额温枪红外温度传感器快速检测技术研究

周小康 ，江山，顾袁瑢

（南通大学附属医院医学装备处，江苏 南通 226001）

1 前言

新冠疫情暴发期间，体温监测作为一种有效地预筛查措施，被广泛应用在医院各科室日常防护工作中。额温枪是重要的“防疫武器”，其使用方法便捷高效，一秒内能直接读出体温数值，且避免与就诊人员直接接触，能够有效降低医护人员和就诊人员之间的交叉感染风险。新冠疫情背景下，额温枪测温设备使用频次增大，异常、故障的发生也伴随增多，主要表现为温度传感器测温异常、显示异常等现象。防疫背景之下，异常额温枪测温设备的外发检测、送修变得困难，且耗时较长，所以作为医院医学装备工程科室，具备快速检测额温枪测温功能正常的能力十分关键。本文提出了一种并行、多模块额温枪红外温度传感器检测技术能够支持医院医学装备工程科室快速判断、分析额温枪设备温度传感器测温异常。

2 原理与方法

2.1 额温枪的工作原理

新型冠状病毒肺炎(Corona Virus Disease 2019，COVID-19)，世界卫生组织命名为“2019 冠状病毒病”，简称“新冠肺炎”。新型冠状病毒肺炎以发热、干咳、乏力等为主要表现，少数患者伴有鼻塞、流涕、腹泻等上呼吸道和消化道症状。新冠肺炎疫情期间就诊人员进入医院必须通过医院的测温设备进行预筛查分诊，真实有效地记录、监测，从而达到科学化就诊的目的。根据测温方式的不同，医院常见的测温设备分类如表1所示。

表1 医院常见测温仪器

物体温度大于绝对零度(The Absolute Zero)时会产生红外辐射能量，该能量由物体本身温度决定，即红外辐射能量的强度及波长与物体表面温度有关。人体的红外辐射能量处于近红外波段，近红外波段内的红外光线不会被空气吸收，即人体的红外辐射能量与环境无关。对人体红外辐射能量的测定能准确地测量出人体表面温度。人体红外辐射能量波长可通过维恩位移定律计算得到，公式如下：

其中，λ 是波长，T 是人体表面开尔文温度，t 是人体表面摄氏温度，维恩常量b=0.002897m×K。正常人体温度范围为：36 ～37.3℃，由式（1）、（2）可以计算得出，正常人体所发射红外能量波长范围为：9.332 ～9.371μm。额温枪通过红外温度传感器模块测定人体表面产生的红外波长能准确地计算人体额头表面温度，并通过温差补偿得出人体实际体温，测温电路如图1 所示。

其中，红外温度传感器模块用于采集被测人额头表面红外辐射能量信息，并将红外辐射能量转换成电信号，采集后的电信号经信号预处理模块进行模/数(A/D)转换以及放大处理。MCU 处理模块进行测温数据的参数校准、最终处理和存储，通过显示模块将温度信息展示出来，并与设定阈值比较后判断是否产生蜂鸣器报警。

2.2 红外温度传感器检测方法

目前，红外温度传感器根据能量转换所用材料的不同，可以分为如表2 中5 种类型。

表2 红外温度传感器类别

医院额温枪大多采用热电堆型红外温度传感器，此类传感器基于两种不同的导电介质在不同温度下会产生电压差原理，即塞贝克效应。热电堆型红外温度传感器主要由红外滤光片、热电堆芯片、NTC 陶瓷热敏电阻(Negative Temperature Coefficient thermistor)三部分组成，其中红外滤光片用于透过特定波长范围红外辐射，热电堆芯片进行红外辐射能量的接收，陶瓷热敏电阻作为温度基准单元进行传感器腔内环境比对。常见的热电堆芯片材料有Poly Si/Al、N-Poly Si/P-Poly Si，其阻值一般为50 ～100kΩ，响应率一般为50 ～200V/W；热电堆芯片在吸收特定波长的红外辐射能量后会产生电荷变化，进而产生电动势，即电压差。

热电堆型红外温度传感器主要有TO-46 型和TO-35型两种封装，本文针对TO-46 型封装热电堆红外温度传感器进行检测，主要针对热电堆芯片和NTC 热敏电阻两部分关键参数测定。TO-46 型封装PIN1、PIN3 回路构成热电堆芯片，为传感器电压输出引脚，输出的电压为μV 量级，该电压随被测物体温度的变化而变化。PIN2、PIN4 回路构成NTC 热敏电阻，为传感器的热敏电阻引脚，该阻值随被测物体温度的变化而变化。本文通过固定环境温度25℃下对热电堆红外温度传感器两个回路分别施加100μA 电流源，进而分别对热电堆芯片回路和NTC 热敏电阻回路电压参数进行测量，然后根据欧姆定律分别计算回路中的热电堆芯片阻值Rs和NTC 热敏电阻值Rm，最后将关键参数测试值与25℃环境下关键参数标准参考值进行比较，判断该额温枪红外温度传感器供能是否正常。TO-46 型热电堆红外温度传感器25℃工作条件下关键参数标准参考值为Rs=75±20%kΩ，Rm=100±4%kΩ。

本文检测系统基于AST2000 实现，AST2000 DVI 模块能够提供两个相同的精密四象限恒压、恒流、测压、测流通道，其电流驱动精度达到±0.25%(FS)，电压测量精度达到±0.1%(FS)，本次实验通过AST2000 两组C-BIT 信号控制继电器的吸合形成热电堆芯片测试回路和NTC 热敏电阻测试回路，测试原理图如图2 所示。

图2 红外温度传感器检测原理图

3 实验结果及讨论

本文为提高检测效率并降低医院检测成本，采用并行测试的方法，设计了10 个测试模块，有效降低了检测时间。测试条件为25℃，电路实物如图3 所示。

图3 检测电路实物图

根据科室所送修异常额温枪进行实验，测试结果如表3 所示。

表3 科室异常额温枪检测结果

根据表3 检测结果与TO-46 型红外温度传感器标准热电堆芯片阻值参数和热敏电阻值参数对比后得出以下结论：样本2、样本3、样本5、样本6、样本7、样本8 为温度传感器异常样本，其余样本均为温度传感器正常样本。其中样本2、样本5、样本6 为传感器内部热电堆芯片异常，样本8 为传感器内部NTC 热敏电阻异常，样本3 和样本7为传感器内部热电堆芯片与NTC 热敏电阻均异常。

4 结语

本文主要研究了额温枪红外温度传感器的快速异常检测技术，通过搭建多模块并行的红外温度传感器检测平台，高效地测试传感器内部热电堆芯片阻值参数和热敏电阻阻值参数，快速找出异常额温枪，大大缩短异常处理时间，同时避免漏判、错判各科室所送修额温枪设备。新冠疫情期间设备外修、检测变得困难，该平台既能提高医院医学工程部门处理额温枪异常的效率，又能降低医院防疫的成本。