1、畢業設計（論文）畢業設計（論文） 題題 目目: 2700 用于人體皮膚溫度的測量 專專業業: 精密儀器制造與維修 班班級級: 學學號號: 姓姓名名: 指導老師指導老師: 摘摘 要要 皮膚溫度是一個敏感的指標，與人的溫熱感覺、脈搏變化基本上是相平行的，因此 是評價小氣候對人體影響的常用生理指標。由于在同一環境中機體各部位的皮膚溫度 可能相差很大，如何準確、有效地測量其溫度就極為重要。本文介紹了采用美國 keithley 儀器公司的 2700 數字多用表對人體皮膚溫度進行準確有效地測量的方案。測 溫的關鍵是：安裝配置 7700 多路開關模塊，多通道測量人體不同部位的皮膚溫度；選 擇合適的傳感器進行

2、合理的連接，以達到所要求的精度；安裝使用 integra up running 軟件，測量并記錄所測數據。 關鍵字： 皮膚溫度 2700 7700 多路開關模塊 傳感器 integra up running 軟件 abstract skin temperature is a sensitive indicator, the warm feeling the pulse of change is basically parallel, it is to evaluate climate on human physiological effects of commonly used indicat

3、ors. as in the same environment of the body parts of the skin temperature can vary enormously, how accurate, effective measurement of the temperature becomes very important. this paper describes the equipment used by the u.s. keithleys 2700 digital multimeter to human skin temperature accurate measu

4、rement of the effective program. temperature is the key : the installation of more than 7,700 road configuration switch modules, multi-channel measurement of the human body in different parts of the skin temperature; choose a suitable sensor reasonable link to reach the required precision; integra i

5、nstallation up & running software, measuring and recording the measured data. keywords:keywords: skin temperature 2700 7700 multi-sensor switch module integra up & running software 目錄 摘 要.i abstract.ii 目錄 .iii 第 1 章 緒 論 .1 1.1 人體皮膚溫度.1 1.2 測量體溫的方法.2 1.2.1 傳統測溫.2 1.2.2 紅外測溫法 .3 第 2 章 keithley 2700 的特

6、性及掃描原理.5 2.1 特性 .5 2.2 掃描.6 2.2.1 掃描原理 .6 2.2.2 通道分配 .7 2.2.3 掃描過程 .7 2.2.4 觸發方式 .7 2.2.5 掃描配置 .10 第 3 章 2700 測皮溫系統組成及原理 .12 3.1 系統組成.12 3.2 測溫原理.13 3.3 2700 測皮溫的優點.14 第 4 章 傳感器的選擇 .15 4.1 傳感器的概念 .15 4.2 熱電偶的類型 .16 第 5 章 系統測溫過程 .17 5.1 安裝 7700 模塊.17 5.1.1 簡述 .17 5.1.2 原理圖 .17 5.1.3 連接和安裝 .19 5.2 熱電偶

7、的連接 .20 5.3 在計算機上安裝 integra up running 軟件.21 5.4 具體操作.21 5.4.1 上電開機過程 .22 5.4.2 設置量程 .22 5.4.3 設定位數 .22 5.4.4 設置速度和帶寬 .23 5.4.5 設置濾波器 .23 5.4.6 通道信號的測試 .26 5.4.7 integra up running 軟件的設置.27 5.4.7 掃描及讀數 .30 5.4.8數據存盤.31 6 測溫過程應注意的幾個問題 .32 6.1 預熱.32 6.2 自動校零.32 6.3 lsync（與電源周期的同步）.32 結 論 .34 致 謝 .35 參

8、 考 文 獻 .36 第 1 章 緒 論 1.11.1 人體皮膚溫度人體皮膚溫度 研究表明，人體不同部位的溫度是不同的。代表人體真實溫度的是心臟和腦部的 血液溫度，叫基礎溫度或核心溫度（core temperature） ，記作 tc。這個溫度無法臨床測 量。 最接近基礎溫度的是人體內的肺動脈、膀胱內、食道內和鼓膜處的溫度，可近似 認為與基礎溫度相等，這叫局域溫度。除了鼓膜外，在日常測量中也是很難測量的。 在日常體溫測量中，是測量人體口腔（即舌下） 、直腸（肛門內）或腋下的溫度， 分別記作 to、tr 和 ta。這些部位的溫度容易測量，也相當穩定。但這些局部的溫度都 互不相同，而且與基礎溫度有

9、較大的差別，不代表人體的真實溫度。不同的人這些溫 度與基礎溫度的差別也是不同的。文獻報道，口腔溫度 to 平均比肺動脈溫度低 0.4， 腋下溫度 ta 平均比肺動脈溫度低 0.7。傳統上人們習慣把口腔溫度 to 作為體溫的代 表，或稱為體溫的參照溫度，以 to=37.0作為發燒與否的參照標準。 圖 1.1 人體不同部位溫度 當然也可以測量皮膚表面的溫度（如額頭溫度）來作為體溫參照溫度，記作 ts。 但 ts 是不穩定、不確定的一個值，很難準確測量。不論我們測量哪一個部位的溫度 （to、ta、tr 或 ts） ，他們與核心溫度 tc 都有差別，這個溫度差別是由人體生理因素形 成的,叫做生理差別。

