疫情期间红外测温枪检测的基础理论和实验研究

李 琼，赵钰虎，饶文昊

(华北科技学院 建筑工程学院，北京 东燕郊 065201)

0 引言

2019冠状病毒病(COVID-19)大爆发，今年我国对于公共健康安全的重视更是达到了一个新的高峰，使得人们对于公共健康安全的重视程度不断的提高。而体温作为表征人体健康的一个重要指标之一，体温检测成为了筛查可能病患者的一大重要方法，通过快速而准确的测温可以筛查出疑似病患，避免疫情的大规模蔓延。

常见的人体体温测量方法，主要分为2大类，即接触式和非接触式[1-2]。接触式测量最常用的是使用水银温度计测量人体温度，其中常测量部位为腋下、口腔，精度可以达到0.1℃满足人体的测温需求，但接触式测量每次测量需与人体直接接触可能会感染病菌，因此每次使用需要进行消毒，并且测量速度相对较慢，无法适应人员快速的流动和大范围的测量[3]。疫情期间测温需求量大，各地红外测温的大规模使用已经验证红外测温的实用性。红外辐射测温技术是由于物体自身温度以电磁波形式向外发射能量的物理现象。在检测中，只需要保证物体温度在绝对零度以上，其表面就会散发出红外辐射，而散发的辐射量大小与物体自身温度有直接关系，所以可以通过测量物体辐射量来确定物体温度[4]。但红外测温时易受大气状况、环境温度、被测物体表面发射率等因素的影响。一般测量误差在1℃以上，不能适应临床诊断测体温要求[5-7]。而实际红外线耳温计和水银体温计有着较好的相关性(r =0.818)。从使用效果来看,对于 38～39℃的常见的中度发热患者检出率高达95%,符合率达到 90%以上,但误差较大,最大约1.3℃[8]。现有国内外红外测温枪对于人体测温的文献中，相关文献寥寥无几，并且对于各因素对红外测温枪测温的影响给出的实测方案论述并不多，如文献[9]只论述了红外测温枪的使用，对于对红外测温枪测温的影响因素没有任何提及。

因此本文将影响红外测温枪的测温误差因素进行研究和分析。通过4种方法分析：问卷调查的分析、拟用单一变量法实测分析、利用相关性等方面误差分析和理论分析。本文对疫情期间如何利用红外测温枪精确高效的测温提供了应急指导方案，并对红外测温枪的改良提供数据支撑及理论依据，具有十分重要的社会意义和实用价值。

1 材料与方法

1.1 疫情期间的调研分析

根据发放的测温需求和测温数据的调查，被调研人群中，年轻人较多，老年人较少。疫情期间大多数测温仪器为红外线测温枪，其他测温仪器使用较少。疫情期间，多数人在比较寒冷的室外低温环境中测温，测温仪器测温时距被测人员的部位远近不一，测量部位主要是脖子、额头、手腕等。统计被测者的体温。统计的测温数据中，部分数据表明测得的体温与实际体温偏差比较大。少数被隔离人员，体温测量仪器依然采用红外线测温枪较多，在室内较高的环境温度，测温部位是额头和手腕等，测温距离较近，每天平均测温5次，每次测温时隔3小时。统计数据显示被隔离人员被测体温都相对准确，所得数据偏差比较小。

1.2 实测方法

水银温度计是利用汞的热膨胀正比和温度来工作的。它内部的汞是很稳定的，密闭在它内部的玻璃管内，它的热膨胀系数是恒定的。用它来测量温度，不仅比较简单直观，而且还可以避免外部远传温度计的误差，所以我们利用它作为标准体温的监测温度，然后利用红外测温枪进行测量各部位的体温，进行两个体温的对比分析。由志愿护理人员手持非接触式红外线测温枪对居民进行测量(被测温人员在测温前后一周时间内身体健康指数标准)，将红外测温枪对准额头、手腕及耳廓等部位，按下测量键后约10 s，听到“滴”声响后完成测量，记录数据，如图2所示。

为进一步探讨不同因素对测温枪测温数据误差的影响，本文于2020年3月6日在山西省大同市广灵县进行了对比实验，实测仪器如表1所示。

表1 实测仪器表

实测期间，从上午8∶00开始，首先在室内环境下，使用水银温度计测量人体腋下的实测温度(测量两次取平均值并记录数据)。并分别在与各部位(手腕，额头，脖子，腋下)相距15 mm和30 mm测量人体的红外测温枪温度(测量两次取平均值并记录数据)。同时，在室外环境进行与室内中相同的测温过程。在之后测温的时间里每隔1小时，重复上述的所有过程，共10次。测量方法的可靠性：我们采取的是在同时间同地点的测温，其次在测温时使用北京时间进行间隔计时，测温距离使用游标卡尺进行距离的测定，同时室内室外的温度是利用电子温度计进行实时温度监测，然后进行测温。

