專利名稱：快速皮膚溫度計的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種測溫裝置，是一種接觸型快速測溫的快速溫度計，特別是一種能夠在溫度傳感器與皮膚接觸0.5秒到1秒鐘之間，測出人體皮膚溫度的快速皮膚溫度計。
常規的接觸型溫度計作溫度測量，都基于熱平衡原理，若測溫前待測溫物體的溫度較溫度計的溫度高，溫度計與待測溫物體接觸后，溫度計溫度的上升率與待測溫物體與溫度計之間的溫度差成正比，當待測溫物體的溫度恒定時，溫度計的溫度-時間曲線是一條以待測溫物體溫度為漸近線的指數曲線(見附
圖1虛線所示)。當曲線與漸近線之間的溫度差△T開始小于測量精度要求時，就認為二者溫度相等，所用的時間t。就是測溫時間，所以測溫后期時間拖得很長。在測量人體皮膚溫度中，由于溫度傳感器與皮膚接觸，使接觸處的皮膚在測溫一開始到以后的相當長一段時間內，因損失熱能而溫度下降，直到肌體內部傳出的熱能補償了此熱損失后，皮膚溫度才恢復到初始值。這個原因使得對皮膚測溫比對恒溫物體測溫的時間拖得更長。曾有人用降低溫度傳感器的質量、比熱容，減小溫度傳感器與皮膚間熱阻的辦法來縮短測溫時間，實現快速測溫，但都沒有成功。要實現快速測溫，只有使用動態測溫法。動態測溫法可以分作兩大類，一類是從描寫溫度傳感器的溫度狀態方程出發，著眼于對方程解的擬合、逼近，而后快速外推到時間趨于無窮時的溫度(即用熱平衡法測出的溫度)。溫度傳感器的溫度狀態方程是一個常微分方程，它的解是一個包含指數函數的曲線，用測量值對此曲線擬合、逼近，必需使用多點采樣的方法，如此總的測溫時間必然拖得較長，如文獻US4541734、EP0338076中述及的那樣。正是由于多點采樣，溫度傳感器與皮膚接觸時間較長，使皮膚有較大的溫度降，引出了另一個描寫皮膚溫度狀態的方程，導致一個微分方程組的解，使問題復雜化了。文獻EP0338076中詳細討論了這種情況。這種方法的另一缺點是計算中包含著時間變量，因此測量的時間間隔不能取得很短，否則測量精度會大幅度下降。動態測溫度的另一大類是直接從溫度傳感器的溫度狀態方程出發，不涉及方程的解、計算中沒有時間變量。因為方程中待測的皮膚溫度與溫度傳感器的實際溫度之差、同溫度傳感器在測量點處溫度對時間的微商值是比例關系，當比例系數固定后，就可用一點采樣的方法測出皮膚的溫度。采樣值中只有溫度傳感器的溫度值及其對時間的微商值，不明含時間，這使測量時間可以取得很短，達到了快速測溫的目的。前一類動態測溫度中使用了采樣值與方程解曲線的多點擬合、快速外推，要使用計算機，使得這種測溫裝置構造復雜、造價昂貴、不便普及。后一類動態測溫法可以用以運算放大器為基礎的模擬電路計算微商值，精度高且電路簡單，便于推廣實用。被測的人體皮膚溫度一般在0℃到45℃之間，溫區完全在本發明所選定的溫度傳感器的線性應用范圍之內，沒有非線性效應引來的麻煩，也就沒有文獻《熱物理專輯》(清華大學工程熱物理教研室，1981)中述及的需用多點采樣、最小二乘法計算，從而無法進一步縮短測量時間的麻煩。
本發明的任務是直接從溫度傳感器的溫度狀態方程出發，使用動態測溫法，研制出穩定、廉價、結構簡單和使用方便的秒級以下測溫時間、測溫面積可以小于10平方毫米的接觸型快速皮膚溫度計，對人體皮膚溫度的空間分布和時間變化作出快速測量。
附圖1是說明常規測溫與快速測溫的區別的示意圖。
