电子发烧友网 > 医疗电子 > 正文

医用红外测温设备组成原理与特点解析

2020年03月08日 16:56 次阅读

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~1 000 µm 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。

信息源:Research Gate

而红外线为何会普遍地存在于物体之中呢?这是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。

说了这么多,小伙伴们是不是会问:“这和为什么红外可以测温有什么关系?”

要说红外和测温的关系,那就涉及到热辐射的强度和光谱成分了,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种一一对应的关系。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有哪些?有什么区别?

从是否接触被测物体的角度出发,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是有一些出入的,比如在科学定义层面上,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、红外额温枪、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、环境温度、被测物体表面发射率等因素的影响的缺点。我们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,这一点需要跟大家澄清。

信息源: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,那么从红外测温的原理出发,红外测温仪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。

各类测温方法的特点 | 信息源:cnki

此外,从系统规模和功能的角度出发,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。我们可以从字面来理解,便携式红外测温仪就是小型的便携设备,通常是点对点测量,比如耳温枪、额温枪。当这些便携设备拥有了实时导出数据的功能,通常是借助无线通信来完成的,那么这个设备就有了在线功能,于是就上升为了在线型红外测温设备,通常这类设备还会伴有一些信息再处理功能。至于扫描式红外测温仪就是通过扫描的方式在获取动态温度的同时还可获取图像等相关信息的测温设备,比如光机扫描成像仪。值得一提的是,由于集成电路的飞跃发展,近些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,对比光机扫描成像仪,具有视野宽、自动调焦、连续放大、图像清晰、分析功能强、使用方便等优点。

医用红外测温设备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。而写下本文的时机是在 2020 年新冠病毒席卷中国之时,因此我们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)。

这里先普及一些术语和基本知识:

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。

普朗克定律公式及分布情况 | 信息源:cnki

斯蒂芬 - 玻尔茨曼定律:对普朗克定律中所有波长进行积分运算,便得到了单位面积黑体辐射到半球空间的总辐射功率。该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。

斯蒂芬 - 玻尔茨曼定律公式 | 信息源:百科

维恩位移定律:普朗克定律表明,在一定温度下,黑体的单色辐射出度是波长的单值函数。因此,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。

维恩位移定律公式 | 信息源:百科

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:

信息源:知乎

分辨率:包括热分辨率和空间分辨率两种,其中热分辨率是指热像仪可分辨出的最小温差,也成为噪音等效温差,这是一个重要指标,直接关乎测温设备(热像仪)的价格;而空间分辨率指的是图像分辨率,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。

信息源:testo AG

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

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,无论是耳温枪还是额温枪,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/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℃。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。

信息源: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。

信息源:网络视频

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:

信息源: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,根据我平常的选型惯例,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。

信息来源:贸泽

热像仪

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:

信息源: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:

红外焦平面探测器 | 信息源:cnki

前者是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。小伙伴们是不是好奇,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,比如海康威视推出的“会议平板+热成像”提问筛查系统,大华推出的人体热成像测温系统(据说误差只有±0.1℃),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,对于发热病人的筛选起到了很好的快速“大过滤”作用。

信息源:高德

困扰红外测温设备发展的三大问题与对策介绍

问题一:微弱信号的放大和抗干扰问题

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。

问题二:信号与实际温度值的非线性对应问题

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。

问题三: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。所以我们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

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,我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:有没有小伙伴和我一样,在未知的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。

下载发烧友APP

打造属于您的人脉电子圈

关注电子发烧友微信

有趣有料的资讯及技术干货

关注发烧友课堂

锁定最新课程活动及技术直播

电子发烧友观察

一线报道 · 深度观察 · 最新资讯
收藏 人收藏
分享:

评论

相关推荐

新冠疫情,刚需“红外测温仪”的保障之路

抽奖信息直播中奖名单已出炉!恭喜以下小伙伴~中奖的小伙伴加小助手微信:elecfans_bbs(备注:红外测温仪直播)兑
发烧友学院发表于 2020-02-27 00:00 125973次阅读
新冠疫情,刚需“红外测温仪”的保障之路

疫情之下红外体温计需求猛增,科普红外体温计的应用

近期受疫情影响,红外体温计在疫情防护时发挥了关键作用,下面将针对红外体温计应用和计量技术等问题,进行....
发表于 2020-03-10 14:16 80次阅读
疫情之下红外体温计需求猛增,科普红外体温计的应用

红外测温仪到底准不准?

新型冠状病毒疫情使测温产品的市场需求急速上升,红外测温仪和口罩一样,成为防疫抗灾的重点管控医疗产品。....
发表于 2020-03-10 11:40 63次阅读
红外测温仪到底准不准?

