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    绉掗€熸椂鏃跺僵鑳借禋閽卞悧: 技術解讀丨疫情防控中非接觸式紅外測溫儀及傳感器

    欧洲秒速时时彩开奖 www.rzzdh.com [導讀] 近來,在疫情防控阻擊戰中,緊急物資短缺、供應不足,基礎類產品全球化采購仍不能滿足需求,所暴露出的矛盾和突出問題,讓人記憶猶新,甚至是刻骨銘心。防控讓一個名不經傳的普通產品一舉成名,這個在抗“疫”戰場上處處所需、家家要用、站站配備“神奇”的器物是什么?為何到了一物難求、四處打探、“苦苦追尋”的地步?它就是體溫檢測的“哨兵”和“探子”——非接觸式紅外測溫儀,也就是人們俗稱的手持耳溫與額溫槍,在疫情防控中發揮著無可替代的重要作用。

    近來,在疫情防控阻擊戰中,緊急物資短缺、供應不足,基礎類產品全球化采購仍不能滿足需求,所暴露出的矛盾和突出問題,讓人記憶猶新,甚至是刻骨銘心。防控讓一個名不經傳的普通產品一舉成名,這個在抗“疫”戰場上處處所需、家家要用、站站配備“神奇”的器物是什么?為何到了一物難求、四處打探、“苦苦追尋”的地步?它就是體溫檢測的“哨兵”和“探子”——非接觸式紅外測溫儀,也就是人們俗稱的手持耳溫與額溫槍,在疫情防控中發揮著無可替代的重要作用。

    眾所周知,紅外傳感器產能不足,是導致溫槍緊俏短缺的主要原因??墑?,紅外傳感器原理、結構、性能如何?溫槍的結構、原理、核心技術是什么?為什么不接觸就能測溫?其準確性、精度如何?可否達到人體測溫精度和醫用計量標準要求呢?這些問題,就鮮為人知了。

    一、紅外線基本概念

    太陽以紅外線方式把熱量輸送到地球,使得自然界中存在的任何實際物體,幾乎都是具有能量的反射和透過,其表面的發射率為1的黑體,均含熱能。

    任何物體的分子和原子都會自身的進行無規則的熱運動,并以紅外線方式不間斷地向外輻射出熱能量,也被稱為電磁波輻射。不同物質其吸收太陽光能不同,其分子和原子的運動也不同,運動愈劇烈,輻射的能量愈大,反之,輻射的能量也愈小。因此,凡是高于絕對零度(-273.15℃)的物質都可以產生紅外線。現代物理學稱之為熱射線。

    1、什么是紅外線

    紅外線(Infrared)也是一種電磁波,是波長介于可見光與微波(無線電波)之間的電磁波,單位常用微米(μm)表示,范圍為0.76-1000微米,即760納米(nm)到1毫米(mm)之間。紅外線按波長分為近紅外、中紅外、遠紅外、極遠紅外四類,其波長分別為0.76μm;1.1μm;2.526μm;25μm以上。實際上,通常用于紅外測溫的一般在0.76微米-14微米的近紅外波段。紅外線在電磁波連續頻譜中的位置是處于無線電波與可見光之間的區域,是比紅光更長的非可見光。見下圖:

    圖1 光譜示意圖

    研究發現,太陽光譜中從紫色光到紅色光的熱效應是逐漸增大的,而且最大的熱效應出現在紅外輻射的頻率范圍之內,因此,紅外輻射又被稱為熱輻射或者熱射線。由此可見,紅外輻射的物理本質就是熱輻射。物體的溫度越高,向四周輻射能量就越強,輻射出來的紅外線就越多。

    2、紅外線的醫學等應用

    醫用紅外線一般可分為兩類:近紅外線與遠紅外線。波段為4-14μm 范圍,被稱為“生育光線”,對人體活化細胞組織,促進細胞生長;強化肝臟功能,提高肝臟解毒、排毒作用;促進血液循環,提高組織再生能力和免疫力,加強人體的新陳代謝;改善血液循環,解決失眠乏力,四肢冰冷,增加細胞的吞噬功能,消除腫脹,促進炎癥消散,治療慢性炎癥等等都有積極作用。

    當然,紅外線在日常生活中應用也非常廣泛,紅外光波爐能夠迅速產生高溫高熱,加熱效率極高,冷卻速度也快,而且保證食物色澤,不會烤焦。在高溫殺菌、監控設備、手機的紅外接口、賓館的房門卡、電視機??仄韉?,都有紅外線的影子。在軍事上的應用更為普遍,紅外夜視器材在現代化戰爭中發揮著重要作用。夜視望遠鏡加個濾光鏡,就可透視了,不僅可應用于夜間望遠而且還可以透過人的衣服看到身體。隨著我國技術不斷創新,紅外線在人造衛星以及工業、衛生、科研、日常生活等方面的應用將日益廣泛。