10、 人體的溫度分為體表溫度和深部溫度。人體的皮膚溫度屬于體表溫度，它散熱較 多較快，容易隨著環境溫度的變化而發生變化，很不穩定。通常將機體深部的平均溫 度稱為體溫（body temperature） 。正常情況下，人體通過體溫調節系統，使體溫保持相 對穩定。體溫的相對穩定是維持內環境穩態的重要因素之一。 體表的最外層，即皮膚表面，其溫度稱為皮膚溫，記作 ts。皮膚內含有豐富的血 管，凡能影響皮膚血管舒縮的因素都能改變皮膚的溫度。在寒冷的環境中，隨著氣溫 的下降，四肢末梢（手和足）的皮膚溫度顯著降低，而頭部皮膚溫的變動相對比較少。 在通常情況下，當氣溫降低時，人體皮下毛細血管使通過的血流量減少，皮

11、膚溫度下 降，散熱量減少。當氣溫升高時，皮下毛細血管擴張，皮膚溫度升高，散熱量增加。 當氣溫為 18、20c 時，皮膚溫度基本上沒有變化，表明在此溫度范圍內，機體和外界 環境維持著良好的熱平衡。 一些研究資料表明，當室溫在 17-22c 時，胸部皮膚溫度很穩定（34.5-34.7c） ； 當室溫降至 17c 以下時，胸部皮膚溫度逐漸下降；當室溫升至 22c 以上時，胸部皮 膚溫度逐漸上升；手背的皮膚溫度始終隨著氣溫的變化而有相應的變化，這表明當室 溫在 17c 以上或 22c 以下時，只靠裸露部位皮膚的調節已不能很好的維持機體的熱 平衡， 未裸露的皮膚溫度也開始變化以保持機體的熱平衡，亦即機體

12、的體溫調節開始逐 漸緊張。皮膚溫度在隨室溫的下降而下降的調節的過程中，當室溫下降至 9-13c 時， 皮膚溫度出現一次回升現象，反映機體在寒冷刺激下熱調節的緊張。在空氣溫度上升 到 32c 以上時，人體出汗開始顯著增加，當氣溫超過 33c 時，汗液蒸發幾乎成為唯 一的散熱方式。機體大量出汗時，皮膚溫度即不再上升，甚至略有下降。 1.2 測量體溫的方測量體溫的方法法 1.2.1 傳統測溫 傳統的體溫測量是用醫用玻璃液體溫度計（俗稱體溫表） 、醫用電子接觸式溫度計 （常用熱敏電阻作為它的感溫元件）等插入人體內部（舌下、直腸）或置于腋下，通 過接觸使溫度計的溫度等于被測處的溫度。 水銀體溫計是由一根

13、有刻度的真空玻璃毛細菅構成。其末端有貯液槽，內盛水銀。 當水銀槽受熱后，水銀膨脹而沿著毛細管上升，其高度和受熱程度成正比。體溫表的 毛細管下端和水銀槽之間有一凹縮處，可使水銀柱遇冷不致下降。體溫計和刻度為 3542，每 1之間分成 10 小格，每一小格表示 0.1，在相當于 0.5和 1的地 方用較粗且長的線標示。在 37處則染以紅色。 電子體溫計（充電式）采用電子感溫探頭來測量溫度，測得的溫度直接由數字顯 示，讀數直觀，測溫準確，靈敏度高。使用時只需將探頭放入外套內，外套使用后丟 棄。探頭須插入外套頂端，置探頭于病人的測量部位，如舌下熱窩處維持 60 秒，即可 讀數字。 化學點狀體溫計內有若

14、干化學單位，在 45 秒內能按特定的溫度來改變體溫表上點 狀的顏色。當顏色點從白色變成綠色或藍色時，即為所測的體溫。該體溫表用后即丟 棄，可避免交叉感染。 接觸式醫用溫度計的優點是它本身很準確，很穩定，儀表的誤差不超過 0.1。它 們容易使用，便宜，可作醫療使用，也可作家用。其缺點是測量的速度慢（約 2 分鐘 以上） ，玻璃液體溫度計還易碎。 1.2.2 紅外測溫法 任何有一定溫度的物體，都會以電磁波的形式向外界輻射出能量。所輻射能量的 大小，直接與該物體的溫度有關，具體地說是與該物體熱力學溫度的 4 次方成正比， 用公式可表達為： 式中：e 輻射出射度，w/m3； 斯蒂芬波爾茲曼常數，5.6

15、710-8 w/(m2k4)； 物體的輻射率； t 物體的溫度，k； t0物體周圍的環境溫度，k。 測量出所發射的 e，就可得出溫度。 利用這個原理制成的溫度測量儀表叫紅外溫度儀表。這種測量不需要與被測對象 接觸，因此屬于非接觸式測量。紅外溫度儀表可用于很寬溫度范圍的測溫，從50 直至高于 3000。在不同的溫度范圍，對象發出的電磁波能量的波長分布不同，在常 溫（0100）范圍，能量主要集中在中紅外和遠紅外波長。用于不同溫度范圍和用 于不同測量對象的儀表，其具體的設計也不同。 紅外溫度計最簡單的原理圖如圖 1.2 所示。 圖 1.2 紅外溫度計原理框圖 圖中：主光學系統有兩個作用：a）把被測處

16、的紅外線集中到檢測元件上；b）把 進入儀表的紅外線發射面限制在固定范圍內。檢測元件把紅外線能量轉換為電信號。 信號處理單元把檢測元件輸出的信號，用電子技術和計算機技術進行處理，變成人們 需要的各種模擬量和數字量信息。顯示單元把處理過的信號變成人們可閱讀的數字或 畫面。瞄準系統用于瞄準（或指示）被測部位。 紅外測溫法的優缺點： 優點： 與被測對象不接觸，在測體溫時不會造成不必要的感染； 快速。通常測量時間小于 1s，一般不會超過 2s。 缺點： 儀表本身準確度不如接觸式的醫用溫度計，通常不會優于 0.2； 測量結果受許多因素影響，重要的是被測對象輻射率不確定性，不容易測出被 測對象實際溫度；測量

