醫(yī)用紅外測(cè)溫設(shè)備組成原理與特點(diǎn)解析

為什么紅外可以測(cè)溫？

紅外線以電磁波的形式存在于世界的各個(gè)角落，它的頻譜位于可見(jiàn)光和無(wú)線電波之間，波長(zhǎng)在 0.76 μm~1 000 μm 之間。怎么理解？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，一切高于絕對(duì)零度度（－273. 15 ℃）的物體都在不停地向外輻射紅外線。

信息源：Research Gate

而紅外線為何會(huì)普遍地存在于物體之中呢？這是因?yàn)槲矬w是由物質(zhì)組成的，而組成物質(zhì)的原子、分子會(huì)進(jìn)行無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，伴隨著運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，物質(zhì)會(huì)不斷地向外輻射能量，簡(jiǎn)稱熱輻射現(xiàn)象，而紅外輻射的物理本質(zhì)就是熱輻射，因此會(huì)普遍存在于物體之中。

說(shuō)了這么多，小伙伴們是不是會(huì)問(wèn)：“這和為什么紅外可以測(cè)溫有什么關(guān)系？”

要說(shuō)紅外和測(cè)溫的關(guān)系，那就涉及到熱輻射的強(qiáng)度和光譜成分了，大部分情況下，輻射量和光譜成分取決于物體的溫度和材料本身的性質(zhì)，提煉重點(diǎn)，也就是說(shuō)當(dāng)物質(zhì)材料本身差別較小時(shí)，溫度對(duì)熱輻射現(xiàn)象起著決定性作用，在某些條件下甚至是一種一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。這個(gè)時(shí)候，若是有傳感器能很靈敏地捕捉到這些紅外熱輻射數(shù)據(jù)，那我們就能通過(guò)監(jiān)測(cè)熱輻射量來(lái)判斷物體的溫度了。

醫(yī)用紅外測(cè)溫設(shè)備的類型有哪些？有什么區(qū)別？

從是否接觸被測(cè)物體的角度出發(fā)，測(cè)溫設(shè)備通常可以分為接觸型和非接觸型，這也是日常生活中最為熟知的分類模式。但在科學(xué)定義上和生活理解上還是有一些出入的，比如在科學(xué)定義層面上，我們所說(shuō)的接觸型通常指最常見(jiàn)的水銀體溫計(jì)，測(cè)量位置是腋下、口腔等，精度可達(dá) 0.1℃；而非接觸測(cè)溫通常指的是紅外測(cè)溫，包括紅外耳溫槍、紅外額溫槍、紅外測(cè)溫儀等，具有測(cè)溫范圍廣，響應(yīng)速度快，靈敏度高等特點(diǎn)，但同時(shí)擁有易受大氣狀況、環(huán)境溫度、被測(cè)物體表面發(fā)射率等因素的影響的缺點(diǎn)。我們生活中經(jīng)常將紅外耳溫槍定義為接觸型測(cè)溫設(shè)備，因?yàn)樵跍y(cè)量時(shí)通常要接觸我們的耳朵部位，這一點(diǎn)需要跟大家澄清。

信息源：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 21417.1-2008 醫(yī)用紅外體溫計(jì) 第一部分 _ 耳腔式

如果將醫(yī)用測(cè)溫設(shè)備定位到非接觸型的紅外測(cè)溫設(shè)備，那么從紅外測(cè)溫的原理出發(fā)，紅外測(cè)溫儀主要可分為全輻射測(cè)溫儀、單色（亮度）測(cè)溫儀和比色（雙波段）測(cè)溫儀，此外還有多波段和最大波段等。按照測(cè)量熱輻射的理論來(lái)說(shuō)，我們需要設(shè)計(jì)一款全輻射測(cè)溫儀，也就是測(cè)量波長(zhǎng)從零到無(wú)窮大的整個(gè)光譜范圍內(nèi)的輻射功率來(lái)確定物體的輻射溫度，但目前還沒(méi)有研發(fā)出相應(yīng)的探測(cè)器（傳感器），也沒(méi)有能透過(guò)全光譜波段的窗口或透鏡的紅外光學(xué)材料，因此我們通常選擇某一波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射功率來(lái)確定目標(biāo)亮溫，或是兩個(gè)波段輻射能量的比值與物體溫度的函數(shù)關(guān)系來(lái)測(cè)定物體色溫的方式替代全輻射測(cè)溫，而這兩種方法就是所謂的單色測(cè)溫儀和比色測(cè)溫儀的本質(zhì)了。

