一种光学定位和定距的非接触式人体红外体温计的制作方法

1.本发明涉及一种体温计，具体涉及一种光学定位和定距的非接触式人体红外体温计，属于医疗器械技术领域。


背景技术：

2.临床上通常说的人体体温是指人体的核心温度，人体主要是通过中枢神经和血液循环来恒定全身各处体温并将体温反映到体表温度上。人体体温量测是指通过对接近人体核心温度的部位进行量测，从而获得人体体温值。传统的测温部位为人体自然的腔体或穴窝，比如口腔、腋窝、直肠。直肠属于人体内脏器官之一，它的温度最能代表人体的真实核心温度，并且也很稳定，但由于其测温不方便，测温时间长而无法成为主要的量测方式，特别是对于天性好动的婴、幼儿来说,较长的量测时间易影响体温计与受测部位接触的连续性和稳定性，从而导致量测不准确或不稳定。红外体温计因其测温时间短，操作方便而逐渐成为人体体温量测的一种重要方式，而其中的非接触式红外体温计又因其在量测时避免与受测者的直接接触，防止交叉感染而得到了更加广泛地应用。特别是在疫情期间，此类产品成为家庭、医院、社区、企、事业单位及其它公共场所进行体温量测的最主要的方式。
3.对于所有非接触式的红外体温计而言，量测前与受测部位的定位与定距是保证量测精度的比较关键的因素，量测距离过远，或者量测位置不对，都会导致测温不准。本发明涉及非接触式红外体温计定位定距的方法和结构，其适用于各类通过非接触的方式量测人体体温的红外体温计。由于人体的前额(眉心)是由源自颈总动脉的颞浅动脉供给血液，其不仅距离心脏较近，且血管在此处分布较浅，因此，前额(眉心)位置的温度比较接近人体的核心温度，所以，此处也是体温量测的一个重要部位。非接触式红外额温计即是通过红外传感器来感应位于人体前额眉心位置所发出的红外辐射能量来测量人体温度的一种红外体温计。本发明即是以此非接触式的红外额温计为例作进一步的阐述的。
4.目前，市场上的非接触式红外体温计有两种定距方式：一种是通过红外测距的方式进行定距，此方法增加了产品的复杂程度，增加了不少成本，且只能定距不能定位；而另一种是通过led灯直接照射的方式，定距效果较差，并且很不稳定，因此，迫切的需要一种新的方案解决上述技术问题。


技术实现要素：

5.本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种光学定位和定距的非接触式人体红外体温计，该方案克服了现有技术在定位、定距方面的不足。
6.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种光学定位和定距的非接触式人体红外体温计，所述体温计包括光学定位定距组件、电路板、额温头软胶体、额温头本体、红外传感器组件、传感器联接线、触压按键、塑胶量测按键、液晶显示屏支架、液晶显示屏、背光板、导电条、塑胶记忆按键、塑胶开/关按键、面板、上壳、下壳、螺丝、电池正极弹簧、电池盖、电池以及电池负极弹簧。额温头软胶体通过二次包胶的方式与额温头本体连为一体。红
外传感器组件安装在额温头本体中，尾端通过传感器联接线与电路板相联接。所述塑胶量测按键、塑胶记忆按键和塑胶开/关按键通过二次包胶的方式与上壳连为一体，面板通过双面胶固定在上壳上，液晶显示屏、背光板安装在液晶显示屏支架中，液晶显示屏支架通过螺丝和支架上的卡钩结构固定在电路板上。导电条安装在液晶显示屏支架里，实现液晶显示屏与电路板的电导通。触压按键焊接在电路板上。电路板通过螺丝锁在下壳上。电池正极弹簧和电池负极弹簧下部安装在下壳的电池槽内，另一端分别焊接在电路板上。电池安装在下壳的电池槽内，两端分别与电池正极弹簧和电池负极弹簧相接触。上壳与下壳通过卡钩结构和螺丝固定连接。其中，光学定位定距组件包括聚光透镜(自带标尺)、反光罩、光源、光源固定结构以及光源联接线。反光罩为内表面为抛物面的抛物面镜；光源通过固定结构实现结构定位，使光源的发光中心刚好处在抛物面焦点上，根据光的反射原理，光源发射出的光，经过抛物面镜的反射后，变为平行于抛物面主轴的平行光射出，从而使得平行于主轴方向的光的强度得到增强。在反光罩的前方设有聚光透镜，与反光罩同轴，聚光透镜上设有用于定位和定距的标尺，标尺设置成交叉状，其交叉中心用于量测时确定量测的位置。