17、距離變化和環境溫度變化也會帶來誤差； 第 2 章 keithley 2700 的特性及掃描原理 2.12.1 特性特性 2700 為一臺 6 12 高性能數字多用表數據采集系統，可以測直流、交流電壓電流、 2 線4 線電阻、熱電偶、熱敏電阻和 4 線 rtd 測溫，也可測頻率、周期和導通。 2700 后面板有 2 個插槽，可插入 7700 系列的各種模塊模塊上任何一個閉合或掃描 的通道可由 2700 來進行測量，對于掃描方式，每一通道可分別定義測量功能，量程及 分辨率等參數。 77007702770377057706 雙刀開關20 路40 路32 路-20 路 四線開關10 路20 路16 路

18、-10 路 單刀開關-40 路- 測量電壓300v 最大300v 最 大 300v 最大300v 最大300v 最大 測量電流ch 和 223a 最大 ch41 和 423a 最 大 - 測量電阻2/4 線2/4 線2/4 線- 冷端補償有-有 接頭類型螺釘端子螺釘端子雙 db-50 插座 雙 db-50 插座微型螺釘端 子 其 他全部數字表 功能 全部數字 表功能 全部數字表 功能,干簧 繼電器 多路閉合16 路數字 輸出,2 路模 擬輸出,1 路 計數器/累 加器 表 1 7700 系列開關模塊 通過程控命令 system：cardx，可查詢插入 2700 內的開關模塊的下列信息： 序列號

19、和硬件版本 最大允許電壓 支持多路復用或是孤立開關模式 測溫是否支持冷端補償 哪些通道用作電壓 2 線測量 哪些用作電流測量 哪些通道用作模擬量或者數字量輸出 確定累加器通道 2700 的特性還包括： 開機狀態設置6 種 偏置補償測量用于四線電阻測量,二步測量以消除熱電勢的影響。 計算功能mx+b 和百分比計算 相對測量偏置歸零或建立基線值進行相對測量 比例與平均對 2 個切換通道做比例和平均值測量 緩沖器可存儲 550000 個讀數 極限可設置雙高限，雙低限。 開關量輸入/輸出口5 路開關量（極限測試）輸出可用于控制外部電路， pin6 也可用做外部觸發輸入。 監控功能2700 可監控某一選

20、定的通道，比如該信號達到設定的極限 值，就觸發一次掃描測試。 程控接口ieee-488 接口和 rs-232 接口均可。 2.22.2 掃描掃描 2.2.1 掃描原理 2700 能夠掃描一到兩塊 keithley 開關卡的通道。每一個通道都能獨立設置。可獨 立設置的操作項目包括功能、量程、速度、交流帶寬、相對、濾波、顯示位數、數學 計算、偏置補償、溫度傳感器、極限、通道平均、通道比例和電壓分貝等。 掃描通道的讀數自動地存儲在緩存器中。當使用自動清除功能（缺省設置） ，掃描 開始時，緩存器清除。否則，掃描讀數被添加到緩存器中。 2.2.2 通道分配 開關卡有一個確定的通道數。例如：7700 型開

21、關卡有 22 個通道（1 到 22） 。一個 掃描卡能安裝在主機兩個槽中的任何一個。因此，開關或掃描通道時必須指定開關卡 的槽位置和通道號。2700 采用三位數表示一個通道，第一位（1 或 2）表示開關卡所在 的槽數，后兩位指示開關卡的通道號。例如： 通道 101 槽 1，第 1 個通道。 通道 112 槽 1，第 12 個通道。 通道 220 槽 2，第 20 個通道。 2.2.3 掃描過程 基本掃描對兩線測量功能，掃描完成后打開通道。 四線制測量對四線測量功能（四線電阻和四線 rtd 測溫） ，掃描時占用雙通 道。掃描完成后打開雙通道。 通道對計算比例和通道平均是由雙通道測量完成的，然后計

22、算并顯示結果。 因此，通道對計算也需要用成對通道。 2.2.4 觸發方式 下面的框圖闡述步進和掃描兩種基本的掃描操作。見圖 2.1 和圖 2.2。 圖 2.1 步進（step）功能的觸發方式 步進操作概述進行“step”操作時，2700 離開空閑狀態，關閉第一個通道， 等待事件觸發。檢測到觸發后，儀器可能在執行測量之前受一個以上的延時影響。在 讀數讀取并存儲在緩沖器之后，2700 輸出一個觸發脈沖，打開關閉的通道，然后關閉 掃描表中的下一個通道，儀器將等待下一個觸發事件并進行測量。直到掃描完最后一 個通道，關閉掃描表中第一個通道，儀器返回到空閑狀態。 掃描操作概述當進行“sacn”操作時，27

23、00 脫離空閑狀態，關閉第一個通 道，等待事件觸發。檢測到觸發后，儀器可能在執行測量之前受一個以上的延時影響。 讀數被讀取并存儲在緩沖器之后，2700 打開關閉的通道，并且關閉掃描表中下一個通 道，上述操作循環進行直至掃描表中的所有通道測量完畢。當掃描表中最后一個通道 測量完后，2700 輸出一個觸發脈沖。 如果程序要求再次對掃描表中的各通道進行掃描，2700 將在控制源（control source)處等待下一個觸發事件。再次測量所有掃描表中通道后，2700 輸出下一個觸發 脈沖。完成所有程序中要求的掃描后，儀器關閉掃描表中第一個通道，返回到空閑狀 態。 圖 2.2 掃描（scan）功能的觸

