醫(yī)用紅外測溫設備組成原理與特點解析

為什么紅外可以測溫？

紅外線以電磁波的形式存在于世界的各個角落，它的頻譜位于可見光和無線電波之間，波長在 0.76 μm~1 000 μm 之間。怎么理解？簡單來說，一切高于絕對零度度（－273. 15 ℃）的物體都在不停地向外輻射紅外線。

信息源：Research Gate

而紅外線為何會普遍地存在于物體之中呢？這是因為物體是由物質(zhì)組成的，而組成物質(zhì)的原子、分子會進行無規(guī)則運動，伴隨著運動狀態(tài)的改變，物質(zhì)會不斷地向外輻射能量，簡稱熱輻射現(xiàn)象，而紅外輻射的物理本質(zhì)就是熱輻射，因此會普遍存在于物體之中。

說了這么多，小伙伴們是不是會問：“這和為什么紅外可以測溫有什么關(guān)系？”

要說紅外和測溫的關(guān)系，那就涉及到熱輻射的強度和光譜成分了，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，也就是說當物質(zhì)材料本身差別較小時，溫度對熱輻射現(xiàn)象起著決定性作用，在某些條件下甚至是一種一一對應的關(guān)系。這個時候，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)，那我們就能通過監(jiān)測熱輻射量來判斷物體的溫度了。

醫(yī)用紅外測溫設備的類型有哪些？有什么區(qū)別？

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

信息源：國家標準 GB/T 21417.1-2008 醫(yī)用紅外體溫計 第一部分 _ 耳腔式

如果將醫(yī)用測溫設備定位到非接觸型的紅外測溫設備，那么從紅外測溫的原理出發(fā)，紅外測溫儀主要可分為全輻射測溫儀、單色（亮度）測溫儀和比色（雙波段）測溫儀，此外還有多波段和最大波段等。按照測量熱輻射的理論來說，我們需要設計一款全輻射測溫儀，也就是測量波長從零到無窮大的整個光譜范圍內(nèi)的輻射功率來確定物體的輻射溫度，但目前還沒有研發(fā)出相應的探測器（傳感器），也沒有能透過全光譜波段的窗口或透鏡的紅外光學材料，因此我們通常選擇某一波長范圍內(nèi)的輻射功率來確定目標亮溫，或是兩個波段輻射能量的比值與物體溫度的函數(shù)關(guān)系來測定物體色溫的方式替代全輻射測溫，而這兩種方法就是所謂的單色測溫儀和比色測溫儀的本質(zhì)了。

各類測溫方法的特點 | 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。我們可以從字面來理解，便攜式紅外測溫儀就是小型的便攜設備，通常是點對點測量，比如耳溫槍、額溫槍。當這些便攜設備擁有了實時導出數(shù)據(jù)的功能，通常是借助無線通信來完成的，那么這個設備就有了在線功能，于是就上升為了在線型紅外測溫設備，通常這類設備還會伴有一些信息再處理功能。至于掃描式紅外測溫儀就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(guān)信息的測溫設備，比如光機掃描成像儀。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，對比光機掃描成像儀，具有視野寬、自動調(diào)焦、連續(xù)放大、圖像清晰、分析功能強、使用方便等優(yōu)點。

醫(yī)用紅外測溫設備組成原理與特點解析

紅外測溫設備的特點決定了它的應用范圍較廣，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。而寫下本文的時機是在 2020 年新冠病毒席卷中國之時，因此我們將主要介紹醫(yī)療和交通運輸領(lǐng)域使用最多，也是缺貨最為嚴重的耳溫槍、額溫槍和基于熱成像測溫原理的體溫篩查設備（熱像儀）。

這里先普及一些術(shù)語和基本知識：

普朗克輻射定律：黑體輻射的能量在不同的溫度下按波長分布的一般規(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：對普朗克定律中所有波長進行積分運算，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溫度的四次方，該結(jié)論對于黑體和實際物體都適用。

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的單值函數(shù)。因此，必然存在一個最大值，而它所對應的波長是一個確定值λm。通過計算可得，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口處輻射率近似 1.0 的孔狀紅外輻射基準源。