各類測(cè)溫方法的特點(diǎn) | 信息源：cnki

此外，從系統(tǒng)規(guī)模和功能的角度出發(fā)，非接觸紅外測(cè)溫儀可分為便攜式、在線式和掃描式三大系列。我們可以從字面來(lái)理解，便攜式紅外測(cè)溫儀就是小型的便攜設(shè)備，通常是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)量，比如耳溫槍、額溫槍。當(dāng)這些便攜設(shè)備擁有了實(shí)時(shí)導(dǎo)出數(shù)據(jù)的功能，通常是借助無(wú)線通信來(lái)完成的，那么這個(gè)設(shè)備就有了在線功能，于是就上升為了在線型紅外測(cè)溫設(shè)備，通常這類設(shè)備還會(huì)伴有一些信息再處理功能。至于掃描式紅外測(cè)溫儀就是通過(guò)掃描的方式在獲取動(dòng)態(tài)溫度的同時(shí)還可獲取圖像等相關(guān)信息的測(cè)溫設(shè)備，比如光機(jī)掃描成像儀。值得一提的是，由于集成電路的飛躍發(fā)展，近些年出現(xiàn)了基于陣列式凝視成像的焦平面熱像儀，它是一種新興的非掃描式熱成像裝置，對(duì)比光機(jī)掃描成像儀，具有視野寬、自動(dòng)調(diào)焦、連續(xù)放大、圖像清晰、分析功能強(qiáng)、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。

醫(yī)用紅外測(cè)溫設(shè)備組成原理與特點(diǎn)解析

紅外測(cè)溫設(shè)備的特點(diǎn)決定了它的應(yīng)用范圍較廣，其中工業(yè)中最為廣泛，其次是在醫(yī)用、交通、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。而寫下本文的時(shí)機(jī)是在 2020 年新冠病毒席卷中國(guó)之時(shí)，因此我們將主要介紹醫(yī)療和交通運(yùn)輸領(lǐng)域使用最多，也是缺貨最為嚴(yán)重的耳溫槍、額溫槍和基于熱成像測(cè)溫原理的體溫篩查設(shè)備（熱像儀）。

這里先普及一些術(shù)語(yǔ)和基本知識(shí)：

普朗克輻射定律：黑體輻射的能量在不同的溫度下按波長(zhǎng)分布的一般規(guī)律。

普朗克定律公式及分布情況 | 信息源：cnki

斯蒂芬 - 玻爾茨曼定律：對(duì)普朗克定律中所有波長(zhǎng)進(jìn)行積分運(yùn)算，便得到了單位面積黑體輻射到半球空間的總輻射功率。該定律指出黑體的輻射出度正比于它的絕對(duì)溫度的四次方，該結(jié)論對(duì)于黑體和實(shí)際物體都適用。

斯蒂芬 - 玻爾茨曼定律公式 | 信息源：百科

維恩位移定律：普朗克定律表明，在一定溫度下，黑體的單色輻射出度是波長(zhǎng)的單值函數(shù)。因此，必然存在一個(gè)最大值，而它所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)是一個(gè)確定值λm。通過(guò)計(jì)算可得，黑體的最大輻射本領(lǐng)與溫度的五次方成正比，黑體的單色輻射出度隨著黑體溫度的升高而急劇增大。