本發明的任務以如下方法完成根據傳熱理論可知，當溫度計與某一待測溫物體接觸時，溫度計的溫度狀態由一階線性微分方程mc·dT/dt＝k(Te-T)描寫。式中m是溫度計的質量，c是溫度計的比熱容，Te是待測溫物體的溫度，T是溫度計的溫度，k是溫度計與待測溫物體間熱阻的倒數。可見待測溫度Te與溫度計溫度T之差等于mc/k·dT/dt。在快速皮膚溫度計中，溫度傳感器裝在一圓管的頭部。用測溫操作中要求圓管必需與皮膚垂直接觸的辦法，來保證溫度傳感器與皮膚的接觸面積在各次測量中保持為一恒定值;再用一個彈簧壓力機構(詳見后面探頭結構的說明)，保證溫度傳感器與皮膚間的壓力在各次測量中保持為一恒定值。以這兩個恒定值保證溫度傳感器與皮膚間的熱阻在各次測量中為一常數。從而保證了各次測量中mc/k為一常數。使用運算放大器組成的有源微分器，可以用改變某些參考的方法，將它算出的微商數值調整到mc/k·dT/dt的數值上。在測量皮膚溫度時，都是溫度傳感器的溫度低于皮膚溫度。在整個測量過程中溫度傳感器的溫度單調上升，而溫度的導數單調下降。在從采樣點開始直到無窮的時間區間內，采樣點處的溫度微商是極大值。用一個峰值保持器易于將此采樣點處的溫度微商值取出，再將此值與采樣點處的溫度傳感器的溫度值相加，就得到了待測的皮膚溫度。這是一種動態測溫法。它不要求多點采樣、曲線擬合、快速外推，也不要求溫度傳感器與皮膚的溫度相等，而是可以相差很大，關鍵是能快速測出這個差值。在實際測量中，溫度傳感器的溫度變化可以取任意值，一般取得很小(有時取到1℃以下)，以便將測溫時間t1取得很短(本發明中測溫時間取為350毫秒)，如附圖1中測溫初期溫度曲線上的實線所示。從實驗中得到，對同一溫度傳感器，常規測溫和快速測溫二者的測溫時間可以差到幾百倍到幾萬倍(102～104倍)。
附圖2是快速皮膚溫度計的電路框圖。
本發明使用了附圖2所示的電路框圖規定的電路，實現了對人體皮膚的快速測溫。其中1是溫度傳感器，2是放大器，3是AD轉換器與驅動器，4是數字顯示器，5是微分器，6是放大器，7是溫度采樣保持器，8是峰值保持器，9是加法器，10是微分觸發器，11、12是溫度采樣保持器和峰值保持器的清零線，13是開關電路，14、15是狀態切換開關的控制線。兩個狀態切換開關互補。
附圖3是快速皮膚溫度計溫度探頭的剖面示意圖。
附圖4是快速皮膚溫度計的原理電路圖。
下面結合圖3、圖4對快速皮膚溫度計作詳細說明。
快速皮膚溫度計探頭中的溫度傳感器采用在-55℃～+155℃溫區內溫度-輸出電壓關系線性良好的半導體感溫元件。參照圖3可看出溫度計探頭的結構溫度傳感器1裝在銅管6的頭部，此銅管可在以螺紋連接的兩個塑料外套2、3中沿管軸作軸向運動，銅管由彈簧5向溫度傳感器方向加壓，并由固定在銅管上的限位環4限位，用以保證溫度傳感器與皮膚可靠接觸。溫度傳感器被壓到塑料外套頭部的位置且不能再向后運動時，溫度傳感器與皮膚間的壓力由彈簧力決定為某一恒定值，以此來保證在各次測量中溫度傳感器與皮膚間的熱阻為一常數。
參照圖4可以看出電路的具體安排。由基準電壓源IC1(LM336-2.5)向雙運算放大器LM358的兩個運算放大器IC2、IC3以及兩個晶體三極管T1、T2組成的兩個恒流源供給基準電壓。一路向溫度傳感器提供一個穩定的100μA電流，另一路向差分放大器IC4提供一個穩定的參考電壓。IC4是低漂移運算放大器OP07，它組成一個高抗共模干擾的差分放大器。測量結果由三位半數字單片AD轉換器和液晶顯示驅動器芯片ICL7106用液晶顯示器顯示。如此，組成一個常規的以熱平衡原理為基礎的數字溫度計。