7.此外，根据光的折射原理和透镜成像规律，由抛物面镜反射出的的平行于主轴的平行光通过聚光透镜时发生折射，会聚于一点，即聚光透镜焦点，聚光透镜焦点与聚光透镜中心的距离即为聚光透镜的焦距。标尺在垂直于主轴，且距聚光透镜焦点的不同距离处形成不同方向与大小的像：在聚光透镜焦点与聚光透镜之间，成正像，且离聚光透镜焦点的距离越近，像越小；在焦点处，不成像，即看不见标尺的形状；在大于聚光透镜焦距的位置，标尺像为倒立像，且离聚光透镜焦点的距离越大，像越大。如下为聚光透镜的焦距计算公式：
8.1/f＝(n－1)[1/r1－1/r2+(n－1)d/nr1r2]
[0009]
式中：f为焦距，
[0010]
n为透镜材料的折射率，
[0011]
r1为透镜第一个面的曲面半径，
[0012]
r2为透镜第二个面的曲面半径，
[0013]
d为透镜中心的厚度。
[0014]
由上式可见，透镜材料的折射率n越小，透镜的焦距越大。
[0015]
如果透镜第一个表面为凸面，则r1的值为正值，如果是凹面，则r1为负值；如果透镜第二个表面为凹面，r2为正值，如果是凸面,则r2为负值。
[0016]
作为本发明的一种改进，上述的光学定位定距组件中，聚光透镜采用双凸透镜，或者采用平凸透镜，或凹凸透镜，具体根据产品结构空间的大小来选择和确定。
[0017]
作为本发明的一种改进，上述的光学定位定距组件中，标尺附着(印刷、打印或粘贴)在聚光透镜的前后任一镜面上,或者设在聚光透镜的前方或后方，不与聚光透镜相接触。
[0018]
作为本发明的一种改进，上述的光学定位和定距组件中，用于定位和定距的标尺的形状是正交叉方式，或者是斜交叉方式，或者是其他能产生交汇点的方式。
[0019]
作为本发明的一种改进，聚光透镜上自带的用于定位和定距的标尺将在聚光透镜的前方成像。
[0020]
一种光学定位和定距的非接触式人体红外体温计的设计方法，所述方法如下：非接触式红外体温计在设计时，对于红外传感器与受测部位的距离有一个设计标定距离，使
得上述光学组件中，聚光透镜的焦距等于此设计标定距离，光源安装在抛物面镜的焦点位置。当红外体温计开机进入待测温状态后，长按塑胶量测按键，光源通电发光，光线由抛物面镜反射后平行照射到聚光透镜上，经聚光透镜的折射，在聚光透镜的另一侧汇聚于聚光透镜焦点，同时，用于定位定距的标尺在聚光透镜的前方成像，保持标尺像的交叉点对准受测者的额头眉心位置，将体温计向着额头方向移动，看到标尺像由大变小，直至消失。继续将体温计向着额头方向移动，标尺像又会出现。在上述移动过程中,当标尺像消失时，表明人体额头受测部位刚好处在聚光透镜的焦点处，也就是说红外体温计的传感器与人体额头受测部位的实际距离刚好等于设计标定距离。此时，松开塑胶量测按键，体温计开始自动量测体温，并将量测结果显示在液晶显示屏上。上述的光学定位定距组件中，聚光透镜的焦距即为正确的量测距离，它的大小尺寸由透镜材料的折射率n，透镜第一个镜面的曲面半径r1,透镜第二个镜面的曲面半径r2，以及透镜中心的厚度共同决定。在设计时，根据产品的结构空间、材料等要求，进行选择和确定。
[0021]
相对于现有技术，本发明具有如下优点：1)该技术方案应用光的反射、折射原理，利用镜面对光的反射定律，和聚光透镜对光的聚焦特性和成像规律，经过精确计算，不仅实现非接触式红外体温计相对于量测部位距离的确定，即定距，而且有效实现对量测位置的确定，即定位，从而提高红外体温计量测的准确度；2)本发明结构简单、直观易于操作；3)本发明比市场上所用的红外测距的定距方式的成本低10％～15％以上，在保证产品的准确度的基础上，又节约了成本，增强了产品在品质和成本上的竞争优势。
附图说明
[0022]
图1非接触式红外额温计外观图；
[0023]
图2非接触式红外额温计总装剖面图；
[0024]
图3双凸透镜示意图；
[0025]
图4平凸透镜示意图；
[0026]
图5凹凸透镜示意图；
[0027]
图6光学定位定距组件工作示意图；
[0028]