維恩位移定律公式 | 信息源：百科

黑體：能精確知道孔壁溫度和在孔的人一開(kāi)口處輻射率近似 1.0 的孔狀紅外輻射基準(zhǔn)源。

體溫：在特定的某一人體部位所測(cè)得的溫度。針對(duì)人體的各個(gè)部位，溫度通常會(huì)因?yàn)闄z測(cè)部位和環(huán)境參數(shù)的不同，而呈現(xiàn)不同的溫度曲線，下面是一張對(duì)比表：

信息源：知乎

分辨率：包括熱分辨率和空間分辨率兩種，其中熱分辨率是指熱像儀可分辨出的最小溫差，也成為噪音等效溫差，這是一個(gè)重要指標(biāo)，直接關(guān)乎測(cè)溫設(shè)備（熱像儀）的價(jià)格；而空間分辨率指的是圖像分辨率，即精確分辨和測(cè)量物體的能力，包括視場(chǎng)、瞬時(shí)視場(chǎng)和測(cè)量視場(chǎng)三部分。

信息源：testo AG

測(cè)量精度：測(cè)溫設(shè)備溫度讀數(shù)于標(biāo)準(zhǔn)黑體比較后的差值，通常采用絕對(duì)值和百分比兩種表達(dá)方式。

探測(cè)器：前端采集溫度信號(hào)的一種部件，是測(cè)溫設(shè)備的最關(guān)鍵組成部分。

光學(xué)組件：將接收到的熱輻射能量聚焦在探測(cè)器上的光學(xué)設(shè)備，好的光學(xué)組件價(jià)格很貴。

發(fā)射率：物體發(fā)射能量的能力，多數(shù)物體表面不能發(fā)射百分之百的能量。

透射率：由于物體大部分是不透光的，因此紅外測(cè)量人體時(shí)透射率幾乎為 0。

反射率：物體表面反射出熱量的能力，當(dāng)發(fā)射率不夠時(shí)，反射就會(huì)影響物體溫度的測(cè)量了，因此我們經(jīng)常需要進(jìn)行反射溫度補(bǔ)償。

耳溫槍 / 額溫槍

耳溫槍是利用檢測(cè)鼓膜所發(fā)出的紅外線光譜來(lái)檢測(cè)體溫的一種測(cè)溫裝置。

額溫槍是通過(guò)測(cè)量人體額頭表面溫度，再根據(jù)人體額頭的溫度與體溫的關(guān)系得到人體的實(shí)際體溫的一種測(cè)溫設(shè)備。相對(duì)于耳溫槍而言具有更加明顯的“非接觸”特點(diǎn)，也因此被廣泛的應(yīng)用到此次疫情的小型檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)及個(gè)人家用情況。

從硬件組成來(lái)看，無(wú)論是耳溫槍還是額溫槍，都包括探頭、控制單元、信號(hào)處理和補(bǔ)償單元、顯示屏和電源幾大部分組成，其中最重要的探測(cè)部件通常有兩種方案，一種是采用波導(dǎo)管、熱電堆傳感器和熱敏電阻（傳感器環(huán)境溫度測(cè)量）的組合方案，另一種是采用波導(dǎo)管、熱釋電傳感器和熱敏電阻的組合方案。

對(duì)于測(cè)量精度方面，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 21417.1-2008 的要求，耳溫槍的分辨率應(yīng)為 0.1℃或更小，在

35.0℃~42.0℃的溫度顯示范圍內(nèi)，最大允許誤差±0.2℃。而額溫槍暫時(shí)沒(méi)有找到國(guó)標(biāo)參考，只看到大部分的額溫槍的測(cè)量精度標(biāo)稱為±0.3℃，因此煩請(qǐng)各位留言補(bǔ)充。

下面是江蘇潤(rùn)石提供的基于熱電堆傳感器的手持式紅外測(cè)溫儀原理框圖。

信息源：江蘇潤(rùn)石

上圖中未注明熱電堆傳感器推薦型號(hào)，根據(jù)查找資料以及現(xiàn)貨供應(yīng)群的反饋結(jié)果，大家通常使用的有：MLX90614（內(nèi)部集成了 Melexis 的紅外熱電堆傳感器 MLX81101 和信號(hào)處理專用集成電路 MLX90302 兩款精密測(cè)量芯片）、MLX90615SSG 等。

