紅外體溫計(jì)的射頻電磁場輻射抗擾度試驗(yàn)及整改對(duì)策

黃勇，盧哲，溫宇標(biāo)，樊翔，劉思勝，劉海

（廣東省醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，廣州 510663）

引言

2020年初，由于新型冠狀病毒肺炎疫情爆發(fā)并蔓延，紅外體溫計(jì)被列入防疫應(yīng)急的清單之中。新型冠狀病毒感染者，體溫一般要比正常體溫高，研究表明，87.9%的新冠肺炎患者具有發(fā)燒的臨床表現(xiàn)[1]。鑒于體溫升高是新型冠狀病毒肺炎感染者最普遍的臨床癥狀，全民體溫監(jiān)測成為疫情防控的必要手段，所以越來越多的醫(yī)療器械企業(yè)投入到紅外體溫計(jì)的注冊(cè)檢驗(yàn)申請(qǐng)中，其中注冊(cè)檢驗(yàn)中包含了電磁兼容檢測，且射頻電磁場輻射抗擾度試驗(yàn)是紅外體溫計(jì)最難通過的電磁兼容試驗(yàn)項(xiàng)目之一，為提高紅外體溫計(jì)射頻電磁場輻射抗擾度水平，幫助企業(yè)快速通過注冊(cè)檢驗(yàn)，本文針對(duì)射頻電磁場對(duì)紅外體溫計(jì)的影響機(jī)理進(jìn)行分析研究，并提出整改對(duì)策，提供了通過紅外體溫計(jì)射頻電磁場輻射抗擾度試驗(yàn)的思路和方法。

1 紅外體溫計(jì)的基本工作原理

熱輻射是物質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)下的輻射，一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都能產(chǎn)生輻射[2]，溫度愈高，輻射出的總能量就愈大。人體表面溫度可通過熱輻射的形式輻射波長在9~10（um）的紅外線，由于該波長范圍內(nèi)的紅外線不被空氣吸收[3]，紅外體溫計(jì)可通過內(nèi)置的傳感器探測人體表面輻射的紅外線能量，便可準(zhǔn)確的測出人體表面的溫度。

紅外體溫計(jì)的結(jié)構(gòu)組成主要包括溫度傳感器、轉(zhuǎn)換電路、控制電路和輸出顯示部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。人體發(fā)出的紅外輻射經(jīng)透鏡、波導(dǎo)或其他可穿過紅外的介質(zhì)傳輸并聚焦至溫度傳感器，通過溫度傳感器將體溫信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路和控制電路在輸出顯示部分末端顯示體溫?cái)?shù)值[4]，從而達(dá)到了測量體溫的目的。

圖1 紅外體溫計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

2 紅外體溫計(jì)輻射抗擾度試驗(yàn)?zāi)Ｊ竭x擇及試驗(yàn)方法

紅外體溫計(jì)一般我們可以定義兩種工作模式，正常工作模式和待機(jī)模式。正常工作模式就是體溫計(jì)保持開機(jī)狀態(tài)，操作按鍵進(jìn)行溫度測量，而待機(jī)模式就是體溫計(jì)開機(jī)狀態(tài)，不進(jìn)行溫度測量，屏幕正常顯示，可以進(jìn)行記錄翻查。根據(jù)紅外體溫計(jì)的使用特點(diǎn)，設(shè)備為間斷測量方式工作，一旦不操作按鍵，短時(shí)內(nèi)會(huì)自動(dòng)關(guān)機(jī)，因此相比待機(jī)模式，正常工作模式更符合標(biāo)準(zhǔn)中定義的對(duì)患者預(yù)期最不利的狀態(tài)。故在待機(jī)模式下測試射頻電磁場輻射抗擾度并無實(shí)際意義，從而選擇對(duì)紅外體溫計(jì)的工作模式試驗(yàn)才更加符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測試的要求。