无线测温系统概述_无线测温系统组成

本文主要阐述无线测温系统的概念及无线测温系统的组成。
发表于 2020-03-10 10:48 6次阅读
无线测温系统概述_无线测温系统组成

耐磨热电偶测温的基本原理_耐磨热电偶的技术优势

耐磨热电偶是一种感温元件,是一种一次仪表,热电偶直接丈量温度。由2种不同成分材质的导体组成的闭合回路....
发表于 2020-03-10 10:21 12次阅读
耐磨热电偶测温的基本原理_耐磨热电偶的技术优势

新华社点名晶华微:坚持稳定出货,助力防疫大局

晶华微总经理罗伟绍博士表示:作为国内红外测温芯片主要供应商之一,疫情之下,我们不能发这种“国难财”,....
发表于 2020-03-10 09:32 240次阅读
新华社点名晶华微:坚持稳定出货,助力防疫大局

智慧医疗冲向前线,5G+红外测温实现精准测量

体温检测是疫情防控的第一道关口,随着复产复工的推进,北京西站、石家庄站等交通枢纽人流量增大,而在出入....
发表于 2020-03-10 09:13 18次阅读
智慧医疗冲向前线,5G+红外测温实现精准测量

红外测温仪保障之路如何破解?三位大咖精彩观点交锋

3月5日,由电子发烧友直播的“新冠疫情,刚需红外+测温仪”的保障之路,邀请芯海科技董事长卢国建先生,....
发表于 2020-03-10 09:06 803次阅读
红外测温仪保障之路如何破解?三位大咖精彩观点交锋

在线式红外测温仪工作原理_在线式红外测温仪的应用

本文首先阐述了在线式红外测温仪工作原理,其次阐述了在线式红外测温仪特点,最后介绍了在线式红外测温仪的....
发表于 2020-03-09 13:52 44次阅读
在线式红外测温仪工作原理_在线式红外测温仪的应用

温度测量仪原理_温度测量仪特点

本文首先阐述了温度测量仪原理,其次阐述了温度测量仪技术参数,最后介绍了温度测量仪特点。
发表于 2020-03-09 08:42 59次阅读
温度测量仪原理_温度测量仪特点

红外测温仪需要多高的精度才能作为医用级

新冠肺炎疫情的爆发,使人们对于公共安全的重视程度不断提高。体温是表征人体是否健康的重要指标之一, 通....
发表于 2020-03-08 11:11 166次阅读
红外测温仪需要多高的精度才能作为医用级

应用丨 存储罐液位怎么检测?

石化中的各类储液罐基本都会配有液位计,用来监测存储罐内的液位情况。但是液位计经常会损坏,造成检测失灵....
发表于 2020-03-07 11:33 27次阅读
应用丨 存储罐液位怎么检测?

测温仪发展趋势预测:国产化 智能化

体温计是测量人体温度的测温设备,种类多样,可以通过汞或其他液体的热胀冷缩原理测量温度,也可以通过温度....
发表于 2020-03-06 17:06 159次阅读
测温仪发展趋势预测:国产化 智能化

红外测温,口罩识别!安泽防疫机器人在防疫领域的应...

红外测温,发热告警; 口罩识别,未戴提醒。 近日,能够进行测温,发现发热人员自动报警,以及识别是否佩....
发表于 2020-03-06 11:20 78次阅读
红外测温,口罩识别!安泽防疫机器人在防疫领域的应...

热像仪在汽车行业的应用——后挡风玻璃加热丝安全检...

【现状介绍】 随着经济发展,越来越多的汽车进入千家万户。汽车中存在的很多安全隐患也越来越受到用户们的....
发表于 2020-03-06 11:06 50次阅读
热像仪在汽车行业的应用——后挡风玻璃加热丝安全检...

基于RS3002的手持式红外测温仪设计电路分析

手持式红外测温仪可以实现非接触近距离测量人体的温度,非常方便用于临时快速的体温测量。目前随着疫情的发....
发表于 2020-03-06 10:43 311次阅读
基于RS3002的手持式红外测温仪设计电路分析

能看见图像的测温仪介绍 海康H10热像仪

近期预防疫情扩散,各地医院、机场、火车站、客运站等场所启动了体温检测工作,海康威视人体测温热像仪在本....
发表于 2020-03-06 10:33 175次阅读
能看见图像的测温仪介绍  海康H10热像仪

受疫情影响 测温市场一片火热

2020年3月伊始,随着疫情的逐步控制,全国人民的生活秩序也在慢慢恢复平常,很多企业都开始陆续复工复....
发表于 2020-03-06 09:38 254次阅读
受疫情影响 测温市场一片火热

关于红外测温仪精确测量温度的技巧与方法

红外测温仪由光学系统,光电探测器,信号放大器及信号处理。显示输出等部分组成。
发表于 2020-03-05 09:17 340次阅读
关于红外测温仪精确测量温度的技巧与方法

猎豹移动旗下红外测温机器人助力复工 实现非接触式...

“智能疫情防控协作机器人”豹小秘“、智能疫情防控递送机器人”豹小递“,这两款机器人均搭载猎户星空Ro....
发表于 2020-03-05 09:15 143次阅读
猎豹移动旗下红外测温机器人助力复工 实现非接触式...

简述医用红外测温仪的工作原理

红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。
发表于 2020-03-05 09:09 335次阅读
简述医用红外测温仪的工作原理

近六成企业复工,七成企业资金链紧张——新冠疫情对...