    3、紅外熱像技術

    由于各種物體比如人、動物、車輛、飛機等吸收與含存的熱能量強度不同,向外輻射的熱紅外能量自然不同,都能展示出其各自不同的紅外輻射能量強度分布圖形。當接受被測目標物體的紅外輻射能量分布圖形并反映到紅外探測器的光敏元件上,通過對物體的紅外熱像進行光掃描后,并聚焦在單元或分光探測器上,再由探測器將紅外輻射能轉換成電信號,經放大、轉換或標準視頻信號處理,顯示出與被測物體表面的熱分布場相對應的紅外熱像圖。由于熱像分布圖信號非常弱,與可見光圖像相比,缺少層次和立體感。為更有效地判斷被測目標的紅外熱分布場,通常采用圖像亮度調節、對比度控制、實標校準、偽色彩描繪與標定等技術來達到實用效果。

    因此,一種由紅外探測器、光學成像物鏡和光掃描系統構成的紅外熱像儀悠然而生。一切物體不受煙、霧及樹木等障礙物的影響,不論白天和夜晚都能清晰地被觀察到,這是目前人類掌握的最先進的物體(夜視)觀測器材。

    熱成像的應用范圍非常廣泛,電力、地下管道、消防醫療、救災、工業檢測等方面都有巨大的市場需求,由于價格特別昂貴,目前只能被應用于軍事上。人們已通過減少掃描速度來提高圖像分辨率、運用新材料等技術創新措施降低成本。隨著社會經濟發展與科技進步,紅外熱成像這項技術必將大規模地應用于民用市場領域。

    二、人體紅外溫度傳感器

    一切溫度高于零度(-273.15℃)的物體都在不停地向周圍空間發射紅外能量。其輻射特性、輻射能量的大小、波長分布等都與物體表面溫度密切相關。反過來,通過對物體自身輻射的紅外能量的測量,便能準確地測定它的表面溫度,這就是紅外輻射測溫的機理。

    人體與其他生物體一樣,自身也在向四周輻射釋放紅外能量,其波長一般為9-13μm,是處在0.76-100μm 的近紅外波段。由于該波長范圍內的光線不被空氣所吸收,也就是說,人體向外輻射的紅外大小與環境影響無關,只是與人體含存與釋放能量大小有關,因此,只要通過對人體自身輻射紅外能量的測量就能準確地測定人體表面溫度。人體紅外溫度傳感器就是根據這一原理,設計制作而成的。

    非接觸紅外測溫技術不需要接觸被測物,避免傳染、燙傷等危險或無法觸碰的物體,特別是像衛生設施、醫用物品等不會被污染或損壞??燜?、準確地測量出物體的表面溫度,具有響應快、精度高、低成本、壽命長、使用安全等優點,在產品質量控制和監測、設備在線故障診斷、安全?;さ確矯娣⒒恿酥匾饔?。

    1、紅外溫度傳感器類型

    根據紅外線波長、功能、應用需求,紅外傳感器一般分為紅外氣體、紅外圖像、紅外溫度傳感器三大門類。用于氣體檢測的紅外氣體傳感器種類最為繁多,用于紅外測溫的傳感器,按機理與使用環境劃分為制冷、非制冷,接觸、非接觸四大類別。制冷的用于軍事裝備與設施、大型工程設施、工業過程、環境?;び爰囁氐瘸毒嗬?、高清晰系統;接觸用于特殊物體常態化連續溫度檢測以及醫用診療設備、測溫電子皮膚等。而目前紅外溫度傳感器根據能量轉換所用材料不同,可分為以下幾種類型:

    (1)熱釋電型:硫酸三甘肽、鉭酸鋰等

    (2)熱電堆型:N型和P型的多晶硅

    (3)二極管型:單晶或多晶PN結

    (4)熱電容型:雙材料薄膜

    (5)熱敏電阻型:氧化釩、非晶硅等

    其實,這些類型都只是在接收紅外能量后,轉換方式和材料能效比不同而已。

    2、紅外熱電堆式溫度傳感器

    目前耳、額溫槍采用的紅外傳感器均為熱電堆式,基本物理原理是塞貝克效應。紅外熱電堆式溫度傳感器類似于熱電偶,由可透過特定波長范圍的紅外濾光片和紅外接收的熱電堆芯片組成。外加一個腔內環境比對溫度基準(陶瓷熱敏電阻等校準溫度用)。熱電堆芯片常用的材料有Poly Si/Al、N-Poly Si/P-Poly Si。

