探热设备的设计与精准性

朱燕艺

（广州中医药大学第三附属医院 广东省广州市 525100）

1 前言

目前市场上探热设备五花八门，存在各种各样的类型，其中各类探热设备的工作原理、内部结构、检测精度和市场上销售价格等等不一样。为了探索探热设备的设计与精准性，现对市场上存在的探热设备的设计与精准性进行探究。

2 目前公共场所人体筛查体温时存在以下缺点

（1）测温速度慢，需要人为干预，逐一进行单体测温，操作繁琐，工作量大。

（2）室外测量时人体体温干预因素多，导致体温测量不精准，容易出现误测的情况，

（3）测量时需要和被测对象接触，往往由于在使用时消毒不彻底，临床使用上容易出现交叉感染的情况；

（4）测量时需要测量人员的高度配合，容易引起测量人员的不满与不配合。

3 探热设备市场情况

目前市场上探热设备五花八门，其中我们最常见的就是红外测温设备，它是将物体发射的红外线具有的辐射能转变成电信号，红外线辐射能的大小与物体本身的温度相对应，根据转变成电信号大小，可以确定物体的温度。

自然界中，凡是绝对温度大于零度的物体都能辐射与自身性质、温度相关的电磁波能量，这种现象为热辐射现象或者红外线辐射。红外线辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它是基于任何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动，并不停地辐射出热红外能量，分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量愈小。

根据红外辐射原理，目前市场上开发出各种测温设备，普遍分为耳温计、额温计、热成像摄像系统等。耳温计是利用检测鼓膜所发出的红外线光谱来测量体温的一种测温装置；额温计是通过测量人体额头表面温度，再根据人体额头的温度与体温的关系得到人体的实际体温的一种测温设备。这两款测温设备都是小型的便携设备，通常是点对点测量，能实时导出数据的功能。额温计具有非接触特点，因此被广泛应用到小型检测现场及个人家用情况。这两种探测设备都具有测温范围广，响应速度快，灵敏度高等特点，但同时具有易受环境状况、环境温度、被测物体表面发射率等因素的影响的缺点。热成像摄像系统具有光机扫描成像仪和非扫描成像仪两种，光机扫描成像仪是通过扫描的方式在获取动态温度的同时还可获取图像等相关信息的测温设备，具有视野宽、自动调焦、连续放大、图像清晰、分析功能强、使用方便等优点；非扫描成像仪是基于阵列式凝视成像的焦平面热像仪，对比光机扫描成像仪，具有视野宽、自动调焦、连续放大、图像清晰、分析功能强、使用方便等优点。

图1

图2

图3

图4

目前市场上的探热设备具有较为显著的三个问题，一是弱信号的放大和抗干扰问题；二是存在信号和实际温度值的非线性对应问题；三是传感器探头所处温度对信号影响的问题。

4 对探热设备的研究

4.1 耳温计与额温计

耳温计和额温计都包括探头、控制单元、信号处理和补偿单元、显示屏和电源几大部分组成，其中最重要的探测部件通常有两种方案，一种是采用波导管、热电堆传感器和热敏电阻（传感器环境温度测量）的组合方案，另一种是采用波导管、热释电传感器和热敏电阻的组合方案；用热释电传感方案相比于热电堆方案设计的耳温计和额温计具有响应速度快、光谱响应宽、工作频率宽、灵敏度与波长无关等优点。

额温计由主控板、红外传感器、蜂鸣器、电池等组成，样机拆分图片如图1 所示。

额温计的硬件框架图如图2 所示。

额温计区别于传统体温计最大特点就是非接触式测温，测量速度快、效率高、减少了不同个体之间的交叉感染的机会，在大家的日常生活中也运用得很广泛，在各大商场、店铺、小区等小型公共场所或家庭使用用到。

4.2 红外热成像摄像系统

（1）组成：光学镜头、红外探测器、信号处理系统等；

（2）测温组成及工作框图（图3）。

（3）测温原理：被测物发射的红外线辐射通过光学镜头收集后被红外探测器所获取，通过红外探测器检测被测物的红外辐射能量。辐射能量和温度存在对应关系，通过信号处理系统将辐射能量即温度通过不同灰度显示出来，灰度的不同代表温度不同。再通过黑体进行测温标定，建立灰度与温度的准确对应关系，来实现测温功能。

如图4 所示，热成像摄像系统的热灵敏度越高，那它分辨细小温差的能力就越强，测出来的温度也就越准确。例如一台红外热成像摄像系统的热灵敏度是0.01℃，也就意味着它能分辨出0.01℃的温差。将温度转化为视觉图像，每张热像图中的像素其实都是温度点，图上温度点的多少与设备本身的红外像素有关，例如设备的红外像素是384×288，那热像图上就有约8 万个温度点，相当于用8万支测温计在同时测温。如图5 所示。

热成像摄像系统可以同时非接触一次测量几个行走人员的体温，需要测量人员的配合度低，在一些大型的公共场所使用较为广，例如火车站、医院、地铁等公共地方使用，不仅可以快速筛查人体体温，还可以较少人与人的接触，降低交叉感染风险同时还可以提高筛查人体温度的效率。