體溫：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(shù)的不同，而呈現(xiàn)不同的溫度曲線，下面是一張對比表：

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，這是一個重要指標，直接關(guān)乎測溫設備（熱像儀）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。

信息源：testo AG

測量精度：測溫設備溫度讀數(shù)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。

探測器：前端采集溫度信號的一種部件，是測溫設備的最關(guān)鍵組成部分。

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，好的光學組件價格很貴。

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，因此紅外測量人體時透射率幾乎為 0。

反射率：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，因此我們經(jīng)常需要進行反射溫度補償。

耳溫槍 / 額溫槍

耳溫槍是利用檢測鼓膜所發(fā)出的紅外線光譜來檢測體溫的一種測溫裝置。

額溫槍是通過測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)系得到人體的實際體溫的一種測溫設備。相對于耳溫槍而言具有更加明顯的“非接觸”特點，也因此被廣泛的應用到此次疫情的小型檢測現(xiàn)場及個人家用情況。

從硬件組成來看，無論是耳溫槍還是額溫槍，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。

對于測量精度方面，根據(jù)國家標準 GB/T 21417.1-2008 的要求，耳溫槍的分辨率應為 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℃。而額溫槍暫時沒有找到國標參考，只看到大部分的額溫槍的測量精度標稱為±0.3℃，因此煩請各位留言補充。

下面是江蘇潤石提供的基于熱電堆傳感器的手持式紅外測溫儀原理框圖。

信息源：江蘇潤石

上圖中未注明熱電堆傳感器推薦型號，根據(jù)查找資料以及現(xiàn)貨供應群的反饋結(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 和信號處理專用集成電路 MLX90302 兩款精密測量芯片）、MLX90615SSG 等。

信息源：網(wǎng)絡視頻

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(guān)等優(yōu)點。

下面是基于熱釋電傳感器 LN074B 的典型設計電路參考：

信息源：網(wǎng)絡

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

當然，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或官網(wǎng)通過檢索、過濾得到我想要的型號的，畢竟那樣是最直接的滿足自己目標器件篩選的方法，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。

信息來源：貿(mào)澤

熱像儀

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

針對光機掃描成像儀這里分享一份動態(tài)輻射掃描測溫儀工作框圖：

信息源：cnki

針對非掃描成像儀，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。采樣時一個微景元對應陣列上的一個像素，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，適用于大型場所。

對紅外焦平面陣列探測器進行分類，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)人體測溫的應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器。

說到紅外焦平面陣列熱成像儀，我們不得不談談焦平面陣列探測器。一般來說，紅外焦平面陣列探測器由兩部分組成：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紅外探測器的分辨率；還有一個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)通過銦柱或其他材料連接到一起，如下圖所示：

紅外焦平面探測器 | 信息源：cnki

前者是用來收集熱輻射信號的，并將其轉(zhuǎn)換為光電流信號；而后者則是將光電流信號轉(zhuǎn)換為放大后的電壓信號。小伙伴們是不是好奇，怎么才能將光電信號轉(zhuǎn)換為電壓信號呢？這是通過一個電容對固定且較短時間內(nèi)產(chǎn)生的光電流信號進行積分產(chǎn)生的，此時每個像素的電壓值就可以反映出該像素點的紅外輻射能量了。然后再通過 ADC 轉(zhuǎn)換，并將其進行濾波、放大等處理后形成一個幅度較大的電壓信號，從而通過算法恢復出圖像。

疫情當前，很多廠商推出了紅外焦平面陣列熱成像方案，比如?？低?/u>推出的“會議平板+熱成像”提問篩查系統(tǒng)，大華推出的人體熱成像測溫系統(tǒng)（據(jù)說誤差只有±0.1℃），高德推出的 G120 全自動紅外熱成像測溫告警告系統(tǒng)（標稱精度≤0.5℃）等。這些系統(tǒng)的應用，對于發(fā)熱病人的篩選起到了很好的快速“大過濾”作用。