24、發方式 觸發方式中的各項組成的含義如下： 空閑（idel）掃描被使用時，操作進入空閑狀態，并立即落到觸發源控制中。 當測量完掃描表中最后通道后，操作返回到空閑狀態；當停止測量時，系統會關閉掃 描表中第一個通道。 控制源（control source)對于前面板，有三種控制源操作掃描：立即、定時、 和外部觸發。系統在選擇控制源處掛起，直至檢測到合適的觸發事件為止。 步進（step）操作當檢測到觸發事件時，測量一個通道。掃描指針循環到控 制源，并且等待下一個觸發事件發生。 掃描（scan）操作當檢測到觸發事件時，掃描表中所有通道被掃描。掃描指 針循環到控制源，并且等待下一個觸發事件。 立即控制源用

25、于立即觸發，事件檢測 (event detection）允許立即掃描通道。 定時控制源掃描過程一開始，計時就開始，并且事件檢測（event detection） 條件被滿足立即通過觸發進入下一步。每次到達用戶設置的定時間隔時均觸發一次。 如果定時間隔已到，且掃描指針已返回控制源，事件檢測（event detection）即被滿足， 操作立即繼續進行。 延時（delay）如觸發方式的圖中所示，在測量一個通道之前可能加一個或多 個延時。 自動延時或手動延時用戶能選擇自動延時或手動延時。用自動延時時，儀 器自動選擇一個延時時間，滿足功能和自動量程變化及多步測量所需的穩定時間。用 戶不能調整自動延時時

26、間。對于選定的功能和量程它是一個固定的延時。用手動延時， 用戶能夠設定延時周期從從 0 秒99 小時 99 分 99.99 秒。但如果設定一個延時短于相 應自動延時周期，那么測量不確定度就會增加（會產生噪聲或未測完的讀數） 。 比例/通道平均延時對于使用比例或通道平均，需要一個繼電器切換不太快 的典型延時。確省的延時周期是 0.5 秒，但它能通過遠控編程設定為 0999999.999 秒。 設備動作（device action）在此部分中，完成通道測量過程。如果使用重復 濾波，濾波過程也將完成。 2.2.5 掃描配置 儀器總是被配置為一個可用的掃描。開機時，每個通道按照開機確省設置來配置。 儀

27、器有兩個掃描配置：簡單和高級。當配置簡單掃描時，儀器用先有的設置掃描每個 通道。用高級掃描時，每個通道能夠有自己獨立的設置。 通道設置要考慮以下幾點： 相對對高級掃描使用相對，相對值必須在正常測量狀態下來采樣。 濾波掃描時不能使用移動式濾波，只能使用重復式濾波。如果一個（或幾個） 通道配置了移動式濾波，掃描時濾波將被關閉。 掛起用掃描時不可使用讀數掛起。不要在設置掃描通道中使用掛起，開始掃 描也必須關閉掛起。 對于高級掃描，每個使用的通道都有自己的獨立設置。不使用的通道從掃描表中 排除。 當進入通道設置菜單時，顯示的信息為被選擇通道的當前設置。在“setp”的小 數點位置表示當前的量程。 s.

28、etup v：101 表示 101 通道為 1v 量程。 se.tup ：102 表示 102 通道為 10k 量程。 set.up ma：121 表示 121 通道為 100ma 量程。 setup c：103 表示 103 通道為測溫功能。 setup hz：104 表示 104 通道為測頻功能。 setup s：105 表示 105 通道為測周期功能。 setup pr：111 對于 7700 型開關模塊，表示通道 111 是和 101 配對 的，這是不能改變的。 第 3 章 2700 測皮溫系統組成及原理 3.13.1 系統組成系統組成 該系統采用美國 keithley 儀器公司的 2

29、700 型數字多用表/數據采集系統（簡稱 2700）安裝一個 7700 多路開關模塊，實現對人體不同部位皮膚溫度的測量。 其系統由電源、2700、7700 開關模塊和傳感器組成，如圖 3.1。其方案思路為： 電源 keithley 2700 計算機 7700 開 關模塊 傳感器人體皮膚 rs-232 圖 3.1 測溫系統組成圖 人體不同部位的皮膚溫度不同，同一部位的皮膚溫度在不同環境下不相同，因此 會給研發實驗的測量帶來不少麻煩。作為數據采集系統，2700 具有遠遠高于 12-16bit 的分辨率，達到在研發實驗級別用到的 22bit.因而具有比一般采集系統更高的準確度、 靈敏度與重復性。其多

30、路切換速度很快，并具有多種控制功能，配上 7700 數據采集軟 件，作為高精度、穩定和高分辨率的數據記錄儀。 在此方案中，為確保高的準確度，傳感器的選擇極為重要。在可供選擇的傳感器 里，熱敏電阻是最靈敏的，熱電偶是最方便的，4 線 rtd 是最穩定的。為了方便，在系 統中選擇熱電偶作為傳感器。將熱電偶用虛擬參考結點方式連接到 7700 多路開關模塊 卡的通道上，另一端點分別粘在人體皮膚的腳、腿、手、臂、胸和額頭上，2700 用 rs-232 線連接電腦，即完成系統的連接。設置好儀器前面板的各項參數。 在計算機上安裝 integra up running 軟件，并進行設置，最后將掃描結果存 盤。

