紅外溫度計(jì)測量體溫方法探討

鄔冬梅

內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市產(chǎn)品質(zhì)量計(jì)量檢測所 內(nèi)蒙古巴彥淖爾 015000

在與流行病的預(yù)防和控制作斗爭中，一種普通產(chǎn)品最近一舉成名。它成為中國的一個(gè)稀缺資源，并發(fā)展成為具有戰(zhàn)略控制意義的材料。它是人體溫度感應(yīng)的“守護(hù)者”——非接觸式紅外線溫度計(jì)，通常稱為手耳溫度和額頭溫度計(jì)。

1 紅外體溫計(jì)的發(fā)展

紅外線最早是在1800年發(fā)現(xiàn)的。英國天文學(xué)家威廉·赫歇爾發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度計(jì)的溫度發(fā)生變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生在紅光下具有一定頻率的不可見輻射。1821年，德國塞貝克科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了塞貝克效應(yīng)，1859年，德國基?；舴蛭锢韺W(xué)家根據(jù)熱平衡理論推導(dǎo)了基爾霍夫輻射定律。這些研究結(jié)果為后續(xù)紅外技術(shù)的有效發(fā)展提供了最有力的理論基礎(chǔ)。結(jié)果，紅外技術(shù)得到了發(fā)展和普及，這時(shí)紅外溫度測量也得到了發(fā)展。

最初，紅外測溫技術(shù)尚未完全發(fā)展。盡管它們的測量速度會(huì)比其他溫度計(jì)快，但它們的溫度精度實(shí)際上是相對中等的。因此，它僅用于不需要高溫精度的一般工業(yè)領(lǐng)域。盡管水銀溫度計(jì)的測量精度更高，但它們也存在潛在的水銀危害。當(dāng)前，世界上許多國家已經(jīng)禁止使用水銀溫度計(jì)。因此，在2003年SARS病毒爆發(fā)后，諸如紅外線體溫計(jì)之類的非接觸式體溫測量方法在醫(yī)療領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展。首先用于醫(yī)療的紅外溫度計(jì)被用于緊急應(yīng)對SARS感染的風(fēng)險(xiǎn)。因此，工業(yè)上常用的紅外測溫儀僅作了少許改動(dòng)，即可投入使用。近年來，在各種科學(xué)家的不懈努力下，醫(yī)用紅外測溫儀的精度也得到了提高，其他功能也逐漸得到改善，在隨后的流感大戰(zhàn)中取得了良好的效果。但是，這種非接觸式溫度測量方法仍然受到各種外部條件的影響，這些外部條件在某種程度上影響溫度的準(zhǔn)確性。因此，中國還明確定義了醫(yī)用紅外測溫儀的誤差值，極限誤差值為±0.2°C。但是，市場上出售的大多數(shù)紅外測溫儀都不能滿足此要求[1]。

2 人體紅外溫度傳感器

人體像其他生物一樣，向環(huán)境輻射紅外線能量。其波長通常為9至13μm，在0.76至100μm的近紅外范圍內(nèi)。由于該波長范圍內(nèi)的光不會(huì)被空氣吸收，即人體發(fā)出的紅外輻射量與環(huán)境影響無關(guān)，因此它與人體所包含和釋放的能量有關(guān)。因此，可以通過測量從人體輻射的紅外能量來精確地測量人體的表面溫度。人體的紅外溫度傳感器就是根據(jù)這個(gè)原理設(shè)計(jì)和制造的。

非接觸式紅外測溫技術(shù)無需觸摸被測物體，以免發(fā)生感染，燒傷等危險(xiǎn)。它可以快速，準(zhǔn)確地測量物體的表面溫度。它具有響應(yīng)速度快，精度高，成本低，壽命長和使用安全的優(yōu)點(diǎn)。它在控制和監(jiān)視產(chǎn)品質(zhì)量，設(shè)備的在線故障排除以及安全保護(hù)方面起著重要作用。

根據(jù)能量轉(zhuǎn)換所用的各種材料，紅外溫度傳感器可分為以下類型：熱電型，硫酸甘油三酯，鉭酸鋰等；熱電堆型，N型和P型多晶硅；二極管型，單晶或多晶PN結(jié)，熱容型，雙材料膜，熱敏電阻型，氧化釩，非晶硅等[2]。