快速計算部分由附加電路組成。當溫度傳感器與皮膚接觸、溫度傳感器的溫度突變時，由IC8組成的微分電路將此突變信號變成一個啟動脈沖，去觸發由IC9與T3以及IC10與T4組成的兩個單穩態延時電路，使之進入暫穩態，用這兩個暫穩態的暫穩時間決定集成芯片CD4066各開關的啟閉，使整個電路從常規測溫狀態切換到快速測溫狀態。快速測溫部分由低漂移運算放大器IC5(OP07)組成的線性微分器和加法器以及由雙運算放大器TL072的兩個運算放大器IC6、IC7組成的峰值保持器、溫度采樣保持器組成。峰值保持器和溫度采樣保持器清零后，溫度計又從快速測溫狀態自動切換回到常規測溫狀態。IC11是用運算放大器組成的與門，用以驅動指示燈。IC8、IC9、IC10、IC11是四運算放大器LM324的各部分。各集成電路芯片的電源供給圖繪于電路圖左側。除去CD4066是單電源外，其他集成電路芯片均是正負電源供電。
本發明在快速測溫中操作時間很短，溫度傳感器與皮膚接觸時間可以短到0.5秒以下(但需大于350毫秒)，皮膚在測溫過程中的熱損失很小，溫度降也很小，測量結果更接近于皮膚在未測溫時的真實溫度。又由于溫度傳感器的面積只有7平方毫米，故可以對小面積皮膚作出快速測溫。本發明可以快速測出皮膚溫度的空間分布和時間變化，而且穩定、可靠、使用方便，可以為醫學科學的某些領域提供一種新的診斷手段。
權利要求
1.一種接觸型快速皮膚溫度計，該溫度計由溫度探頭和一個直接從聯系溫度傳感器的質量m，溫度傳感器的比熱容c，溫度傳感器的實際溫度T，溫度傳感器的溫度上升率dT/dt，待測的皮膚溫度Te以及溫度傳感器與皮膚之間熱阻1/k這幾個參量間關系的溫度傳感器的溫度狀態方程出發，用一點采樣快速算出溫度傳感器與皮膚之間溫度差，并從而快速算出待測的皮膚溫度的快速測量電路組成，其特征在于a)有一個在圓管頭部安裝了溫度傳感器，并在測溫操作中要求此圓管從垂直方向與皮膚接觸、由一個彈簧壓力機構保證在多次測溫操作中溫度傳感器與皮膚之間的接觸面積及壓力均各為恒定值，從而保證了在多次測溫操作中溫度傳感器與皮膚之間的熱阻為恒定值的快速皮膚溫度計溫度探頭，b)有一個利用測溫過程中溫度傳感器的溫度對時間導數是單調下降函數、每一個采樣點處的溫度對時間的微商值都是從采樣點開始直到無窮的時間區間內微商值的極大值這一特點的峰值保持器，這個峰值保持器可以準確地取出溫度傳感器在采樣點處的微商值，c)有一個作模擬微分運算、并可用改變電路參數的辦法來調整微分數值的有源微分器，通過它可以用一點采樣的方法直接從溫度傳感器的溫度狀態方程mc·dT/dt=k(Te-T)出發，從微分值算出皮膚溫度與傳感器的實際溫度之間的溫度差Te-T=mc/k·dT/dt的數值，它還是可以將此溫度差與溫度傳感器的溫度作加法運算的加法器，從而可以快速計算出皮膚溫度的數值。
2.根據權利要求1所述的快速皮膚溫度計，其特征在于所使用的作模擬微分運算和加法運算的有源微分器和加法器由一個單運算放大器組成，這使得快速測溫電路得以簡化，測量精度得以提高。
3.根據權利要求1所述的快速皮膚溫度計，其特征在于所使用的峰值保持器由兩個場效應輸入的運算放大器和開關二極管組成，它還有溫度值采樣保持的功能，這使得快測電路得以簡化。
全文摘要
本發明公開了一種用動態測溫法設計出的接觸型快速皮膚溫度計裝置。它可以在溫度傳感器與皮膚接觸0.5秒到1秒鐘之間，測出人體皮膚的溫度。本溫度計由可以快速算出待測的皮膚溫度與傳感器實際溫度間溫差的計算電路和加法電路組成。它可以在測溫操作開始后很短的時間內，快速算出皮膚的溫度。本發明可以快速測量出人體皮膚溫度的空間分布和時間變化，為醫學科學的某些領域提供一種新的診斷手段。
文檔編號G01K7/16GK1075205SQ9211421
公開日1993年8月11日 申請日期1992年12月11日 優先權日1992年12月11日
發明者張云鶚 申請人:中國康復研究中心
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
