红外测温精度达0.1℃是否可信与非网2020-02-19 14:50

作者|夏珍 来源|与非网(ID:ee-focus)

为什么红外可以测温?

红外线以电磁波的形式存在于世界的各个角落,它的频谱位于可见光和无线电波之间,波长在0.76 µm~1 000µm之间。怎么理解?简单来说,一切高于绝对零度度(-273. 15 ℃)的物体都在不停地向外辐射红外线。

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信源 | Research Gate

而红外线为何会普遍存在于物体中呢?因为物体是由物质组成的,而组成物质的原子、分子会进行无规则运动,伴随着运动状态的改变,物质会不断地向外辐射能量,简称热辐射现象,而红外辐射的物理本质就是热辐射,因此会普遍存在于物体之中。

那么,“这和为什么红外可以测温有何关系?”

大部分情况下,辐射量和光谱成分取决于物体的温度和材料本身的性质,提炼重点,也就是说当物质材料本身差别较小时,温度对热辐射现象起着决定性作用,在某些条件下甚至是一一对应的关系。

这个时候,若是有传感器能很灵敏地捕捉到这些红外热辐射数据,那我们就能通过监测热辐射量来判断物体的温度了。

医用红外测温设备的类型

是否接触被测物体角度

测温设备通常可以分为接触型和非接触型,这也是日常生活中最为熟知的分类模式。但在科学定义上和生活理解上还有一定出入:

科学定义层面上,我们所说的接触型通常指最常见的水银体温计,测量位置是腋下、口腔等,精度可达0.1℃;

而非接触测温通常指的是红外测温,包括红外耳温枪、红外测温仪等,具有测温范围广,响应速度快,灵敏度高等特点,但同时拥有易受大气状况等因素影响的缺点。

生活中,经常将红外耳温枪定义为接触型测温设备,因为在测量时通常要接触我们的耳朵部位,在此澄清。

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信源 | 国家标准GB/T 21417.1-2008 医用红外体温计 第一部分_耳腔式

如果将医用测温设备定位到非接触型的红外测温设备,那么从红外测温原理出发,主要可分为全辐射测温仪、单色(亮度)测温仪和比色(双波段)测温仪,此外还有多波段和最大波段等。

按照测量热辐射的理论来说,我们需要设计一款全辐射测温仪,也就是测量波长从零到无穷大的整个光谱范围内的辐射功率来确定物体的辐射温度,但目前还没有研发出相应的探测器(传感器),也没有能透过全光谱波段的窗口或透镜的红外光学材料。

因此,我们通常选择某一波长范围内的辐射功率来确定目标亮温,或是两个波段辐射能量的比值与物体温度的函数关系来测定物体色温的方式替代全辐射测温,而这两种方法就是所谓的单色测温仪和比色测温仪的本质了。

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信源 | cnki

系统规模和功能角度

非接触红外测温仪可分为便携式、在线式和扫描式三大系列。

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值得一提的是,由于集成电路发展,近年出现了基于阵列式凝视成像的焦平面热像仪,它是一种新兴的非扫描式热成像装置,具有视野宽、自动调焦、图像清晰、分析功能强等优点。

组成原理与特点解析

红外测温设备的特点决定了它的应用范围较广,其中工业中最为广泛,其次是在医用、交通、农业等领域。

而正值新冠病毒席卷中国之时,因此将主要介绍医疗和交通运输领域使用最多,也是缺货最为严重的耳温枪、额温枪和基于热成像测温原理的体温筛查设备(热像仪)。

术语普知

普朗克辐射定律:黑体辐射的能量在不同的温度下按波长分布的一般规律。

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普朗克定律公式及分布情况 信源 | cnki

斯蒂芬-玻尔茨曼定律:指出黑体的辐射出度正比于它的绝对温度的四次方,该结论对于黑体和实际物体都适用。

维恩位移定律:必然存在一个最大值,而它所对应的波长是一个确定值λm。通过计算可得,黑体的最大辐射本领与温度的五次方成正比,黑体的单色辐射出度随着黑体温度的升高而急剧增大。

