体温筛检用红外热像仪校准的应用

体温筛检用红外热像仪校准的应用

陈润鸿

淮南市计量测试检定所    

摘要：由于SARS-CoV-2所引起的COVID-19大流行病，经常性的非接触式测温变得必要。采用非接触式红外测温系统避免了传统接触式可能发生的病毒交叉感染。使用非接触式红外测温系统快速准确地测量人体皮肤温度，可以进行是否发热的快速筛选，是否发热是判断是否感染2019冠状病毒病的最常见指标。

关键词：体温筛检；红外热像仪；校准

1背景　　

红外辐射的发现归功于19世纪初的天文学家威廉·赫歇尔。赫歇尔在1800年的伦敦皇家学会上发表了他的研究成果。赫歇尔用棱镜折射来自太阳的光线，通过温度计上温度的上升探测到光谱中红色部分以外的红外光。他对这一结果感到惊讶，并将其称之为“发热的光线”[1]。直到19世纪末才出现“红外线”一词。　　

2红外热像仪的发展

1884年，L·E·玻尔兹曼展示了约瑟夫·斯特凡在1879年制定的经验性T4黑体辐射定律是如何从热力学的物理原理中得出的。玻尔兹曼的发现是优雅而又简单的：辐射功率=温度4 ×常数[2]。因此，玻尔兹曼被任命为红外测温之父。在红外温度计中，设备内部的一个小型CPU使用此公式来准确预测目标的温度。　　最早的红外测温仪（IRT）被称为消失丝状光学高温计。贝克勒尔在1836年首次提出将受热表面的发光亮度作为测量温度的手段，但直到1892年，法国工业家Le ChateLier才推出第一台实验室辐射温度计。　

　L·贝林厄姆提出了一种通过使用镜子和原始热电堆来探测冰山和蒸汽船存在的方法。他后来在1913年为这个装置申请了专利。他的红外测温仪相对于消失丝状光学测温仪的主要优势是，它能够检测到比环境温度低得多的温度。如果泰坦尼克号的船员有这个装置在手，他们就能避免他们的严重悲剧了。1973年，Sensors,Inc.创造了一种短程红外测温仪。它利用一个指针来确定测量的确切位置。1977年，出现了微型热电堆使传感器小于4。之前的红外传感器与硬币一样大。　　1984年，红外测温仪出现了一个重要的里程碑。其中一个转折点的应用：红外耳温计导致了六百万件的销售，从而使IRT的传感器成本大幅下降。2002年7月，ZyTemp推出了世界上最小的红外测温仪--TN105。TN1的体积与现在一些IRT的电池一样小，加上它的抗热震能力，它可以轻松地胜过传统的同类产品。　　2003年7月，ZyTemp推出了TCT1，一种低成本、高价值的红外+热电偶测温仪。在这种设计中，非接触和接触功能结合在一起，产生了即时结果（红外线）和高精确度（热电偶）的双重效用。红外线温度测量设备根据普朗克和玻尔兹曼的辐射定律，通过被测物体释放的红外辐射定义温度。如果通过辐射测量温度，发射率ε（Emissivity）具有核心重要性。发射率定义为热辐射体的辐射出射度与处于相同温度的全辐射体（黑体）的辐射出射度之比[3]。对于黑体来说，这个值是最大的1。工业用材质的发射率大部分介于0.30～0.95，亮面反光金属的发射率为0.00，人体的发射率为0.99。　　

3红外热像仪的作用　　

2019冠状病毒病的最常见症状为发热。在一份发布于2020年4月30日的关于中国患者的临床特征数据论文表明：入院时43.8的患者有发热，但住院期间88.7%有发热。根据一份发布于2020年6月23日的来自9个国家148个实验室的综合分析文章表明：2019冠状病毒病的最普遍症状是发热，有78%的发热率。根据南加州大学的一份报告称，2019冠状病毒病的症状可能是先发热再咳嗽和肌肉酸痛，这与常见流感的先咳嗽再发热的症状明显相反。所以经常性的红外测温在疫情期间变得至关重要。现在的测温仪器主要分为接触式和非接触式，接触式有水银体温计等，非接触式有红外测温器等。现在人们进入一个室内公共场所的第一步就像需要在入口处使用非接触式红外测温机器来测量体温。