31、 3.23.2 測溫原理測溫原理 體表溫度是由局部的血流量、下層組織的導熱情況和表皮的散熱情況等多種因素 決定的，因此測量皮膚溫度要考慮多方面的影響。由于受到衣著、局部毛細血管的分 布、離心臟的遠近、局部汗腺分泌活動等因素的影響，身體各不同部位的皮膚溫度的 數值是不一樣的，而且隨著小氣候變化而變化的數值也不同。由于 ts 是不穩定、不確 定的一個值，因此需要測定某些有代表性的點的皮膚溫度來計算全身平均皮膚溫度。 一般可測定 3-7 點的皮膚溫度，按加權法計算平均皮膚溫度。 3 點法： t 平均皮溫 = 0.50t 胸+0.26t 小腿+0.14t 前臂 4 點法： t 平均皮溫 = 0.34t

32、 胸+0.33t 股+0.18t 大腿+0.15t 前臂 7 點法： t 平均皮溫 = 0.07t+0.35t 胸+0.19t 股+0.13t 小腿+0.07t 腳+0.14t 前臂 +0.05t 手 2700 可用作熱電偶、熱敏電阻和 4 線 rtd 完成溫度測量。在選擇溫度傳感器時， 應注意熱電偶是最方便的，熱敏電阻是最靈敏的，4 線 rtd 是最穩定的。通過 rs-232 接口與 pc 機連接，所有采集的數據能夠直接保存為.dat 文件，便于以后的數據分析。 當兩種不同金屬的導線連在一起時，會產生電動勢 ，該電動勢為溫度的函數，當 溫度變化時，電動勢也將隨之變化。因此熱電偶的每個電壓都和

33、一溫度（差）相對應， 這就是熱電偶測溫的基本原理。 3.33.3 27002700 測皮溫的優點測皮溫的優點 由于在同一環境中身體各不同部位的皮膚溫度可能不同，在測量皮膚溫度時要求 各測點能夠同時測量，這對數據采集器的要求較高。2700 各通道掃描的時間間隔最小 設置為 0.001 秒，能夠同時滿足皮膚溫度的測量要求。 2700 測溫度的優點是精度高，響應時間快，操作、使用便捷，能夠準確、快速的 測量人體皮膚溫度。 第 4 章 傳感器的選擇 4.14.1 傳感器的概念傳感器的概念 傳感器（sensor）是一種常見的卻又很重要的器件，它是感受規定的被測量的各種 量并按一定規律將其轉換為有用信號的

34、器件或裝置。對于傳感器來說，按照輸入的狀 態，輸入可以分成靜態量和動態量。我們可以根據在各個值的穩定狀態下，輸出量和 輸入量的關系得到傳感器的靜態特性。傳感器的靜態特性的主要指標有線性度、遲滯、 重復性、靈敏度和準確度等。傳感器的動態特性則指的是對于輸入量隨著時間變化的 響應特性。動態特性通常采用傳遞函數等自動控制的模型來描述。通常，傳感器接收 到的信號都有微弱的低頻信號，外界的干擾有的時候的幅度能夠超過被測量的信號， 因此消除串入的噪聲就成為了一項關鍵的傳感器技術。 物理傳感器是檢測物理量的傳感器。它是利用某些物理效應，把被測量的物理量 轉化成為便于處理的能量形式的信號的裝置。其輸出的信號和

35、輸入的信號有確定的關 系。主要的物理傳感器有光電式傳感器、壓電傳感器、壓阻式傳感器、電磁式傳感器、 熱電式傳感器、光導纖維傳感器等。作為例子，讓我們看看比較常用的光電式傳感器。 這種傳感器把光信號轉換成為電信號，它直接檢測來自物體的輻射信息，也可以轉換 其他物理量成為光信號。其主要的原理是光電效應：當光照射到物質上的時候，物質 上的電效應發生改變，這里的電效應包括電子發射、電導率和電位電流等。顯然，能 夠容易產生這樣效應的器件成為光電式傳感器的主要部件，比如說光敏電阻。這樣， 我們知道了光電傳感器的主要工作流程就是接受相應的光的照射，通過類似光敏電阻 這樣的器件把光能轉化成為電能，然后通過放大

36、和去噪聲的處理，就得到了所需要的 輸出的電信號。這里的輸出電信號和原始的光信號有一定的關系，通常是接近線性的 關系，這樣計算原始的光信號就不是很復雜了。其它的物理傳感器的原理都可以類比 于光電式傳感器。 物理傳感器的應用范圍是非常廣泛的，我們僅僅就生物醫學的角度來看看物理傳 感器的應用情況，之后不難推測物理傳感器在其他的方面也有重要的應用。熱電偶式 傳感器被較多的應用到溫度的測量中，通常有桿狀熱電偶傳感器和薄膜熱電偶傳感器。 由于熱電偶的尺寸非常小，精度比較高的可做到微米的級別，所以能夠比較精確 地測量出某一點處的溫度，加上后期的分析統計，能夠得出比較全面的分析結果。這 是傳統的水銀溫度計所不

37、能比擬的，也展示了應用新的技術給科學發展帶來的廣闊前 景。 4.24.2 熱電偶的類型熱電偶的類型 熱電偶按材料分為標準化熱電偶和非標準化熱電偶。標準化熱電偶指已經國家定 型批量生產的熱電偶，非標準化熱電偶指特殊用途試生產的熱電偶。 熱電偶按結構分為普通熱電偶、鎧裝熱電偶和片狀薄膜熱電偶，片狀薄膜熱電偶 結構圖如下： 圖4.1 片狀薄膜熱電偶的結構 在熱電偶測量中，溫度測量范圍取決于所使用熱電偶的類型，所支持的熱電偶類 型包括 j，k，n，t，e，r，s 和 b。 type range resolution j -200c to760c 0.001c k -200c to1372c 0.001