黑体:能精确知道孔壁温度和在孔的人一开口处辐射率近似1.0的孔状红外辐射基准源。

体温:在特定的某一人体部位所测得的温度。针对人体的各个部位,温度通常会因为检测部位和环境参数的不同,而呈现不同的温度曲线,下面是一张对比表:

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信源 | 知乎

分辨率:包括热分辨率和空间分辨率两种,前者指热像仪可分辨出的最小温差,也成为噪音等效温差,该指标直接关乎测温设备价格;而后者指图像分辨率,即精确分辨和测量物体的能力,包括视场、瞬时视场和测量视场三部分。

测量精度:测温设备温度读数于标准黑体比较后的差值,通常采用绝对值和百分比两种表达方式。

探测器:前端采集温度信号的一种部件,是测温设备的最关键组成部分。

光学组件:将接收到的热辐射能量聚焦在探测器上的光学设备,好的光学组件价格很贵。

发射率:物体发射能量的能力,多数物体表面不能发射百分之百的能量。

透射率:由于物体大部分是不透光的,因此红外测量人体时透射率几乎为0。

反射率:物体表面反射出热量的能力,当发射率不够时,反射就会影响物体温度的测量了,因此我们经常需要进行反射温度补偿。

耳温枪/额温枪分析

耳温枪是利用检测鼓膜所发出的红外线光谱来检测体温的一种测温装置。

额温枪是通过测量人体额头表面温度,再根据人体额头的温度与体温的关系得到人体的实际体温的一种测温设备。

相对于耳温枪而言具有更加明显的“非接触”特点,也因此被广泛的应用到此次疫情的小型检测现场及个人家用情况。

从硬件组成来看,都包括探头、控制单元、信号处理和补偿单元、显示屏和电源几大部分组成。其中最重要的探测部件通常有两种方案:

一种是采用波导管、热电堆传感器和热敏电阻(传感器环境温度测量)的组合方案,另一种是采用波导管、热释电传感器和热敏电阻的组合方案。

对于测量精度方面,根据国家标准GB/T21417.1-2008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℃。

而额温枪暂时没有找到国标参考,只看到大部分的额温枪的测量精度标称为±0.3℃,因此烦请各位留言补充。

下面是江苏润石提供的基于热电堆传感器的手持式红外测温仪原理框图。

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信源 | 江苏润石

上图中未注明热电堆传感器推荐型号,根据查找资料以及现货供应群的反馈结果,大家通常使用的有:MLX90614(内部集成了Melexis的红外热电堆传感器MLX81101和信号处理专用集成电路MLX90302两款精密测量芯片)、MLX90615SSG等。

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信源 | 网络

相比于上述的热电堆方案,还有一种热释电传感方案也常用于手持式耳温枪/额温枪的设计,具有响应速度快、光谱响应宽、工作频率宽、灵敏度与波长无关等优点。

下面是基于热释电传感器LN074B的典型设计电路参考:

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信源 | 网络

此外常用的热释电传感器还包括PerkinElmer的LHI878、TE Connectivity的TSH01A405-32SL55等。

当然,根据笔者平常的选型惯例,都是去贸泽或者其他分销商平台或官网通过检索、过滤得到我想要的型号的,毕竟那样是最直接的满足自己目标器件筛选的方法,此处不是广告,大家随意,如果有更好的方法,大家也可以推荐给我,不胜感激。

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信源 | 贸泽

热像仪分析

上面已经提到过,通常热像仪可分为光机扫描成像仪和非扫描成像仪两种,此处不再赘述。

针对光机扫描成像仪这里分享一份动态辐射扫描测温仪工作框图:

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信源 | cnki

针对非扫描成像仪,这里要介绍一下红外焦平面阵列热成像仪。其核心部件称为焦平面阵列(FPA),类似于CCD/CMOS芯片。

采样时一个微景元对应阵列上的一个像素,整幅红外图像一次完成,具有大面阵、高分辨率、高性能等特点,适用于大型场所。

对红外焦平面阵列探测器进行分类,可以分为制冷和非制冷两种。从字面上的意思我们就可以得出,我们现在用于大流量地区人体测温的应该是可在室温下工作且成本较低、故障率低的非制冷型焦平面探测器。

说到红外焦平面阵列热成像仪,我们不得不谈谈焦平面阵列探测器。一般来说,红外焦平面阵列探测器由两部分组成:

一是规模为N×M大小的红外焦平面阵列,该阵列上排布着一定像元大小的光敏感器件,规模大小也就决定了一个红外探测器的分辨率;还有一个就是与红外焦平面阵列相匹配的读出电路了。

这两部分通常由flip-chip键合技术通过铟柱或其他材料连接到一起,如下图所示:

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红外焦平面探测器 信源 | cnki

前者用来收集热辐射信号的,并将其转换为光电流信号;而后者则是将光电流信号转换为放大后的电压信号。怎么才能将光电信号转换为电压信号呢?

这是通过一个电容对固定且较短时间内产生的光电流信号进行积分产生的,此时每个像素的电压值就可以反映出该像素点的红外辐射能量了。然后再通过ADC转换,并将其进行滤波、放大等处理后形成一个幅度较大的电压信号,从而通过算法恢复出图像。

疫情当前,很多厂商推出了红外焦平面阵列热成像方案,比如高德推出的G120全自动红外热成像测温告警告系统(标称精度≤0.5℃)等。这些系统的应用,对于发热病人起到快速“筛选”作用。

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图源 | 高德

产业三大问题与对策

微弱信号的放大和抗干扰

通常传感器收集到的热辐射信号都是很小的,然后通过转换得到的光电信号又已经衰减了一部分,同时我们收集到的热辐射信号一定是存在噪声的,没有一样物体能够没有背景的存在,只是信噪比的问题了。因此谁家的放大电路和抗干扰电路做的好,就能卖更好的价格。

对于放大电路来说,是模拟信号处理的环节,国内起步较晚,但近些年也有很大的进步了,其中聚洵半导体科技(上海)有限公司就声称其微创新的运放就满足红外测温仪的高精度要求,且稳定性较好,性价比也高,并可在疫情期间充足供货。

对于抗干扰部分来说,不仅取决于电路本身,目前算法方面的精进也是解决干扰问题的重要手段,甚至有的芯片中已集成了部分算法,使用更加便捷,用它做出来的设备也有更好的信噪比,同时体积、功耗都可以进一步减小。

信号与实际温度值的非线性对应

很多时候我们采样的信号与实际温度是一种非线性的关系,从前面章节中的人体不同部位不同室温下的温度曲线也可以理解半分。

面对这样的问题,我们有的可以通过标定来解决,有的则要通过算法进行更深层次的非线性温度补偿了。

传感器探头所处温度对信号的影响

传感器所处的温度变化会直接导致测量所得温度的漂移,这是由传感器本身的特性决定的,再往深了讲,这是由组成传感器的材料的特性所决定的,我们没办法改变。

所以通常需要针对不同的被测物体和测量环境进行建模,再通过学习算法进行相应的环境补偿,来部分解决这个问题。

写在最后

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图源 | inshorts.com

疫情期间,关于如何选型,我认为家庭使用耳温枪或是耳温枪都可以,有小宝宝的最好购买额温枪,而大型场所或是有条件的公司可购买热成像仪,充分体现无感测温、高速筛查的优点。

对于这一部分,笔者看到有网友吐槽采用焦平面成像仪大材小用,其实不然,没有无用的图像,只有不够到位的算法和利用率。

Tips:有没有读者和笔者一样,在未知情况下担心红外热成像仪对我们的身体有害呢?

经过核实,是不会的,反而还可以起到一些保健的作用,因此请放心通过这些体温筛选关卡。

编者按:本文转载自微信公众号:与非网(ID:ee-focus),作者:夏珍

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