测温原理

任何物体在温度高于零度( -273.15℃ )以上时都在不停地向周围空间发射红外能量。其辐射特性、辐射能量的大小、波长分布等都与物体表面温度密切相关。反过来,通过对物体自身辐射的红外能量的测量,便能准确地测定它的表面温度,这就是红外辐射测温的机理。

人体与其他生物体一样,自身也在向四周辐射释放红外能量,其波长一般为 9-13μm,是处在 0.76-100μm 的近红外波段。由于该波长范围内的光线不被空气所吸收,也就是说,人体向外辐射的红外大小与环境影响无关,只是与人体含存与释放能量大小有关,因此,只要通过对人体自身辐射红外能量的测量就能准确地测定人体表面温度。人体红外温度传感器就是根据这一原理,设计而成。

目前红外温度传感器根据能量转换所用材料不同,可以分为:热释电型、热释电型、热释电型、热释电型、热释电型,这些类型都只是在接收红外能量后,转换方式和材料能效比不同而已。

目前耳、额温枪采用的红外传感器均为热电堆式,基本物理原理是塞贝克效应。红外热电堆式温度传感器类似于热电偶,由可透过特定波长范围的红外滤光片和红外接收的热电堆芯片组成。外加一个腔内环境比对温度基准(陶瓷热敏电阻等校准温度用)。

热电堆温度传感器的工作原理、内部结构及外形封装结构示意见下图:

图1 工作原理示意图

图2 内部结构关系示意图

图3 成品内、外部结构关系示意图

(1)红外滤光片是能够过滤不同波长的光敏感元件。其结构简单但工艺复杂,通常采用半导体材料和工艺,结合MEMS技术,形成精确度极高的透光窗口。不同规格的窗口,可以透过设计范围或特定波长的红外线,其他波长的则不能通过。由于不同物体释放的红外能不同,不同环境下测量方式不同,一般需要设计不同窗口作为检测该物体红外温度传感器的特定光敏感元件。

(2)热电堆芯片是通过热隔离支撑层、Poly Si参杂、背腔刻蚀(干法或湿法)或正面释放(XeF)等关键工艺制作而成,用于吸收红外热能。当被测物体特定波长红外辐射给热电堆吸收体吸收后,瞬间热电堆焦变体的电荷发生变化,积累后形成电动势,即电压值。热电堆芯片阻值通常在50-100KΩ、响应率通常在50-200V/W;芯片尺寸一般在1×1mm-2×2mm之间,国外一般为1.05×1.05mm。

(3)热电堆式温度传感器参数指标:

测量范围:-50℃-100℃;测量精度:0.1℃以内,±0.1%以内;

工作温度:-20℃-+85℃;最大测量距离:≦0-50mm(加透镜300-500mm)

输出电压:0-10mV;

热电堆温度传感器最大量程范围可以做到-60℃到+1200℃范围。

(4)封装形式与应用范围。热电堆式温度传感器即可以是模拟量输出,也可作为开关量输出。因此,可广泛应用于空调、微波炉等智能家电,大型复印机、烘干机等各种工业智能设备,以及电力控制系统的各种设备温度监控。还可用在红外气体测量、工业环境、安防控制、可穿戴设备、人体感应开关等各种配套使用。

红外热电堆传感器成品图主要封装形式有两种:TO46(TO18)/TO39(TO5);

图4  T046(T018)封装产品实物图

图 5  T046(T018)封装产品实物图

 

法规要求

人体正常体温对于每个人来说都是独一无二的,从34.7℃-38℃不等,取决于测量温度的部位和个体差异。世卫组织(WTO)提供的人体正常体温的标准参考数值是:

a.耳内:35.8℃-38℃;

b.腋窝:34.7℃-37.3℃;

c.口腔:35.5℃-37.5℃;

d.直肠:36.6℃-38℃。

医用额温枪、耳温枪需要符合医规,国内满足CFDA医疗资质,用作出口满足FDA和CE。根据《医疗器械分类目录》,额温枪隶属《6820普通诊察器械》类中的体温测量设备,管理类别为:第二类医疗器械。CFDA参考标准:文件见附件