1.3 误差分析方法

所有测量数据均采用Excel建立数据库，使用Excel与Origin8.5制图来分析红外测温枪与水银体温计测量值的相关性与误差大小，并根据测温原理探究讨论环境温度、测温时间、测温距离与测温位置等与误差的关系。

使用红外测温枪时，其辐射影响因素主要包括物体表面的发射率、外界的反射辐射、大气衰减、辐射率、反射率等，根据红外测温枪的测温原理，它是靠接收被测物表面发射的辐射来确定其温度的。实际测量时，红外测温枪接收到的有效辐射包括3部分：目标自身辐射、环境反射辐射和大气辐射。测温原理如图3所示。

图3 红外测温实测原理图

由文献[10]知红外测温枪测温公式为:

(1)

由式(1)可以推导出如下物体自身温度Ts相关公式：

(2)

由式(2)可知Ts是由环境反射辐射率、距离系数、周围环境、大气温度、环境反射率和透射率等因素确定。本文重点分析环境反射辐射和测温距离的影响。

1.3.1 环境反射辐射的影响

由实测分析可知，环境温度对被测目标温度具有不可忽略的影响，因此在温度测量中需要考虑环境反射辐射对红外测温的影响。根据基尔霍夫定律：热平衡时，任意物体对黑体投入辐射的吸收比等于同温度下该物体的发射率。但实际人体测温情况下，投入辐射即非黑体辐射，更不会处于热平衡。由斯蒂芬-玻尔兹曼定律，黑体的全辐射能Mo(λ,T)与它的热力学温度的四次方成正比，即：

Mo(λ,T)=σT4

(3)

式中，σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，取为5.6693×10-8W·m-2·K-4。

实际人体测温中，处在相同温度状态的人体辐射能量总是小于黑体的辐射能量。此时人体可视为灰体。实际物体的发射率为同一温度状态下实际物体与黑体辐射能量之比。即：

(4)

由式(3)(4)可以得出：

M(λ,T)=ε·σ·T4

(5)

而又由基尔霍夫定律，在热平衡条件下，任何物体的自身辐射和它对来自黑体辐射的吸收比的比值，恒等于同温度下黑体的辐射力。即

(6)

可以得出结论：

ε=α

(7)

而人体在实际情况可视为漫灰表面，考虑到灰体发射率及吸收比的关系，对于人体一定有α=ε。这就是说：对于人体，不论投入辐射是否来自黑体，也不论是否处于热平衡条件，其吸收比恒等于同温度下的发射率。人体在实际情况是不透明物体，因此人体的物体透射率可视为零，此时只有辐射和反射。在实际人体测温情况下有：

ρs=1-εs

(8)

1.3.2 距离系数的影响

如图4所示，距离系数(K=S/D)时红外测温枪到目标的距离S与测温目标直径D的比值，距离系数对红外测温的精确度有很大的影响，K值越大，分辨率越高。目标物体距离太远，红外测温枪接收到的辐射能减小，所测温度比目标物体的实际温度偏低。

图4 距离系数对红外测温的影响

2 结果分析

2.1 实测分析

2.1.1 测温距离和测温部位对红外测温枪的影响

实测包括室内和室外测试两部分。室内实测时平均环境温度22℃，测温人员处于稳定状态，测温距离分别15 mm和30 mm，研究了测温距离对红外测温枪的测温误差的影响。如图5所示，测温距离为30 mm的测温误差较大，测温距离为15 mm时测温误差较小；在手腕和额头处测温误差偏大，在脖子处测温误差较小。室外实测时平均环境温度9.3℃，测温人员处于稳定状态，测温距离分别15 mm和30 mm，研究了测温距离和不同测温部位对红外测温枪的测温误差的影响。图5与图6结果接近一致。

图5 室内环境不同测温部位的箱式图

图6 室外环境不同测温部位的箱式图

综合分析表明：无论在室外还是室内，手腕和额头的测温误差是相对较大，脖子测温误差是相对较小。测温距离为30 mm时误差较大，而测温距离为15 mm时误差较小。因此，在使用红外测温枪测量体温时，尽量在室内环境下进行，测温部位为脖子，且需尽量靠近体表。