信息源：網(wǎng)絡(luò)視頻

相比于上述的熱電堆方案，還有一種熱釋電傳感方案也常用于手持式耳溫槍 / 額溫槍的設(shè)計(jì)，具有響應(yīng)速度快、光譜響應(yīng)寬、工作頻率寬、靈敏度與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)等優(yōu)點(diǎn)。

下面是基于熱釋電傳感器 LN074B 的典型設(shè)計(jì)電路參考：

信息源：網(wǎng)絡(luò)

此外常用的熱釋電傳感器還包括 PerkinElmer 的 LHI878、TE Connectivity 的 TSH01A405-32SL55 等。

當(dāng)然，根據(jù)我平常的選型慣例，都是去貿(mào)澤或者其他分銷商平臺(tái)或官網(wǎng)通過(guò)檢索、過(guò)濾得到我想要的型號(hào)的，畢竟那樣是最直接的滿足自己目標(biāo)器件篩選的方法，此處不是廣告，大家隨意，如果有更好的方法，大家也可以推薦給我，不勝感激。

信息來(lái)源：貿(mào)澤

熱像儀

上面已經(jīng)提到過(guò)，通常熱像儀可分為光機(jī)掃描成像儀和非掃描成像儀兩種，此處不再贅述。

針對(duì)光機(jī)掃描成像儀這里分享一份動(dòng)態(tài)輻射掃描測(cè)溫儀工作框圖：

信息源：cnki

針對(duì)非掃描成像儀，這里要介紹一下紅外焦平面陣列熱成像儀。其核心部件稱為焦平面陣列（FPA），類似于 CCD/CMOS 芯片。采樣時(shí)一個(gè)微景元對(duì)應(yīng)陣列上的一個(gè)像素，整幅紅外圖像一次完成，具有大面陣、高分辨率、高性能等特點(diǎn)，適用于大型場(chǎng)所。

對(duì)紅外焦平面陣列探測(cè)器進(jìn)行分類，可以分為制冷和非制冷兩種。從字面上的意思我們就可以得出，我們現(xiàn)在用于大流量地區(qū)人體測(cè)溫的應(yīng)該是可在室溫下工作且成本較低、故障率低的非制冷型焦平面探測(cè)器。

說(shuō)到紅外焦平面陣列熱成像儀，我們不得不談?wù)劷蛊矫骊嚵刑綔y(cè)器。一般來(lái)說(shuō)，紅外焦平面陣列探測(cè)器由兩部分組成：一是規(guī)模為 N×M 大小的紅外焦平面陣列，該陣列上排布著一定像元大小的光敏感器件，規(guī)模大小也就決定了一個(gè)紅外探測(cè)器的分辨率；還有一個(gè)就是與紅外焦平面陣列相匹配的讀出電路了。這兩部分通常由 flip-chip 鍵合技術(shù)通過(guò)銦柱或其他材料連接到一起，如下圖所示：

紅外焦平面探測(cè)器 | 信息源：cnki

前者是用來(lái)收集熱輻射信號(hào)的，并將其轉(zhuǎn)換為光電流信號(hào)；而后者則是將光電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為放大后的電壓信號(hào)。小伙伴們是不是好奇，怎么才能將光電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)呢？這是通過(guò)一個(gè)電容對(duì)固定且較短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的光電流信號(hào)進(jìn)行積分產(chǎn)生的，此時(shí)每個(gè)像素的電壓值就可以反映出該像素點(diǎn)的紅外輻射能量了。然后再通過(guò) ADC 轉(zhuǎn)換，并將其進(jìn)行濾波、放大等處理后形成一個(gè)幅度較大的電壓信號(hào)，從而通過(guò)算法恢復(fù)出圖像。