實(shí)際上，這些類型僅在轉(zhuǎn)換過程和接收到紅外能量后的材料能效比方面有所不同。

2.1 紅外熱電堆的溫度傳感器

當(dāng)前，用于耳和額頭溫度計(jì)中的紅外傳感器都是熱電堆類型的，其基本物理原理是塞貝克效應(yīng)。紅外熱電堆溫度傳感器類似于熱電偶，它由可以傳輸一定波長范圍的紅外濾光片和可以接收紅外光的熱電堆芯片組成。添加溫度參考以比較內(nèi)部環(huán)境（陶瓷熱敏電阻和其他校準(zhǔn)溫度）。

2.2 紅外濾光片

這是可以濾除不同波長的光敏元件。結(jié)構(gòu)簡單，但過程復(fù)雜，通常將半導(dǎo)體材料和過程與MEMS技術(shù)結(jié)合使用以形成高精度的透光窗口。不同規(guī)格的窗戶可以穿過設(shè)計(jì)區(qū)域或特定波長的紅外光，但是其他波長則不能。由于不同的物體在不同的環(huán)境中釋放出不同的紅外能量和不同的測量方法，因此通常需要將不同的窗口設(shè)計(jì)為用于檢測物體的紅外溫度傳感器的特定光敏元件[3]。

2.3 熱電堆芯片

它是通過諸如隔熱載體層、多晶硅摻雜、后腔蝕刻（干或濕）之類的關(guān)鍵工藝制造的，并用于吸收紅外熱。當(dāng)被測物體的特定波長的紅外輻射被熱電堆吸收器吸收時(shí)，熱電堆焦點(diǎn)變形的電荷立即改變，并且在累積之后產(chǎn)生電動(dòng)勢，即電壓值。

2.4 包裝形式和范圍

熱電堆溫度傳感器可以是模擬輸出或開關(guān)輸出。因此，它可以廣泛用于空調(diào)，微波爐和其他智能家居設(shè)備，大型復(fù)印機(jī)，烘干機(jī)和其他工業(yè)智能設(shè)備，以及電源控制系統(tǒng)的各種設(shè)備的溫度監(jiān)控。它也可用于紅外氣體測量，工業(yè)環(huán)境，安全控制，各種支持應(yīng)用，例如可穿戴設(shè)備和人體傳感器。

3 影響紅外線體溫計(jì)使用的因素

溫度高于零的任何物體都會(huì)向其周圍連續(xù)發(fā)射紅外輻射。它的能量與物體的表面溫度和波長分布直接相關(guān)?？梢愿鶕?jù)物體自身的紅外能量確定其表面溫度。這也是醫(yī)用紅外體溫計(jì)的工作原理。一方面，物體溫度與物體輻射，物體發(fā)射率和玻爾茲曼常數(shù)有關(guān)。其中，物理輻射受塵粒、水蒸氣和具有強(qiáng)吸收性的紅外輻射等許多因素的影響。隨著溫度測量距離的增加，溫度測量設(shè)備檢測輻射的能力也直接受到影響。當(dāng)在測量距離，目標(biāo)的發(fā)射率和溫度計(jì)的環(huán)境溫度的影響下確定測量對象的溫度時(shí)，氈制對象的溫度也存在差異，這不可避免地降低了測量的準(zhǔn)確性[4]。

4 結(jié)語

由于諸如刻度尺讀數(shù)準(zhǔn)確性、汞生產(chǎn)過程、使用和回收利用等環(huán)境因素，國際上已經(jīng)淘汰了汞溫度計(jì)，建議使用電子溫度計(jì)，但電子溫度計(jì)還需要進(jìn)行接觸測量（腋窩，口腔，肛門等）。對兒童和重癥患者進(jìn)行體溫測量既困難又不切實(shí)際。因此，隨著技術(shù)的進(jìn)步和創(chuàng)新，未來通過結(jié)構(gòu)、功能、精度和測量方法的改進(jìn)，將會(huì)出現(xiàn)更多創(chuàng)新的類似于溫度槍的人體智能溫度測量產(chǎn)品，并豐富醫(yī)療和家庭市場以滿足不同需求，服務(wù)更多人。