GBT 21417.1-2008 医用红外体温计 第1部分:耳腔式

GBT 21416-2008  医用体温计

图6 医用体温计温度显示范围及其最大允许误差

医用体温计温度显示范围及其最大允许误差

国家标准 GB/T 21417.1-2008 的要求,耳温枪的分辨率应为 0.1℃或更小,在

35.0℃~42.0℃的温度显示范围内,最大允许误差±0.2℃。

 

 

需求分析

耳温、额温枪适合家庭、宾馆、图书馆、大型企事业单位,也可以用于医院、学校、海关、机场等综合性场所的快速筛查,还可提供给医务人员在诊所使用。

       对比市面现有几款耳温枪大部分都具有的功能

精确测量:测量偏差≤±0.3℃。快速测温:测量时间<1秒钟。测量距离:在5-15CM之内都可以适应,无需固定测量距离。 屏幕显示:屏幕液晶显示测量温度。单位转换:使用摄氏度、华氏度互相转换。温度报警:自由设定报警温度。存储数据:存储测量数据,便于分析参考对比。非接触性:对人体耳腔、额头测量,不接触人体皮肤。设置修改:可修改、设置参数,适应白、黑、黄、棕色不同肤色人种等。易于使用:一键测量,操作方便。

此外,手持温枪也有软肋和注意事项。由于防护镜片是最易损坏的部分,因此,必须小心保护探头镜片;探头镜片需要保持干净,清洗要用棉签或软布沾水或酒精轻轻擦拭;不得浸水或阳光直接暴晒;也不可重摔或碰撞,以免导致其损坏。

另外,市面上也有一些产品存在差异:

带激光功能:准确指向被测位置带开始按键:由按键触发检测模块无按键,带距离传感器,由合适距离触发检测功能。便携、低功耗

 

设计架构

额温枪与耳温枪原理完全一致,都是采用红外测温原理,根据人体额头、耳腔内的温度与体温的关系得到人体的实际体温,二者只是结构和算法略有不同。它是由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。简单地说就是由红外热电堆式温度传感器接收到人体表面发出的能量后,将红外能量转换成电信号,放大器把传感器电信号进行放大处理,通过模数转换(A/D转换)变为数字信号或调制解调处理转换成频率信号,再通过补偿修正、参数校准和算法模型等工作就可转换为医用级的高精度温度值。加上显示驱动电路、液晶显示屏、外壳和电池等组装一起,就成为一个完整的温枪。增加存储电路和微处理器等就可成为智能型温度检测仪。

耳温枪和额温枪在电气上具有同样的架构;而在结构、程序算法上存在差异。通用高端红外测温系统框图,如下图:

图7 红外测温系统框图

注释1:距离传感器,如果没有记录传感器可以采用,按键控制模拟开关方案触发检测

注释2:传感器有多种多样,也有直接调校完成直接输出数字信号,eg mlx90614 等等

注释3:CPU驱动马达震动,可有可无,根据需求选择

注释4:距离传感器,用来判断被测物体与PIR传感器间的距离,只有在最佳物距比的情况下才启动测量,保证测量数据的准确性,例如TMD26721

注释5:背光调节、例如市面上常用的红绿橙三色背光

注释8:音频模块,可有可无,根据需求选择eg:采用用语音芯片WTN1010/VC505来存储语音片段,如‘十点’、‘℃’、‘℉’、‘一’、‘二’、、、‘九’、‘嘀嘀嘀嘀嘀’等,通过选段播放并凑起来形成完整语音,驱动喇叭发声。

设计包含5个独立按键,分别为电源/测量键、SET键、UP键、DOWN键、MODE键,其中前4个键都有休眠唤醒功能。

未完..

(聊城荣恒医疗器械有限公司)