探熱設備的設計與精準性

朱燕藝

（廣州中醫(yī)藥大學第三附屬醫(yī)院 廣東省廣州市 525100）

1 前言

目前市場上探熱設備五花八門，存在各種各樣的類型，其中各類探熱設備的工作原理、內部結構、檢測精度和市場上銷售價格等等不一樣。為了探索探熱設備的設計與精準性，現對市場上存在的探熱設備的設計與精準性進行探究。

2 目前公共場所人體篩查體溫時存在以下缺點

（1）測溫速度慢，需要人為干預，逐一進行單體測溫，操作繁瑣，工作量大。

（2）室外測量時人體體溫干預因素多，導致體溫測量不精準，容易出現誤測的情況，

（3）測量時需要和被測對象接觸，往往由于在使用時消毒不徹底，臨床使用上容易出現交叉感染的情況；

（4）測量時需要測量人員的高度配合，容易引起測量人員的不滿與不配合。

3 探熱設備市場情況

目前市場上探熱設備五花八門，其中我們最常見的就是紅外測溫設備，它是將物體發(fā)射的紅外線具有的輻射能轉變成電信號，紅外線輻射能的大小與物體本身的溫度相對應，根據轉變成電信號大小，可以確定物體的溫度。

自然界中，凡是絕對溫度大于零度的物體都能輻射與自身性質、溫度相關的電磁波能量，這種現象為熱輻射現象或者紅外線輻射。紅外線輻射是自然界存在的一種最為廣泛的電磁波輻射，它是基于任何物體在常規(guī)環(huán)境下都會產生自身的分子和原子無規(guī)則的運動，并不停地輻射出熱紅外能量，分子和原子的運動愈劇烈，輻射的能量愈大，反之，輻射的能量愈小。

根據紅外輻射原理，目前市場上開發(fā)出各種測溫設備，普遍分為耳溫計、額溫計、熱成像攝像系統等。耳溫計是利用檢測鼓膜所發(fā)出的紅外線光譜來測量體溫的一種測溫裝置；額溫計是通過測量人體額頭表面溫度，再根據人體額頭的溫度與體溫的關系得到人體的實際體溫的一種測溫設備。這兩款測溫設備都是小型的便攜設備，通常是點對點測量，能實時導出數據的功能。額溫計具有非接觸特點，因此被廣泛應用到小型檢測現場及個人家用情況。這兩種探測設備都具有測溫范圍廣，響應速度快，靈敏度高等特點，但同時具有易受環(huán)境狀況、環(huán)境溫度、被測物體表面發(fā)射率等因素的影響的缺點。熱成像攝像系統具有光機掃描成像儀和非掃描成像儀兩種，光機掃描成像儀是通過掃描的方式在獲取動態(tài)溫度的同時還可獲取圖像等相關信息的測溫設備，具有視野寬、自動調焦、連續(xù)放大、圖像清晰、分析功能強、使用方便等優(yōu)點；非掃描成像儀是基于陣列式凝視成像的焦平面熱像儀，對比光機掃描成像儀，具有視野寬、自動調焦、連續(xù)放大、圖像清晰、分析功能強、使用方便等優(yōu)點。

圖1

圖2

圖3

圖4

目前市場上的探熱設備具有較為顯著的三個問題，一是弱信號的放大和抗干擾問題；二是存在信號和實際溫度值的非線性對應問題；三是傳感器探頭所處溫度對信號影響的問題。

4 對探熱設備的研究

4.1 耳溫計與額溫計

耳溫計和額溫計都包括探頭、控制單元、信號處理和補償單元、顯示屏和電源幾大部分組成，其中最重要的探測部件通常有兩種方案，一種是采用波導管、熱電堆傳感器和熱敏電阻（傳感器環(huán)境溫度測量）的組合方案，另一種是采用波導管、熱釋電傳感器和熱敏電阻的組合方案；用熱釋電傳感方案相比于熱電堆方案設計的耳溫計和額溫計具有響應速度快、光譜響應寬、工作頻率寬、靈敏度與波長無關等優(yōu)點。

