTDR）的研究已取得了很大的進(jìn)展，因此未來的傳感器研究熱點(diǎn)，將放在對基于喇曼散射（OTDR）的新分布式光纖傳感器的研究上。土耳其Gunes Yilmaz開發(fā)出了一種分布式光纖溫度傳感器，此傳感器的溫度分辨率是10C，空間分辨率是1.23m。

②干涉型光纖溫度傳感器

干涉型光纖溫度傳感器是一種相位調(diào)制型光纖傳感器。它是利用溫度改變Mach- Zehnder 干涉儀、Fabry- Perot 干涉儀、Sagnac 干涉儀等一些干涉儀的干涉條紋來外界測量溫度。

③半導(dǎo)體吸收型光纖溫度傳感器

利用半導(dǎo)體材料的吸收光譜隨溫度變化而變化的特性實(shí)現(xiàn)的。光通過半導(dǎo)體材料時(shí)，材料會吸收一部分光子能量，當(dāng)光子能量超過半導(dǎo)體禁帶寬度能量Eg（T）時(shí)，傳輸光的波長發(fā)生變化，由于禁帶寬度隨溫度的變化而變化，因此半導(dǎo)體材料吸收的波長會隨溫度而變化，同時(shí)進(jìn)入半導(dǎo)體材料的光強(qiáng)將發(fā)生變化。

④光纖光柵溫度傳感器

光纖光柵溫度傳感器的工作原理是當(dāng)光纖光柵所處環(huán)境的溫度發(fā)生變化時(shí)，光柵的周期或纖芯折射率將發(fā)生變化，從而使發(fā)射光的波長發(fā)生變化，通過測量溫度變化前后反射光波長的變化，就可以獲得溫度的變化情況。

（4）輻射測溫技術(shù)

輻射式濕度傳感器利用一定溫度物體的熱輻射原理制成的，輻射能隨物體溫度的變化而變化。在應(yīng)用輻射式溫度傳感器檢測溫度時(shí)，只需把傳感器對準(zhǔn)被測物體，不必與被測物體直接接觸，屬于非接觸測溫。它不會破壞被測對象的溫度場，可測量運(yùn)動物體的溫度和小的被測對象的溫度;傳感器或熱輻射能探測器不必達(dá)到與被測對象同樣的溫度，測溫上限不受傳感器材料熔點(diǎn)的限制;屬于被動式溫度測量（即無須電源）;檢測時(shí)傳感器不必和被測對象達(dá)到熱平衡，響應(yīng)時(shí)間短，檢測速度快，適于快速測溫[2]。

2 結(jié)束語

體溫是反映人體健康狀況的重要指標(biāo)之一，是進(jìn)行新陳代謝和正常生命活動的必要條件，也是臨床最常用的診斷指標(biāo)。體溫的變化提示多種疾病的變化、轉(zhuǎn)歸。準(zhǔn)確的體溫測量數(shù)據(jù)可為臨床診斷和治療提供重要依據(jù)同時(shí)也為制定護(hù)理措施提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]Chen Y，Zhang H，Wang N. Body temperature monitor and alarm system used in hospital based on 1-wire and wireless communication technology[C].International Workshop on Education Technology & Training & International Workshop on Geoscience & Remote Sensing. IEEE Computer Society，2008：401-404.

[2] 沙占友.智能溫度傳感器的發(fā)展趨勢[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2002，（5）：6-7.