根據(jù)射頻電磁場輻射抗擾度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)YY 0505-2012和GB/T 17626.3-2016要求[5,6]，將紅外體溫計(jì)放置于80 cm高度的桌面，且放有紅外體溫計(jì)的桌面測試一側(cè)必須滿足1.5 m×1.5 m均勻場，場強(qiáng)強(qiáng)度為3 V/m，測試布置如圖2所示，試驗(yàn)頻率為80～2 500 MHz，掃描速度頻率步長以頻率范圍內(nèi)步進(jìn)基頻的1%遞增，掃描駐留時(shí)間為3 s，試驗(yàn)調(diào)制采用80 %AM，1 kHz正弦波方式，分別在水平極化和垂直極化兩個(gè)方向?qū)t外體溫計(jì)的前后左右四個(gè)面進(jìn)行測試[7]。

圖2 射頻電磁場輻射抗擾度試驗(yàn)布置圖

紅外體溫計(jì)在正常使用過程中是間斷工作的，而輻射抗擾度試驗(yàn)是連續(xù)運(yùn)行的，考慮到試驗(yàn)的高效性，要保證紅外體溫計(jì)在測試過程中連續(xù)測量，必須要使用人工或者其他外力持續(xù)按壓紅外體溫計(jì)開關(guān)按鈕。然而，由于輻射抗擾度試驗(yàn)時(shí)屏蔽室內(nèi)有輻射騷擾場強(qiáng)，基于人身安全的考慮，人工進(jìn)行操作的方法并非良策，故設(shè)計(jì)了一臺(tái)自動(dòng)按壓設(shè)備來代替，基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，通過控制伸縮支架和按壓部分，實(shí)現(xiàn)持續(xù)頻率可調(diào)的按壓開關(guān)按鈕動(dòng)作，確保紅外體溫計(jì)始終保持在正常工作模式下試驗(yàn)。

圖3 自動(dòng)按壓設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)圖

3 紅外體溫計(jì)輻射抗擾度試驗(yàn)失敗原因及整改對(duì)策

3.1 紅外體溫計(jì)輻射抗擾度試驗(yàn)失敗原因分析

從紅外體溫計(jì)的基本工作原理上分析，紅外體溫計(jì)的電磁兼容主要關(guān)鍵元器件有溫度傳感器、主控芯片，顯示屏和電源部分，但其核心敏感器件就是溫度傳感器，紅外體溫計(jì)的溫度傳感器主要是熱電堆傳感器，它的工作方式是基于塞貝克效應(yīng)原理，采用硅基微加工工藝，在硅片支撐層上排布熱電堆的若干個(gè)熱電偶，這些熱電偶串聯(lián)起來，就構(gòu)成熱電堆芯片，傳感器接收紅外輻射時(shí)，熱電堆芯片上各熱電偶的電壓疊加輸出，從而將測試溫度轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)[8]。研究表明，熱電堆傳感器的電壓與溫度呈正相關(guān)，具體電壓與溫度的典型特性曲線如圖4所示。

通過圖4可以看出2 mV的熱電堆傳感器的電壓變化，對(duì)應(yīng)溫度就變化了20 ℃，根據(jù)圖示曲線走勢可以得出，0.1 mV的變化即可使傳感器的溫度變化1 ℃。在紅外體溫計(jì)射頻電磁場輻射抗擾度試驗(yàn)中，試驗(yàn)場強(qiáng)強(qiáng)度為3 V/m，只需在體溫計(jì)上耦合到mV級(jí)別的干擾信號(hào)，即可導(dǎo)致體溫計(jì)出現(xiàn)溫度顯示失靈現(xiàn)象，偏離技術(shù)要求的規(guī)定。針對(duì)熱電堆傳感器的高敏感性，分析了多款紅外體溫計(jì)輻射抗擾度試驗(yàn)失敗原因，發(fā)現(xiàn)輻射抗擾度干擾信號(hào)主要通過紅外體溫計(jì)前端的金屬套筒，以及傳感器信號(hào)線和電源線進(jìn)入芯片，最終導(dǎo)致紅外體溫計(jì)測溫異常，具體原因分析如下：