38、c n -200c to1300c 0.001c t -200c to400c 0.001c e -200c to1000c 0.001c r 0c to 1768c 0.1c s 0c to1786c 0.1c b +350c to1820c 0.1c 在測量皮膚溫度時，為保證測量的準確度，因此應選用精度較高的片狀薄膜熱電 偶傳感器。 第 5 章 系統測溫過程 5.15.1 安裝安裝 77007700 模塊模塊 5.1.1 簡述 7700 模塊的最大輸入信號： 通道 1-20：300vdc 或 rms，1a 切換，最大 60w，125va 通道 21，22：60vdc 或 30vrms，3a

39、 切換，最大 60w，125va 7700 開關模塊有 20 路雙刀輸入通道可用于電壓、電阻、頻率、周期和溫度的測量， 同時提供 2 路電流通道。共有 6 個溫度傳感器用于檢測接線端子板的冷端結點溫度。 在溫度測量時，由于已包含內部參考結點，故允許熱電偶直接接到接線的端子上。 在 2700 處于 dcv，acv，2，cont，4，freq，period 或 temp 功能時， 通道 1 到 20 均可使用。當處于電流功能時（dci 或 aci） ，僅有通道 21 和 22 可使用。 7700 可用通道對來完成 4 線測試，基本通道 1 到 10 與通道 11 到 20 進行配對。例 如，當選擇

40、 4 線功能時，通道 1 與通道 11 配對；當關閉通道 1 時，通道 11 也同時關 閉。 2 線方式包括 dcv，acv，dci，aci，2，cont，freq，period 和 temp（熱電偶和熱敏電阻） 。在 4 線方式下包括 4，temp（4 線 rtd） ，ratio 和 chavg。當選擇 4 線方式時，基本通道 1 到 10 將自動與通道 11 到 20 配對，如下： 通道 01 和通道 11 配對；通道 02 和通道 12 配對；通道 03 和通道 13 配對； 通道 04 和通道 14 配對；通道 05 和通道 15 配對；通道 06 和通道 16 配對； 通道 07 和

41、通道 17 配對；通道 08 和通道 18 配對；通道 09 和通道 19 配對； 通道 10 和通道 20 配對 由于本系統選擇 2 線方式測量，4 線方式不再介紹。 5.1.2 原理圖 7700 原理圖見圖 5.1，通道 1 到 20 可用于除電流外的所有測量。通道 21 和 22 僅 用于電流測量。由圖可見，有兩個背板繼電器（通道 24 和 25）連接到 2700 背板的輸 入通道上。 在 2 線方式下（電流除外） ，通道 25 將閉合，當在 4 線方式下，通道 24 和 25 均 閉合。 圖5.1 7700簡化結構圖 在通道1到10與通道11到20之間有以刀/4刀繼電器（通道23） 。

42、在2線方式時，通道 23打開（在2刀位置上） ，使20通道中任一通道都可連接到輸入背板上。當選擇4線方式 時，通道23閉合（在4刀位置上）使通道1到10與通道11到20隔離。當主通道（1到10） 關閉。 在正常操作下，用戶不能控制通道 23，24 和 25，這些通道的開/合狀態由所選擇 的功能來決定。 5.1.3 連接和安裝 通道 1 到 23 均使用帶鎖存的繼電器而達到更好的支流測試性能（無熱電勢 emf） 。 當儀器的電源被關掉時，所有已閉合的繼電器仍處于閉合狀態，因此當閉合的通道上 有具危險性的電壓時，該電壓同樣會出現在 7700 開關模塊的 input，sense 或 amps/lo

43、端。 當 2700 完成了開機的初始化，所閉合的通道在幾秒后都將打開。 （1）在模塊上進行連線或拆線， （2）在 2700 上插拔開關模塊。連接背板的繼電 器（通道 24 和 25）為不帶鎖存的繼電器，當 2700 關閉時，它們均都打開。 第一步 打開頂蓋 為了能連到 7700 開關模塊的接線端子板上，首先要打開頂蓋。如圖 5.2 所示，有 一彈簧螺釘，用一字型的螺絲刀向左轉動直到打開模塊的頂蓋。在蓋頂蓋時，應確保 頂蓋的所有邊都嵌入模塊盒中。蓋好頂蓋后，再擰好螺釘。 圖5.2 7700頂蓋 第二步 模塊安裝 1. 關掉 2700 電源并拔下電源線和所有連在后面板的線纜。 2. 將 2700

44、的后面板對著自己。 3. 將開關模塊頂蓋朝上，并將其插入空的插槽中。當約剩 1/4 英寸時，用力 一壓，使模塊的插頭與主機箱的連接器相連。 4. 在模塊的兩端各有一固定螺釘，上緊螺釘而確保模塊與主機箱的連接器 相連。 5. 連好電源線和其他連在后面板上的纜線。 6. 打開 2700 電源， “7700”及對應的插槽的信息將會顯示出來。 5.25.2 熱電偶的連接熱電偶的連接 當熱電偶直接連到 2700 輸入端時，至少有一個由兩種不同金屬所形成的連接點， 故其所產生的電壓便會加到熱電偶形成的電壓內，從而會形成溫度測量的誤差。為了 消除熱電勢的影響，熱電偶線路中的參考結點的溫度應已知。 參考結點是

45、熱電偶線路中的冷端，為一穩定的已知溫度，而且必須要在不同材料 導線相連的地方。只有當冷端的溫度已知，2700 才可以根據冷端的溫度計算出熱電偶 的對應的溫度值。 標準的參考溫度是冰點（0c） 。冰點不僅可以被準確地控制，而且國家標準局也 用它作為電壓溫度轉換表的基本參考。 虛擬參考結點用冰槽，銅線與熱電偶的連接點被浸入冰槽，給 2700 輸入 0c 作 為虛擬參考溫度。2700 虛擬的參考溫度可發給計算機，設定在 0 到 65c 的范圍內。 使用 7700 開關模塊，按圖 5.3 使用虛擬參考結點。 圖 5.3 虛擬參考結點 5.35.3 在計算機上安裝在計算機上安裝 integrainteg