    熱電堆溫度傳感器的工作原理、內部結構及外形封裝結構示意見下圖:

    圖2 工作原理示意圖

    圖3 內部結構關系示意圖

    圖4 成品內、外部結構關系示意圖

    (1)紅外濾光片是能夠過濾不同波長的光敏感元件。其結構簡單但工藝復雜,通常采用半導體材料和工藝,結合MEMS技術,形成精確度極高的透光窗口。不同規格的窗口,可以透過設計范圍或特定波長的紅外線,其他波長的則不能通過。由于不同物體釋放的紅外能不同,不同環境下測量方式不同,一般需要設計不同窗口作為檢測該物體紅外溫度傳感器的特定光敏感元件。

    (2)熱電堆芯片是通過熱隔離支撐層、Poly Si參雜、背腔刻蝕(干法或濕法)或正面釋放(XeF)等關鍵工藝制作而成,用于吸收紅外熱能。當被測物體特定波長紅外輻射給熱電堆吸收體吸收后,瞬間熱電堆焦變體的電荷發生變化,積累后形成電動勢,即電壓值。熱電堆芯片阻值通常在50-100KΩ、響應率通常在50-200V/W;芯片尺寸一般在1×1mm-2×2mm之間,國外一般為1.05×1.05mm。

    (3)熱電堆式溫度傳感器參數指標:

    測量范圍:-50℃-100℃;測量精度:0.1℃以內,±0.1%以內;

    工作溫度:-20℃-+85℃;最大測量距離:≦0-50mm(加透鏡300-500mm)

    輸出電壓:0-10mV;

    熱電堆溫度傳感器最大量程范圍可以做到-60℃到+1200℃范圍。

    (4)封裝形式與應用范圍。熱電堆式溫度傳感器即可以是模擬量輸出,也可作為開關量輸出。因此,可廣泛應用于空調、微波爐等智能家電,大型復印機、烘干機等各種工業智能設備,以及電力控制系統的各種設備溫度監控?;箍捎迷諍焱餛宀飭?、工業環境、安防控制、可穿戴設備、人體感應開關等各種配套使用。

    紅外熱電堆傳感器成品圖主要封裝形式有兩種:TO46(TO18)/TO39(TO5);

    圖5 T046(T018)封裝產品實物圖

    圖6 T039(T018)封裝產品實物圖

    三、人體紅外測溫儀(額溫槍、耳溫槍)

    手持耳、額溫槍,顧名思義,用于檢測人體耳腔、額頭表面溫度,外形類似于手槍形狀的手持式紅外測溫儀。額溫槍與耳溫槍原理完全一致,都是采用紅外測溫原理,根據人體額頭、耳腔內的溫度與體溫的關系得到人體的實際體溫,二者只是結構和算法略有不同。它是由光學系統、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。簡單地說就是由紅外熱電堆式溫度傳感器接收到人體表面發出的能量后,將紅外能量轉換成電信號,放大器把傳感器電信號進行放大處理,通過模數轉換(A/D轉換)變為數字信號或調制解調處理轉換成頻率信號,再通過補償修正、參數校準和算法模型等工作就可轉換為醫用級的高精度溫度值。加上顯示驅動電路、液晶顯示屏、外殼和電池等組裝一起,就成為一個完整的溫槍。增加存儲電路和微處理器等就可成為智能型溫度檢測儀。相對于傳統的接觸式水銀體溫計、電子體溫計,毋需接觸,避免交叉感染,只須將探測窗口對準耳腔、額頭位置,1秒即可安全、快速、準確的測出人體溫度,操作簡單、便捷。

    (1)測量電路組成

    非接觸式體溫計的主控電路分模擬電路和數字電路兩種,其中模擬電路的處理方法精確度得不到保證,一般用于工業測量;數字電路通過對信號進行放大,提高A/D轉換器的分辨率,精確度可以達到±0.1℃,更適用于人體溫度的測量。
    手持式耳溫、額溫槍系統邏輯結構關系和邏輯電路圖如下圖(a)(b)所示。

    圖7 手持式紅外溫槍(耳溫、額溫)系統邏輯關系結構框圖 (a)

    圖8 手持式紅外溫槍(耳溫、額溫)系統邏輯電路圖 (b)

    紅外溫槍核心芯片主要由ADC芯片CS1258和控制芯片CSU8RP1382D設計組成,可實現按鍵控制、LCD顯示、電量檢測等功能;模數轉換芯片CS1258具有24 bit分辨率,且輸出速率 10-1280Hz分8檔可??;有效位2.35V 參考、40Hz 速率、128倍增益下 19.5bits 有效位;也可支持性能、普通、低功耗、休眠模式,同時還支持電壓測量、溫度測量、BIM 測量及手動測量模式,單命令切換。