4人体红外辐射

4.1 人体辐射　　

人体辐射率约为0.99，与绝对温度310K的黑体很接近。正是利用了红外辐射这些特性，才能测量人体的红外辐射获得体表温度。

4.2 分布　　

正常人体是一个恒温体，又是一个代谢基本平衡的红外辐射源。人体各个部位的温度会在不同的时间、不同的生理或心理状态、不同的环境变化所影响，它会在一个范围内动态调整。

4.3 体温特点　　

人体由水和许多复杂的有机分子组成，人体正常体温在36.5～37.5℃之间。早晨体温高于37.2℃或傍晚体温高于37.7℃通常被认为是发烧。当人体体温上升到40～41℃时，会出现神经系统功能障碍，当体温超过42～43℃时可能引起死亡。当体温下降到27～29℃以下时，可能会失去意识。

5测温系统特点

实时性强，能够在1秒钟内得到被测目标体温，满足了快速测温并筛选的要求。误差小，红外测温系统误差在±0.6℃以内，能够很好的满足人体测温的需求。非接触式，能够防止接触式的病毒交叉感染，减少疾病传播概率。测温环境要求最好是室内20～25℃之间避免太阳直接照射，减少干扰光源，减少对测温的不利因素。

6红外测温模块　　

选择红外测温模块需要考虑测量范围、测温精度、响应时间等因素，本设计选择了ZyTemp公司的TN9红外测温模块，集成了TN901传感器，简化了设计流程。该模块具有高集成度、高精度、高灵敏度、低功耗等特点。TN901是非接触式红外测温传感器，避免了传统测温接触后的可能出现的交叉感染状况，适合在现在的疫情期间使用。

7常见问题和解决方法

在工作中，笔者发现很多现场实际情况确实无法完全满足体温筛检用红外热像仪的使用条件，通过测量和尝试，根据实际情况总结以下常见问题和解决方法。

7.1环境温度

使用单位大多将体温筛检用红外热像仪安装在大门口，测量时因为人员出入开关门等因素，测温区域常有风进入，环境温度不恒定，此时温度偏差和温度波动度较大，测量不准确。

解决方法：使用隔离带将行人通道设计成L型，避开门口位置，同时适当延长被测人进入测温区域的缓冲时间。大门通过安装挡风门帘、随用随关等方式，尽可能减少测温区域的温度变化。

7.2光照影响

目前大型公共场所大多安装大面积玻璃进行采光，地面也是光滑的地砖或者大理石，测量时，阳光照射和地面反射光较强，会对红外测温仪器的使用造成干扰。

解决方法：选择背光合适位置和适当关闭射灯、广告牌照射。仪器测温时机头尽量成俯角，避免天花板上灯光直射，地面反射光区域可铺地毯。体温筛检用红外热像仪可设置屏蔽区域，避免测温区域光照干扰。

7.3辐射率

辐射率对表面温度测量有很大影响，在红外温度测量中要根据被测物质的辐射率进行修正。人体正常体温在37℃左右，人体皮肤的辐射率为0.98。作为标准器的黑体辐射源标准装置，辐射率接近于1。为保证校准数据的可靠，校准前应先将被测仪器的辐射率设定为1.00。

8结束语

疫情当前，笔者认为在校准过程中确保测量准确的基础上，应结合现场实际情况，尽可能使每一台体温筛检用红外热像仪都能达到其最佳测量状态，以此为防疫贡献自己的一份力量。

参考文献

[1]使用红外热像仪应注意的问题[J].乐逢宁,蔡静,马兰,张学聪.计测技术. 2010(S1).

[2]非制冷红外热像仪批产质量过程控制探讨[J].肖恒兵,殷祖焘.电子质量. 2007(02).

[3]面向再制造的某型手持军用红外热像仪的设计研究[J].崔秀梅,张青锋,张靖.  机械设计与制造. 2007(05).