46、ra upup runningrunning 軟件軟件 這是一個由 testpoint 軟件開發平臺生成的實用軟件，裝上就可以使用（如圖 5.4） 。 安裝方式只需按習慣的 windows 風格，點擊幾下鼠標，就可檢驗有關硬件、連線、通 訊和軟件驅動是否運行正常。此軟件可執行數據顯示、分析與存儲任務，可顯示多達 8 個通道的波形，實時記錄多通道數據到硬盤，因此非常適合用來測人體不同部位的皮 膚溫度。 圖 5.4 integra up running 軟件 5.45.4 具體操作具體操作 以上為測溫前的準備工作，接下來介紹測溫過程的具體操作步驟。將 2700 接入計 算機，開機進行儀器設置。 5

47、.4.1 上電開機過程 連接電源： 1檢查后面板上電壓輸入的選擇是否符合目前工作環境的電壓。對于測皮膚溫度， 220v 的電壓足夠。 2插入電源線之前，將前面板的電源開關撥在關的位置。 3將電源線連接至儀器后面板的交流電源輸入端和三孔交流電源的輸出端。 4按下儀器前面板的電源開關，打開儀器準備操作。 開機程序： 當打開電源，2700 會依內部 eprom 和 ram 的設定作自我檢測，并且會將屏幕 上所有的顯示信號點亮近 1 秒種。如果監測出任何故障，屏幕上顯示“err”及錯誤 代碼。 2700 通過自檢，屏幕上將會顯示： rev：a01 a02 其中：a01 是主機板上 rom 的版本代號。

48、 a02 是顯示板上 rom 的版本代號。 隨后，已安裝的 7700 開關模塊會顯示出來，如下： 1：7700 5.4.2 設置量程 測量量程的選擇會影響測量準確度和可測量的最大電平，對于溫度測量，沒有量 程選擇，是在單一固定的量程內進行的，決定于所使用的探頭的類型，最大溫度讀數 范圍從-200c 到 1820c。 人體皮膚在這一范圍內，因此在儀器上按 range 鍵，選擇最接近人體皮膚溫度 的量程，也可選用自動量程“auto” 。但自動量程相對手動量程較慢，所以為了優化 速度，確保最好的準確度和分辨率，不使用自動量程。 在每種測量功能里，量程設置是可記憶的，在選擇好量程后，多次測量時將不再

49、需要重新設置。 5.4.3 設定位數 digits 鍵用于設置顯示分辨率，在儀器前面板上按 digits 鍵，進入位數選擇 菜單，屏幕上顯示 3 1/2 到 6 1/2 的分辨率。溫度測量要求數據精度不太高，選擇 3 1/2 位就夠了。具體操作是： 按左右選擇鍵選擇 3 1/2 位，然后按 enter 鍵進行確定。 5.4.4 設置速度和帶寬 2700 前面板的 rate 鍵設定 a/d 轉換的積分時間（測量速度） ，輸入信號被測 量的周期時間（也被稱為孔徑時間） ，積分時間影響讀數噪聲的大小，同樣影響儀器的 最快讀數速度。積分時間是用電源周期的倍數（nplc）來表述的，1plc 對于 60h

50、z 是 16.67 毫秒，1plc 對于 50hz 和 400hz 是 20 毫秒（1/50） 。一般情況下，最快的積 分時間（0.1plc 從前面板，0.01plc 從總線）造成讀數噪聲的增加和可用位數的減少， 而最慢的積分時間（5plc 從前面板，60 或 50plc 從總線）提供最好的共模和串模噪 聲抑制。中間的設置是在速度和噪聲之間的折中。 設置具體操作如下： 按下前面板的 rate 鍵，儀器屏幕顯示“fast” 、 “med” 、 “slow”三個選項， 在測溫時，fast 設定積分時間為 0.1plc，med 設定積分時間為 1plc，slow 設定 積分時間為 5plc。在此系統

51、方案的測量中，要使溫度最快的測量出來，以達到更高的 精度。所以應考慮測量速度，按左右選擇鍵選擇 fast，并將其設置為 0.1plc，最后 按 enter 鍵進行確認。 帶寬規定了對 ac 測量中最低的可測頻率，而速度設定決定了帶寬設定。 slow - 3hz到300khz medium - 30hz到300khz fast - 300hz到300khz 故選定-300 hz 到 300khz 的帶寬范圍。 5.4.5 設置濾波器 數字濾波器用于使有噪聲的測量更穩定。為了確保測量的精確度，前面設置速度 和帶寬為 fast，增加了儀器工作的噪聲，這里對濾波器進行設置，以便使測量更穩定。 濾波器顯

52、示的、存貯的或傳送的讀數是由一定數目的讀數（從 1 到 100）平均而得到的， 且這些讀數在一窗口內。 一般情況下，數字濾波器把一指定數目（濾波個數）的 a/d 轉換放置在存貯器堆 棧里。這些轉換必須連續產生，并在一個選定的讀數窗（濾波窗口）內。這些在堆棧 中的讀數被平均后產生一個濾波后的讀數。堆?？梢砸詢煞N方式（濾波器類型）被充 滿、移動或重復。移動濾波器每次做平均之前從堆棧中去掉并加入一個 a/d 轉換值， 而重復濾波器只有在被全新的 a/d 轉換值充滿后才對堆棧做平均。下面介紹一下數字 濾波器的特性。 濾波數目濾波數目規定了多少個連續的 a/d 轉換（在濾波窗口內）被放置在堆 棧。當堆棧