圖4 熱電堆傳感器的電壓-溫度典型特性曲線

1）紅外體溫計(jì)前端的金屬套筒接收干擾。紅外體溫計(jì)傳感器前端帶金屬套筒，極易接收干擾。如圖5所示，由于金屬圓筒對(duì)于高頻信號(hào)容易形成渦流或諧振，從而接收幾百M(fèi)Hz以上的高頻干擾信號(hào)，進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，而這個(gè)電動(dòng)勢充當(dāng)了騷擾源，可以直接通過傳感器的信號(hào)和電源線進(jìn)入后級(jí)電路，影響芯片的正常工作，從而容易導(dǎo)致紅外體溫計(jì)試驗(yàn)不合格。

圖5 紅外體溫計(jì)傳感器前端帶金屬套筒

2） 傳感器與芯片之間的信號(hào)線和電源線直接接收干擾。如圖6紅外體溫計(jì)內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)所示，圈住的地方。線纜在高頻情況下容易充當(dāng)?shù)刃Ы邮仗炀€，從而接收干擾，最終流入芯片，導(dǎo)致錯(cuò)誤顯示。

圖6 紅外體溫計(jì)內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)

3.2 整改對(duì)策

解決的方案可以從硬件、結(jié)構(gòu)、軟件方面考慮，硬件方面從濾波方面想辦法，結(jié)構(gòu)方面主要考慮屏蔽，軟件方面主要通過算法上做延時(shí)，抖動(dòng)等方法把干擾信號(hào)濾除，提高精度。根據(jù)紅外體溫計(jì)輻射抗擾度試驗(yàn)失敗原因，提供以下整改對(duì)策。

1）硬件電路處理對(duì)策。由于探頭非常敏感，需要增加抗干擾的措施，盡可能地減少干擾信號(hào)流入芯片。具體做法是探頭信號(hào)線輸入端增加磁珠濾除干擾信號(hào)，探頭的電源端增加磁珠及濾波電容，具體的電容和磁珠大小不能影響正常工作為宜，盡可能選大一點(diǎn)。如圖7紅外體溫計(jì)硬件電路所示，圈出的位置增加磁珠及濾波電容。

圖7 紅外體溫計(jì)硬件電路

2）內(nèi)部線纜處理對(duì)策。探頭至芯片的信號(hào)線和電源線上套磁環(huán)，如圖8所示，把流經(jīng)線纜的干擾電流轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉。

圖8 探頭至芯片的信號(hào)線和電源線上套磁環(huán)

3）結(jié)構(gòu)處理對(duì)策。外殼內(nèi)層噴導(dǎo)電銅漆，但要注意生產(chǎn)工藝問題，縫隙處理注意避免有漆外露，否則靜電容易不合格。

4）軟件處理對(duì)策。軟件濾波，消抖技術(shù)，需結(jié)合產(chǎn)品的實(shí)際情況進(jìn)行分析，從軟件的角度把干擾信號(hào)排除。

4 結(jié)論

紅外體溫計(jì)的電磁兼容問題主要集中在射頻電磁場輻射抗擾度試驗(yàn)，因此，如何提高輻射抗干擾能力是紅外體溫計(jì)通過整個(gè)電磁兼容試驗(yàn)的關(guān)鍵所在。本文分析了紅外體溫計(jì)射頻電磁場輻射抗擾度試驗(yàn)失敗原因，從硬件、結(jié)構(gòu)等多角度提出了相關(guān)整改對(duì)策，從而為紅外體溫計(jì)通過輻射抗擾度試驗(yàn)提供了思路，本文對(duì)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)等相關(guān)技術(shù)人員具有一定實(shí)際指導(dǎo)意義。