2020年春节,突如其来的新型冠状病毒疫情,打乱了国内的整体生活和经济发展节奏,举国上下共同抗击疫情....
发表于 2020-03-04 09:27 3140次阅读
近六成企业复工,七成企业资金链紧张——新冠疫情对...

人脸识别测温仪的出现,让人体温度检测变得更加高效...

与之相比,全自动红外测温仪具有远距离、大面积、非接触、快速筛查体温等优点。密集人流可实现全自动无感通....
发表于 2020-03-03 15:22 752次阅读
人脸识别测温仪的出现,让人体温度检测变得更加高效...

大疆无人机创新测温方案让测温更靠谱

在抗击疫情战役中,内置各类红外温度传感器的红外体温检测仪、红外成像监控和测温仪等设备,为疫情监测防护....
发表于 2020-03-03 11:37 550次阅读
大疆无人机创新测温方案让测温更靠谱

测温头盔趁势而起,疫情下加速落地

一款智能头盔在疫情中投入使用,既能实现传统红外测温摄像头的自动测温功能,还可实时识别二维码,自动记录....
发表于 2020-03-03 10:02 1712次阅读
测温头盔趁势而起,疫情下加速落地

关于红外测温仪技术的现代应用分析

红外测温仪的测温原理是将物体发射的红外线具有的辐射能转变成电信号,红外线辐射能的大小与物体本身的温度....
发表于 2020-03-03 09:36 233次阅读
关于红外测温仪技术的现代应用分析

红外测温仪可完美的应用于电力、钢铁等行业

随着我国经济发展,全国工业产业结构不断优化升级,红外检测技术得到广泛应用。
发表于 2020-03-03 09:31 375次阅读
红外测温仪可完美的应用于电力、钢铁等行业

福禄克超级精密测温仪的行业优势

Fluke Calibration超级精密测温仪的比值准确度达0.06 ppm (0.000015 ....
发表于 2020-03-03 09:26 59次阅读
福禄克超级精密测温仪的行业优势

红外测温仪:如何实现非接触式测温工作?

新型冠状病毒感染的肺炎疫情使得今年农历新年相对比较冷清,在中央主楼值班的门卫师傅却不清闲。来往的人员不仅需要...
发表于 2020-03-03 07:00 258次阅读
红外测温仪:如何实现非接触式测温工作?

战役|红外热电堆传感器知识知多少?来这就够了

2020年新冠疫情牵动着举国上下的心,同时也让红外测温仪迅速成为了炙手可热的产品,涌出巨量的需求,并吸引越来越多的...
发表于 2020-03-02 10:38 404次阅读
战役|红外热电堆传感器知识知多少?来这就够了

一“枪”难求?带你解读手持式红外测温枪的设计原理

手持式红外测温枪是通过检测人体发出的红外信号,在不接触人体的情况下测量体温的测温装置。由于其能够在非接触的情况...
发表于 2020-02-29 07:00 478次阅读
一“枪”难求?带你解读手持式红外测温枪的设计原理

热荐#红外测温仪-测温枪方案及原理

当下,许多城市的企业已经吹起了复工的号角。换掉睡衣,戴上口罩,重新踏上上班路的你是否在感叹:户外的空气真好! ...
发表于 2020-02-25 17:08 668次阅读
热荐#红外测温仪-测温枪方案及原理

工业测温枪及热像仪能否测体温九问九答

新冠肺炎疫情下,出于体温排查要求,许多公共场所及机关企业单位使用非接触式测温设备,如红外额温枪、工业红外测温枪...
发表于 2020-02-18 21:18 1061次阅读
工业测温枪及热像仪能否测体温九问九答

请问有红外线测温仪电路图吗?

红外线测温仪电路图
发表于 2019-10-18 09:11 438次阅读
请问有红外线测温仪电路图吗?

红外线人体测温仪的工作原理是什么?

红外测温仪测温的原理是将被测物体发射的红外线具有的辐射能转变成电信号。红外线辐射能量的大小与物体本身的温度是相...
发表于 2019-10-18 09:01 179次阅读
红外线人体测温仪的工作原理是什么?

高精度红外测温系统如何设计?

温度测量主要有两种方式:一种是传统的接触式测量,另一种是以红外测温为代表的非接触式测量。传统的温度测量不仅反应...
发表于 2019-09-17 06:40 766次阅读
高精度红外测温系统如何设计?

实战多通道高速精密测温仪的全系列设计教程,教你掌握基于项目的全系列设计

参与《实战多通道高速精密测温仪全系列设计教程》添加助理老师微信,即可免费领取20G AD高速板设计视频资料一份! ...
发表于 2019-08-16 16:09 610次阅读
实战多通道高速精密测温仪的全系列设计教程,教你掌握基于项目的全系列设计

实战多通道高速精密测温仪的全系列设计教程,化解职场焦虑,提成项目管理能力

[table] [tr][td]活动期间(7月10日-7月18日)参与实战多通道高速精密测温仪全系列设计教程众筹,添加助理老师微信,...
发表于 2019-07-10 12:33 1882次阅读
实战多通道高速精密测温仪的全系列设计教程,化解职场焦虑,提成项目管理能力