額溫計由主控板、紅外傳感器、蜂鳴器、電池等組成，樣機拆分圖片如圖1 所示。

額溫計的硬件框架圖如圖2 所示。

額溫計區(qū)別于傳統體溫計最大特點就是非接觸式測溫，測量速度快、效率高、減少了不同個體之間的交叉感染的機會，在大家的日常生活中也運用得很廣泛，在各大商場、店鋪、小區(qū)等小型公共場所或家庭使用用到。

4.2 紅外熱成像攝像系統

（1）組成：光學鏡頭、紅外探測器、信號處理系統等；

（2）測溫組成及工作框圖（圖3）。

（3）測溫原理：被測物發(fā)射的紅外線輻射通過光學鏡頭收集后被紅外探測器所獲取，通過紅外探測器檢測被測物的紅外輻射能量。輻射能量和溫度存在對應關系，通過信號處理系統將輻射能量即溫度通過不同灰度顯示出來，灰度的不同代表溫度不同。再通過黑體進行測溫標定，建立灰度與溫度的準確對應關系，來實現測溫功能。

如圖4 所示，熱成像攝像系統的熱靈敏度越高，那它分辨細小溫差的能力就越強，測出來的溫度也就越準確。例如一臺紅外熱成像攝像系統的熱靈敏度是0.01℃，也就意味著它能分辨出0.01℃的溫差。將溫度轉化為視覺圖像，每張熱像圖中的像素其實都是溫度點，圖上溫度點的多少與設備本身的紅外像素有關，例如設備的紅外像素是384×288，那熱像圖上就有約8 萬個溫度點，相當于用8萬支測溫計在同時測溫。如圖5 所示。

熱成像攝像系統可以同時非接觸一次測量幾個行走人員的體溫，需要測量人員的配合度低，在一些大型的公共場所使用較為廣，例如火車站、醫(yī)院、地鐵等公共地方使用，不僅可以快速篩查人體體溫，還可以較少人與人的接觸，降低交叉感染風險同時還可以提高篩查人體溫度的效率。

4.3 探熱設備關鍵組成部分

（1）黑體：指入射的電磁波全部被吸收，既沒有反射，也沒有透射，作為熱輻射研究的標準物體，能精確知道孔壁溫度和對準孔德人一開口處輻射率近似 1.0 的孔狀紅外輻射基準源。利用紅外線探熱設備在長期使用的過程中會受外部因素影響，而造成誤差，所以需要用黑體來校準。

（2）探測器：前端采集溫度信號的一種部件，是測溫設備的最關鍵組成部分，是一種傳感器，它的任務是把光信號轉化為電信號。傳感器設置一般采用波導管、熱電堆傳感器和熱敏電阻的組合方案，或采用波導管、熱釋電傳感器和熱敏電阻的組合方案。探熱設備根據能量轉換所用材料不同，在接收紅外能量后，轉換方式和材料能效比不同。市場上主要有熱釋電型、二極管型、雙材料薄膜、熱敏電阻型等。

（3）光學組件：將接收到的熱輻射能量聚焦在探測器上的光學設備，一般有鏡頭和光柵等組成。光學組件可以將輻射能量匯集到觀點探測機構上，光電探測器將輻射能量轉換成電信號輸出給后級的信號處理電路，從而得到溫度值。合理選取光學組件，設置合理參數，降低弱信號的放大和抗干擾。

（4）分辨率：包括熱分辨率和空間分辨率兩種，其中熱分辨率是指探熱設備可分辨出的最小溫差，也成為噪聲等效溫差，這是一個重要指標，直接關乎探熱備的價格；而空間分辨率指的是圖像分辨率，即精確分辨和測量物體的能力，包括視場、瞬時視場和測量視場三部分。