图中：1.聚光透镜(带标尺)，2.反光罩，3.光源，4.光源固定结，5.光源联接线，6.电路板，7.额温头软胶体，8.额温头本体，9.红外传感器组件，10.传感器联接线，11、18、20.触压按键，12.塑胶量测按键，13.液晶显示屏支架，14.液晶显示屏，15.背光板，16.导电条，17.塑胶记忆按键，19.塑胶开/关按键，21.面板，22.上壳，23.下壳，24.螺丝，25.电池正极弹簧，26.电池盖，27.电池，28.电池负极弹簧，29.抛物面镜，30.抛物面镜主轴，31.抛物面镜焦点，32.抛物面镜焦点与聚光透镜中心的距离，33.聚光透镜焦距，34.聚光透镜焦点，35.聚光透镜第一曲面，36.聚光透镜第二曲面，37.聚光透镜中心厚度，38.标尺，39.标尺正立像，40.标尺倒立像。
具体实施方式：
[0029]
为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。
[0030]
实施例1：参见图1-图6，一种光学定位和定距的非接触式人体红外体温计，所述体温计包括光学定位定距组件，电路板6，额温头软胶体7，额温头本体8,红外传感器组件9，传
感器联接线10，触压按键11、18、20，塑胶量测按键12，液晶显示屏支架13，液晶显示屏14，背光板15，导电条16，塑胶记忆按键17，塑胶开/关按键19，面板21，上壳22，下壳23，螺丝24，电池正极弹簧25，电池盖26，电池27以及电池负极弹簧28。额温头软胶体7通过二次包胶的方式与额温头本体8连为一体。红外传感器组件9安装在额温头本体中，尾端通过传感器联接线10与电路板6相联接。所述塑胶量测按键12，塑胶记忆按键17和塑胶开/关按键19通过二次包胶的方式与上壳22连为一体，面板21通过双面胶固定在上壳22上。液晶显示屏14和背光板15安装在液晶显示屏支架13中，液晶显示屏支架13通过螺丝和支架上的卡钩结构固定在电路板6上。导电条16安装在液晶显示屏支架13里，实现液晶显示屏14与电路板6的电导通。触压按键11、18、20焊接在电路板6上。电路板6通过螺丝锁在下壳23上。电池正极弹簧25和电池负极弹簧28下部按装在下壳23的电池槽内，另一端分别焊接在电路板6上。电池安装在下壳23的电池槽内，两端分别与电池正极弹簧25和电池负极弹簧28相接触。上壳22与下壳23通过卡钩结构和螺丝24固定连接。其中，光学定位定距组件包括聚光透镜(带标尺)1、反光罩2、光源3、光源固定结构4以及光源联接线5。反光罩2为内表面为抛物面的抛物面镜29。光源3通过固定结构4实现结构定位，使光源3的发光中心刚好处在抛物面焦点31上，根据光的反射原理，光源3发射出的光，经过抛物面镜29的反射后，变为平行于抛物面主轴30的平行光射出，从而使得平行于主轴方向的光的强度得到增强。在反光罩2的前方设有聚光透镜1，并与反光罩2同轴，聚光透镜1上设有用于定位和定距的标尺38，标尺设置成交叉状，其交叉中心用于量测时确定量测的位置。
[0031]
此外，根据光的折射原理和透镜成像规律，由抛物面镜反射出的的平行于主轴30的平行光通过聚光透镜1时发生折射，会聚于一点，即聚光透镜焦点34，聚光透镜焦点34与聚光透镜中心的距离33即为聚光透镜的焦距。标尺在垂直于主轴30，距聚光透镜焦点34的不同距离处形成不同方向与大小的像：在聚光透镜焦点34与聚光透镜1之间，成正像(如附图6中的39)，且距聚光透镜焦点(附图中34所示之处)越近，像越小；在焦点处，不成像，即看不见标尺的形状；在大于聚光透镜焦距33的位置，标尺成的像为倒立像，且离聚光透镜焦点的距离越大，像越大。如下为聚光透镜的焦距计算公式：
[0032]
1/f＝(n－1)[1/r1－1/r2+(n－1)d/nr1r2]
[0033]
式中：f为焦距；
[0034]
n为透镜材料的折射率；
[0035]
r1为透镜第一个面的曲面半径；
[0036]
r2为透镜第二个面的曲面半径；
[0037]
d为透镜中心的厚度。
[0038]
由上式可见，透镜材料的折射率n越小，透镜的焦距越大。
[0039]
如果透镜第一个表面为凸面(见附图中的35)，则r1的值为正值，如果是凹面，则r1为负值；如果透镜第二个表面(附图中的36)为凹面，r2为正值，如果是凸面，则r2为负值。
[0040]
上述的光学定位定距组件中，聚光透镜1可采用双凸透镜(附图3所示)，也可采用平凸透镜(附图4所示)，或者采用凹凸透镜(附图5所示)，具体根据产品结构空间的大小来选择和确定。上述的光学定位定距组件中，标尺(附图中38)既可以附着(印刷、打印或粘贴)在聚光透镜1的前后任一镜面(附图中35或36)上，也可以位于聚光透镜的任一侧，不与聚光透镜相接触。