4.3 探热设备关键组成部分

（1）黑体：指入射的电磁波全部被吸收，既没有反射，也没有透射，作为热辐射研究的标准物体，能精确知道孔壁温度和对准孔德人一开口处辐射率近似 1.0 的孔状红外辐射基准源。利用红外线探热设备在长期使用的过程中会受外部因素影响，而造成误差，所以需要用黑体来校准。

（2）探测器：前端采集温度信号的一种部件，是测温设备的最关键组成部分，是一种传感器，它的任务是把光信号转化为电信号。传感器设置一般采用波导管、热电堆传感器和热敏电阻的组合方案，或采用波导管、热释电传感器和热敏电阻的组合方案。探热设备根据能量转换所用材料不同，在接收红外能量后，转换方式和材料能效比不同。市场上主要有热释电型、二极管型、双材料薄膜、热敏电阻型等。

（3）光学组件：将接收到的热辐射能量聚焦在探测器上的光学设备，一般有镜头和光栅等组成。光学组件可以将辐射能量汇集到观点探测机构上，光电探测器将辐射能量转换成电信号输出给后级的信号处理电路，从而得到温度值。合理选取光学组件，设置合理参数，降低弱信号的放大和抗干扰。

（4）分辨率：包括热分辨率和空间分辨率两种，其中热分辨率是指探热设备可分辨出的最小温差，也成为噪声等效温差，这是一个重要指标，直接关乎探热备的价格；而空间分辨率指的是图像分辨率，即精确分辨和测量物体的能力，包括视场、瞬时视场和测量视场三部分。

4.4 非接触式探热设备优点

（1）测量速度快，通常检测时间短；

（2）测量效率高，可同时对多个人进行体温测量，人员配合度低；

（3）测量过程中不需要和被测对象接触，不会因为消毒不彻底出现交叉感染的情况。

5 如何提高探热设备测量的精准性

探热设备温度读数于标准黑体比较后的差值，通常采用绝对值和百分比两种表达方式测量的精度，可以通过下面几点提高探热设备的测量精准性。

（1）探热设备的测温精度和使用方法有着非常大的关系，例如距离，一般情况下，红外传感器都会有一个具体的距离系数的指标，理论上红外探头和被测物体的距离越近越好，但考虑到测温设备的发射率、透射率和反射率，发射率是反映物体发射能量的能力，多数物体表面不能发射百分之百的能量，由于物体大部分是不透光的，因此红外测量人体时透射率几乎为 0，物体表面反射出热量的能力，当发射率不够时，反射就会影响物体温度的测量了。因此需要合理控制测量设备与测量人体的距离，以及需要对设备进行反射温度补偿。额温计测量距离控制在5～15cm 左右，保持测量姿势0.5-1.0 秒。热成像摄像系统测量时在其测量范围内即可。

（2）选取适合的温度传感器，设置合理参数指标，合理选择组合方案，注意选择传感器尺寸，不能选择过大或者太小，明确光学分辨率，确定波长范围，确定响应时间、信号处理功能等。通常传感器收集到的热辐射信号都是很小的，然后通过转换得到的光电信号又已经衰减了一部分，同时我们收集到的热辐射信号一定是存在噪声的，通过处理放大电路和干扰电路来改善信噪比，因此可以尽量避免出现传感器探头所处温度对信号影响的问题。

（3）探热设备所处的环境条件对温度测量结果也会产生很大的干扰和影响，选择环境不合适，容易影响测量温度的精度甚至容易引起探热设备的损坏。将测量设备安装放置在合理的位置，尽量减少外界因素的干扰，例如测量位置尽量安排在室内可以遮阴挡雨的地方。当环境温度过高、存在灰尘、烟雾和蒸汽的条件下，需要通过使用保护套、水冷却、空气冷却系统、空气吹扫器等工具解决环境影响引起的测温不准确的情况。为了避免传感器探头所处温度对信号的影响，可以通过针对不同的被测物体和测量环境进行建模，再通过学习算法进行相应的环境补偿。

（4）体温是指在特定的某一人体部位所测得的温度。针对人体的各个部位，温度通常会因为检测部位和环境参数的不同，而呈现不同的温度曲线，不同部位测量温度对比如图6 所示。

从图6 中可知，表面温度受环境温度变化影响程度大小程度为：脚>手>皮肤>躯干>头>直肠，直肠表面温度受到环境温度变化影响程度最小，说明直肠的表面温度最接近人体温度，但是在正常情况下，测量人体直肠表面温度作为人体参考温度是不可取的。从图片中可知头的表面温度受到环境温度变化的影响程度仅排在直肠后面，相对来说头的表面温度更接近人体实际温度，人体的头部是裸露在外面的，头表面温度作为人体温度参考值更加便利与合理。

6 结语

图5

图6

综上，各种探热设备对于临床发热病症温度检测起到了关键性作用，而且间非接触式的探热设备，如额温计和热成像系统使用范围最广。为了提高探热设备的测量温度，在测量时测量人体的头部更加合理，为了减少环境影响因素，需要选择合适的地方和使用一些防护措施。