4.4 非接觸式探熱設備優(yōu)點

（1）測量速度快，通常檢測時間短；

（2）測量效率高，可同時對多個人進行體溫測量，人員配合度低；

（3）測量過程中不需要和被測對象接觸，不會因為消毒不徹底出現交叉感染的情況。

5 如何提高探熱設備測量的精準性

探熱設備溫度讀數于標準黑體比較后的差值，通常采用絕對值和百分比兩種表達方式測量的精度，可以通過下面幾點提高探熱設備的測量精準性。

（1）探熱設備的測溫精度和使用方法有著非常大的關系，例如距離，一般情況下，紅外傳感器都會有一個具體的距離系數的指標，理論上紅外探頭和被測物體的距離越近越好，但考慮到測溫設備的發(fā)射率、透射率和反射率，發(fā)射率是反映物體發(fā)射能量的能力，多數物體表面不能發(fā)射百分之百的能量，由于物體大部分是不透光的，因此紅外測量人體時透射率幾乎為 0，物體表面反射出熱量的能力，當發(fā)射率不夠時，反射就會影響物體溫度的測量了。因此需要合理控制測量設備與測量人體的距離，以及需要對設備進行反射溫度補償。額溫計測量距離控制在5～15cm 左右，保持測量姿勢0.5-1.0 秒。熱成像攝像系統測量時在其測量范圍內即可。

（2）選取適合的溫度傳感器，設置合理參數指標，合理選擇組合方案，注意選擇傳感器尺寸，不能選擇過大或者太小，明確光學分辨率，確定波長范圍，確定響應時間、信號處理功能等。通常傳感器收集到的熱輻射信號都是很小的，然后通過轉換得到的光電信號又已經衰減了一部分，同時我們收集到的熱輻射信號一定是存在噪聲的，通過處理放大電路和干擾電路來改善信噪比，因此可以盡量避免出現傳感器探頭所處溫度對信號影響的問題。

（3）探熱設備所處的環(huán)境條件對溫度測量結果也會產生很大的干擾和影響，選擇環(huán)境不合適，容易影響測量溫度的精度甚至容易引起探熱設備的損壞。將測量設備安裝放置在合理的位置，盡量減少外界因素的干擾，例如測量位置盡量安排在室內可以遮陰擋雨的地方。當環(huán)境溫度過高、存在灰塵、煙霧和蒸汽的條件下，需要通過使用保護套、水冷卻、空氣冷卻系統、空氣吹掃器等工具解決環(huán)境影響引起的測溫不準確的情況。為了避免傳感器探頭所處溫度對信號的影響，可以通過針對不同的被測物體和測量環(huán)境進行建模，再通過學習算法進行相應的環(huán)境補償。

（4）體溫是指在特定的某一人體部位所測得的溫度。針對人體的各個部位，溫度通常會因為檢測部位和環(huán)境參數的不同，而呈現不同的溫度曲線，不同部位測量溫度對比如圖6 所示。

從圖6 中可知，表面溫度受環(huán)境溫度變化影響程度大小程度為：腳>手>皮膚>軀干>頭>直腸，直腸表面溫度受到環(huán)境溫度變化影響程度最小，說明直腸的表面溫度最接近人體溫度，但是在正常情況下，測量人體直腸表面溫度作為人體參考溫度是不可取的。從圖片中可知頭的表面溫度受到環(huán)境溫度變化的影響程度僅排在直腸后面，相對來說頭的表面溫度更接近人體實際溫度，人體的頭部是裸露在外面的，頭表面溫度作為人體溫度參考值更加便利與合理。

6 結語

圖5

圖6

綜上，各種探熱設備對于臨床發(fā)熱病癥溫度檢測起到了關鍵性作用，而且間非接觸式的探熱設備，如額溫計和熱成像系統使用范圍最廣。為了提高探熱設備的測量溫度，在測量時測量人體的頭部更加合理，為了減少環(huán)境影響因素，需要選擇合適的地方和使用一些防護措施。