[0041]
上述的光学定位和定距组件中，用于定位和定距的标尺的形状可以是正交叉方式，也可以是斜交叉方式，或者是其他能产生交汇点的方式。用于量测时定位和定距的标尺(如图6中的38)将在聚光透镜1的焦距33以内成正立像39，而在焦距33以外成倒立像40。
[0042]
实施例2：参见图1-图6，一种光学定位和定距的非接触式人体红外体温计的设计方法，所述方法如下：非接触式红外额温计在设计时，对于红外传感器与受测部位的距离有一个设计标定距离，使得上述光学组件中，聚光透镜的焦距33等于此设计标定距离，光源3安装在抛物面镜29的焦点位置。当红外体温计开机进入待测温状态后，长按塑胶量测按键12，光源3通电发光，光线由抛物面镜29反射后平行照射到聚光透镜1上，经聚光透镜1的折射，在聚光透镜的另一侧汇聚于聚光透镜焦点34，同时，用于量测时定位和定距的标尺38将在聚光透镜1的另一侧成倒立像40。将体温计朝着额头方向移动，保持标尺倒立像40的交叉点对准受测者的额头眉心位置，此时，会看到标尺倒立像40由大变小，直至消失。继续将体温计向着额头方向移动，标尺成像又会出现，只是成像为逐步增大的正立像39。上述移动过程中，当标尺成像消失时，表明人体额头受测部位刚好处在聚光透镜1的焦点处(附图中的34所示之处)，也就是说红外体温计的传感器与人体额头受测部位的实际距离刚好等于设计标定距离。松开塑胶量测按键12，体温计自动开始量测体温，并将量测结果显示在液量显示屏14上。上述的光学定位定距组件中，聚光透镜1的焦距33即为正确的量测距离，它的大小尺寸由透镜的折射率n，透镜第一个镜面的曲面(附图中35)半径r1，透镜第一个镜面的曲面(附图中36)半径r2，以及透镜中心的厚度(附图中37)共同决定。在设计时，根据产品的结构空间、材料等要求进行选择和确定。此外，标尺的位置是也可以放在聚光透镜的前后任一镜面(附图中35或36)上，或者位于透镜的前方或后方，不与透镜接触，具体根据实际需要进行设置。该实施例中，标尺在原产品上(图2中的1)是自带的。
[0043]
工作原理和工作过程：参照图1—图6，一种光学定位和定距的非接触式人体红外体温计，红外体温计测温工作原理如下。
[0044]
自然界一切温度高于绝对零度(-273.15℃)的物，由于分子的热运动，都在不停地向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波，其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合辐射定律。根据斯特藩和玻耳兹曼的红外辐射定律，并考物体周围环境温度的因素：e＝σε(t
4-t
04
)。
[0045]
式中：e为辐射出射度数,单位w/m2；
[0046]
σ为斯蒂芬―波尔兹曼常数，5.67*10-8
w/(m2.k)；
[0047]
ε为物体的辐射率；
[0048]
t为物体的温度，单位k；
[0049]
t0为物体周围的环境温度，单位k。
[0050]
测量出所发射的e，即可得出温度值t。
[0051]
人体主要辐射波长在9～10μm的红外线,红外体温计是通过测量人体自身辐射红外能量来准确地测定人体的表面温度。
[0052]
红外体温计通过红外传感器来感应红外辐射能量,红外传感器上有两个元件，一个是热电堆，一个是负温度系数的热敏电阻。热电堆有冷热两个接面，热电堆的热接面感应到的红外辐射能量会在热电堆的冷热接面上产生电压差，红外辐射能量越强，冷热接面的电压差越大。热敏电阻紧贴于冷接面，用于测量冷接面的温度。
[0053]
温度越高红外辐射能量越强，将热电堆感应到的红外辐射能量产生的电压差转换成对应的温度，再将负温度系数的热敏电阻的电阻值转换成温度值，就得到了热电堆的冷热接面的温度。热电堆的冷热接面的温度加上热电堆冷热接面的电压转换出来的温度就是热电堆感应到的物体的温度。红外体温计感应到人体的表面温度，并通过人体临床试验所获得的数据表进行修正，最终得出人体的体温值。
[0054]
需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。