53、滿時，a/d 轉換被平均后計算出一個最終濾波后的讀數。濾波數目可被設 定從 1 到 100。當濾波數目為 1 時，不做平均。但是，只有在濾波窗口內的讀數才會被 顯示、存貯或傳送。 濾波窗口數字濾波器使用一窗口控制濾波閥值。只要輸入信號保持在選定的窗 口內，a/d 轉換值就被連續放在堆棧內。如果信號超過窗口的值，濾波器復位，濾波 器會一一個從 a/d 轉換器來的初始值開始一個新的過程。 五個從前面板可選的窗口為量程的 0.01%，0.1%，1%，10%和 none（無窗口） 。 對于程控方式，窗口可被設為 0.01%到 10%的任何值或 none。 對電壓、電流和電阻，濾波器窗口以量程的百分比來

54、表達。例如，在 10v 量程， 一個 10%窗口意味著濾波窗口是1v。對于溫度，濾波器窗口表達為一個最大溫度讀 數的百分比。最大溫度由所使用的哪一類熱電偶決定。例如，對 j 型熱電偶，最大讀 數為 760c，一個 10%的窗口意味著濾波窗口為76c。 圖5.5 移動式和重復式濾波器 濾波器類型有兩種數字濾波器，移動和重復方式。移動式濾波器使用一個先進 先出堆棧。當堆棧變滿，測量的轉換值被平均，產生一個讀數。對于每一個轉換值放 入堆棧，最老的一個轉換被丟棄，然后堆棧重新平均一次，產生一個新讀數。這個過 程如圖 5.5-a 所描繪。 對于重復濾波器，堆棧被填滿后做平均產生一個讀數。然后堆棧被清空并

55、且過程 重新開始見圖 5.5-b。重復式濾波器用于掃描，保證從其它通道來的讀數不會被現在的 通道用來平均。 當掃描時移動式濾波器不能使用。 濾波器舉例 濾波器類型移動式 濾波窗口=0.01%的量程 濾波個數=10 濾波狀態=開 10 個讀數填充進堆棧產生一個濾波讀數?，F在假設下一個讀數（即第 11 個）超出 窗口。讀數會繼續顯示。但是，堆棧里的讀數不變。每個后來的有效讀數會代替一個 堆棧中已有的讀數。filt 指示燈一直閃爍直到 10 個新讀數充滿堆棧。 濾波器的控制和配置操作如下： filter 鍵確定濾波器的狀態。當濾波器使用時，fil 指示燈亮。當濾波器沒有建 立時，filt 燈會閃爍。

56、當不用時，filt 指示燈滅。濾波器在其使用和不使用時均可配 置。 選擇溫度測量功能 temp。 按 shift 鍵然后按 type 鍵。 使用 range 鍵顯示需要的窗口設置，選定 0.01%，按回車。 使用選擇鍵顯示濾波器的讀數個數，選擇 7，然后按 enter 鍵。 使用選擇鍵顯示需要的濾波器類型，選定移動式，最后按 enter 鍵。濾波器打開 并且儀器轉向正常測量狀態。 當濾波器使用時，配置的改變在做完后立刻有效。當濾波器不用時，則當濾波器 使用時才會使改變有效。當濾波器操作正在進行時，讀數會持續地被處理（如顯示、 存貯、通過總線發送） ，但是他們可能有疑問。改變功能或量程會造成濾波

57、器復位。濾 波器會按照那個功能或量程的狀態（使能或取消）和配置進行操作。 5.4.6 通道信號的測試 由于安裝了 7700 多路開關模塊，需要對各通道進行設置。選擇通道設置。此時， 以前閉合的通道（如果有）則會打開，設定的通道（或通道對）再閉合。先閉合 所有的通道，然后再打開所需要的通道。其步驟為： 按 close 鍵，屏幕顯示“close ch：xxx” 按選擇鍵選定所有打開的通道。 按 enter 鍵確認，閉合的通道 chan 指示燈亮。 按 open 鍵，在前面板顯示的屏幕上按選擇鍵鍵入通道序號 1 到 7，并用 enter 鍵確認。接入所測信號分別對應人不同部位的皮膚溫度，其各測量參數

58、以及對應通道 如下表 5.1： 序號所測參數對應通道 1腳的溫度101 2腿的溫度102 3手的溫度103 4臂的溫度104 5胸的溫度105 6額的溫度106 7空氣的溫度107 表 5.1 各測量參數及對應通道 5.4.7 integra up running 軟件的設置 integra up running 是一個非常人性化的操作軟件，能夠滿足測量使用者對不 同數據的需求，應用到測溫方案中，能夠同時顯示不同的數據，同時提供所測參數的 曲線圖。在測溫時的設置操作如下： 打開 integra up running 軟件，在所顯示的界面上進行設置。在 device id 欄選定 kescpi-com1，此設置確定儀器的連接和使用方式，顯示如圖 5.6。圖中 顯示 demo mode on，表示是一個演示模式的界面，右邊的框圖為所測參數的曲線圖。 圖 5.6 2 將 demo data 欄中的“”點掉，退出演示模式。在 function 欄中選擇 temp,此 時進入溫度測量設置菜單。如圖 5.7。 圖 5.7 在彈出的界面中進行設置，在 transducer 欄選定 thermocouple,然后在 units 欄選 擇所測參數的單位 degc，在 ty