疫情當(dāng)前，很多廠商推出了紅外焦平面陣列熱成像方案，比如海康威視推出的“會(huì)議平板+熱成像”提問(wèn)篩查系統(tǒng)，大華推出的人體熱成像測(cè)溫系統(tǒng)（據(jù)說(shuō)誤差只有±0.1℃），高德推出的 G120 全自動(dòng)紅外熱成像測(cè)溫告警告系統(tǒng)（標(biāo)稱精度≤0.5℃）等。這些系統(tǒng)的應(yīng)用，對(duì)于發(fā)熱病人的篩選起到了很好的快速“大過(guò)濾”作用。

信息源：高德

困擾紅外測(cè)溫設(shè)備發(fā)展的三大問(wèn)題與對(duì)策介紹

問(wèn)題一：微弱信號(hào)的放大和抗干擾問(wèn)題

通常傳感器收集到的熱輻射信號(hào)都是很小的，然后通過(guò)轉(zhuǎn)換得到的光電信號(hào)又已經(jīng)衰減了一部分，同時(shí)我們收集到的熱輻射信號(hào)一定是存在噪聲的，沒(méi)有一樣物體能夠沒(méi)有背景的存在，只是信噪比的問(wèn)題了。因此誰(shuí)家的放大電路和抗干擾電路做的好，就能賣更好的價(jià)格。

對(duì)于放大電路來(lái)說(shuō)，是模擬信號(hào)處理的環(huán)節(jié)，國(guó)內(nèi)起步較晚，但近些年也有很大的進(jìn)步了，其中聚洵半導(dǎo)體科技（上海）有限公司就聲稱其微創(chuàng)新的運(yùn)放就滿足紅外測(cè)溫儀的高精度要求，且穩(wěn)定性較好，性價(jià)比也高，并可在疫情期間充足供貨。

對(duì)于抗干擾部分來(lái)說(shuō)，不僅取決于電路本身，目前算法方面的精進(jìn)也是解決干擾問(wèn)題的重要手段，甚至有的芯片中已集成了部分算法，使用更加便捷，用它做出來(lái)的設(shè)備也有更好的信噪比，同時(shí)體積、功耗都可以進(jìn)一步減小。

問(wèn)題二：信號(hào)與實(shí)際溫度值的非線性對(duì)應(yīng)問(wèn)題

很多時(shí)候我們采樣的信號(hào)與實(shí)際溫度是一種非線性的關(guān)系，從前面章節(jié)中的人體不同部位不同室溫下的溫度曲線也可以理解半分。

面對(duì)這樣的問(wèn)題，我們有的可以通過(guò)標(biāo)定來(lái)解決，有的則要通過(guò)算法進(jìn)行更深層次的非線性溫度補(bǔ)償了。

問(wèn)題三：傳感器探頭所處溫度對(duì)信號(hào)的影響

傳感器所處的溫度變化會(huì)直接導(dǎo)致測(cè)量所得溫度的漂移，這是由傳感器本身的特性決定的，再往深了講，這是由組成傳感器的材料的特性所決定的，我們沒(méi)辦法改變。所以我們通常需要針對(duì)不同的被測(cè)物體和測(cè)量環(huán)境進(jìn)行建模，再通過(guò)學(xué)習(xí)算法進(jìn)行相應(yīng)的環(huán)境補(bǔ)償，來(lái)部分解決這個(gè)問(wèn)題。

寫在最后

疫情期間，關(guān)于如何選型，我認(rèn)為家庭使用耳溫槍或是耳溫槍都可以，有小寶寶的最好購(gòu)買額溫槍，而大型場(chǎng)所或是有條件的公司可購(gòu)買熱成像儀，充分體現(xiàn)無(wú)感測(cè)溫、高速篩查的優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)于這一部分，我看到有網(wǎng)友吐槽采用焦平面成像儀大材小用，其實(shí)不然，沒(méi)有無(wú)用的圖像，只有不夠到位的算法和利用率。

TIps：有沒(méi)有小伙伴和我一樣，在未知的情況下?lián)募t外熱成像儀對(duì)我們的身體有害呢？

經(jīng)過(guò)核實(shí)，是不會(huì)的，反而還可以起到一些保健的作用，因此請(qǐng)放心通過(guò)這些體溫篩選關(guān)卡。