2.1.2 环境温度对红外测温枪的影响

如图7、8实测的分别是室内和室外对脖子的实际测温数据，测温人员处于稳定状态，研究了一天里各个时间段室外环境温度对红外测温枪的影响。由图7可知，室内测温，且测温距离为距脖子15 mm和30 mm时，测温误差较小，但是距离更远时测温误差变大。由图8可知，室外测温，且测温距离为距脖子15 mm和30 mm时，在时间段8～11和16～18处误差都偏大，在时间段11～16时测温误差都偏小。实测数据为环境温度在室外的4～12℃和室内的22～23℃的范围内，其测温分析分别为:室外测温距离15 mm脖子处，平均测温35.95℃误差5.2%，实测体温36.47℃。室内测温距离15 mm脖子处，平均测温为36.35℃误差为1.3%，实测体温为36.4℃。 统计分析表明：在22℃平均温度稳定室内测温，测温数据跟真实体温偏差很小，一天内的实测温度波动性较小。在9.3℃平均温度的室外测温，其在温度偏低的早上和下午所测得的数据偏差较大，并且温度的波动性较大。可知在测温部位不变时，测温的环境温度越高，其测温的数据更能准确体现真实体温。

图7 室内测温环境因素实测数据

图8 室外测温环境因素实测数据

2.2 误差分析

2.2.1 室内环境条件下误差分析

如图9、10所示，在室内平均温度22℃测温距离15 mm和30 mm，研究室内不同测温距离对红外测温枪测量误差的影响。图9可知，测量温度在36～37℃，测温距离15 mm数据的相关性系数R2为0.8244 。图10可知测温数据在36～37℃，测温距离30 mm数据的相关性系数R2为0.3115。室内环境温度测量数据分别为15 mm脖子处平均温度为36.35℃，误差1.3%；30 mm脖子处平均温度为36.2℃，误差2.8%，实测温度为36.4℃。

图9 室内测温距离15 mm误差分析

图10 室内测温距离30 mm误差分析

2.2.2 室外环境条件下误差分析

如图11、12所示，在室外平均温度9.3℃测温距离15 mm和30 mm，研究室外不同测温距离对红外测温枪测量误差的影响。图11可知测温在35.5～36.5℃，测温距离15 mm数据相关性系数R2为0.4647。图12可知测温数据在35～36.5℃，测温距离30 mm数据相关性系数R2为0.3495，室外环境温度测量数据分别显示为15 mm脖子处测温平均温度为35.95(℃)误差5.2%和30 mm处脖子处平均温度为35.7℃误差7.7%，实测温度为36.4(℃)。

图11 测温距离15 mm和测温数据的相关性

图12 测温距离30 mm和测温数据的相关性

实测结果表明，测量环境温度越高，测温数据的相关性越大，所测的数据越准确，测量的误差越小。同一环境温度误差随着测温距离的增大而增大，所以测温距离越接近测温物体，测温的误差越小。近距离测量时可以忽略大气衰弱带来的影响，物体表面发射率的偏差计算对侧的温度对影响大，并且由于外界的各种辐射的因素会对测温误差产生较大的影响，总体导致测温误差减小。因此要提高红外测温枪的准确性应当增大被测物体的表面发射率εs，同时因为ρs=1-εs可以减少周围环境温度对于红外测温枪测温的干扰。而大气的温度一般不易影响，不做过多考虑。但从理论分析可以增大距离系数，降低大气中气体分子和各种微粒的吸收和散射作用等方面提高红外测温枪的精度。

3 结论

(1) 红外测温枪的精度与操作的方法有着很大的联系，测量结果受到测温距离、测温位置和测温环境的影响，本文主要以北方为测温环境，测量当天的室外环境有较大的风力影响，天气较为干燥。综合数据分析可知测温距离和环境温度的影响更为明显。

(2) 对实测数据进行误差分析可知，其室内环境测温的相关性系数都接近于0.8，但是在室外环境测温时相关性普遍在0.6左右。说明在室内测温时，红外线测温枪可以用于发热患者的快速筛查。根据误差分析可知红外测温系统接受辐射能量受到物体表面发射率、距离系数、环境反射辐射等因素影响。

(3) 我们仍需进一步探索室外测量误差是否由于环境因素影响被测人员的温度、红外测温枪的内部电路、辐射能量的衰弱或散失等相关情况。根据本文我们在这种需求测温的应急事件中，我们给出指导方案：测温距离保持3～8 cm，同时测温部位最好选择脖子部位。快速建立测温通道创造一个稳定的测温环境有利于快速筛查。在较为艰苦的地方可以制作一个测温枪的附属零件，可以覆盖在人的皮肤表面从而达到有一个小型且稳定的测温环境。从而快速的筛查发热患者，并且更高效全面的去应对紧急的公共卫生事件。