    CSU8RP1382D芯片作為SOC控制芯片,是8位RISC架構的高性能單片機MCU,集成了18Bit高精度ADC和LCD顯示???。內置4K×16位一次性可編程存儲器(OTP ROM),384字節數據存儲器(SRAM),只有43條單字指令,8級存儲堆棧,最快指令周期2MHz。常用的測量系統,其外圍只需7個普通電容即可。在工作電壓(2.5-3.6V)范圍內任意把系統校準數據保存到OTP內,具有UART通訊口。

    為了擴大溫度測量范圍,先通過一個高壓LDO RS3002把電池電壓轉為3V,供整個系統使用,包括為單片機,背光燈,運放等器件供電,然后再用一個低功耗LDO RS3236從3V降為1.5V,以便能給熱電堆提供一個參考電壓,讓測量溫度范圍擴大。單片機通過讀取熱電堆內部的NTC電阻與固定100kΩ電阻分壓后的電壓值,計算出不同環境溫度比對后的溫度準確值。

    由于熱電堆的輸出電阻較高,放大器倍數大概需要100倍以上,以便將小于10uV的傳感器信號放大后輸入給處理器。系統還使用有ST17H26智能藍牙芯片,通過手機APP可以實現測溫的歷史數據保存與曲線變化。

    此電路系統除溫槍外,在電子衡器、精密測量及控制系統、智能穿戴測量等都能使用。

    (2)技術參數指標與產品特征

    人體測溫儀最佳紅外波長為9-13微米(μm),最大值溫度測量區間為35-45℃之間。通過對耳、額表面溫度與實際體溫的偏差值修正、校準,便能顯示準確的體溫值。具體參數指標如下:

    a.精確測量:測量偏差≤±0.3℃。

    b.快速測溫:測量時間<1秒鐘。

    c.測量距離:在5-15CM之內都可以適應,無需固定測量距離。

    d.屏幕顯示:屏幕液晶顯示測量溫度。

    e.單位轉換:使用攝氏度、華氏度互相轉換。

    f.溫度報警:自由設定報警溫度。

    g.存儲數據:存儲測量數據,便于分析參考對比。

    h.非接觸性:對人體耳腔、額頭測量,不接觸人體皮膚。

    i.設置修改:可修改、設置參數,適應白、黑、黃、棕色不同膚色人種等。

    j.易于使用:一鍵測量,操作方便。

    此外,手持溫槍也有軟肋和注意事項。由于防護鏡片是最易損壞的部分,因此,必須小心?;ぬ酵肪燈?;探頭鏡片需要保持干凈,清洗要用棉簽或軟布沾水或酒精輕輕擦拭;不得浸水或陽光直接暴曬;也不可重摔或碰撞,以免導致其損壞。

    (3)產品結構設計類型

    a.產品設計邏輯框圖:帶變焦鏡頭的溫度檢測系統,溫度測量范圍更寬、距離更遠,使用場所更廣闊。其邏輯關系如下圖所示。

    圖9 通用高端紅外測溫系統邏輯框圖

    b.手持式耳溫、額溫槍的部件結構外形圖例

    圖10 額溫、耳溫槍拆解后內部零件結構圖

    c.市場典型手持式耳溫、額溫槍產品圖例

    圖11 額溫、耳溫槍產品實物展示圖

    (4)產品應用范圍與發展趨勢

    人體正常體溫對于每個人來說都是獨一無二的,從34.7℃-38℃不等,取決于測量溫度的部位和個體差異。世衛組織(WTO)提供的人體正常體溫的標準參考數值是:a.耳內:35.8℃-38℃;b.腋窩:34.7℃-37.3℃;c.口腔:35.5℃-37.5℃;d.直腸:36.6℃-38℃。

    耳溫、額溫槍適合家庭、賓館、圖書館、大型企事業單位,也可以用于醫院、學校、海關、機場等綜合性場所的快速篩查,還可提供給醫務人員在診所使用。

    由于刻度讀取準確性、水銀(汞)生產工藝、使用回收等環保因素,國際已經淘汰水銀溫度計,提倡采用電子溫度計,但電子溫度計也需要接觸測量(腋下、口腔、肛門等),對于兒童、重癥患者的測溫就有一定的難度和不方便。因此,隨著科技進步與技術創新,通過結構、功能、精度、測量方式的改進,未來會有類似溫槍的更多創新人體智能化測溫產品問世,并充實醫療、家庭等市場,滿足不同需求,服務于更多人群。

    作者郭源生系中國傳感器與物聯網產業聯盟副理事長、九三中央科技委副主任

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