紅外體溫計的射頻電磁場輻射抗擾度試驗及整改對策

黃勇，盧哲，溫宇標，樊翔，劉思勝，劉海

（廣東省醫療器械質量監督檢驗所，廣州 510663）

引言

2020年初，由于新型冠狀病毒肺炎疫情爆發并蔓延，紅外體溫計被列入防疫應急的清單之中。新型冠狀病毒感染者，體溫一般要比正常體溫高，研究表明，87.9%的新冠肺炎患者具有發燒的臨床表現[1]。鑒于體溫升高是新型冠狀病毒肺炎感染者最普遍的臨床癥狀，全民體溫監測成為疫情防控的必要手段，所以越來越多的醫療器械企業投入到紅外體溫計的注冊檢驗申請中，其中注冊檢驗中包含了電磁兼容檢測，且射頻電磁場輻射抗擾度試驗是紅外體溫計最難通過的電磁兼容試驗項目之一，為提高紅外體溫計射頻電磁場輻射抗擾度水平，幫助企業快速通過注冊檢驗，本文針對射頻電磁場對紅外體溫計的影響機理進行分析研究，并提出整改對策，提供了通過紅外體溫計射頻電磁場輻射抗擾度試驗的思路和方法。

1 紅外體溫計的基本工作原理

熱輻射是物質處于熱平衡狀態下的輻射，一切溫度高于絕對零度的物體都能產生輻射[2]，溫度愈高，輻射出的總能量就愈大。人體表面溫度可通過熱輻射的形式輻射波長在9~10（um）的紅外線，由于該波長范圍內的紅外線不被空氣吸收[3]，紅外體溫計可通過內置的傳感器探測人體表面輻射的紅外線能量，便可準確的測出人體表面的溫度。

紅外體溫計的結構組成主要包括溫度傳感器、轉換電路、控制電路和輸出顯示部分組成，其結構框圖如圖1所示。人體發出的紅外輻射經透鏡、波導或其他可穿過紅外的介質傳輸并聚焦至溫度傳感器，通過溫度傳感器將體溫信號轉化為電信號，該電信號經過轉換電路和控制電路在輸出顯示部分末端顯示體溫數值[4]，從而達到了測量體溫的目的。

圖1 紅外體溫計結構框圖

2 紅外體溫計輻射抗擾度試驗模式選擇及試驗方法

紅外體溫計一般我們可以定義兩種工作模式，正常工作模式和待機模式。正常工作模式就是體溫計保持開機狀態，操作按鍵進行溫度測量，而待機模式就是體溫計開機狀態，不進行溫度測量，屏幕正常顯示，可以進行記錄翻查。根據紅外體溫計的使用特點，設備為間斷測量方式工作，一旦不操作按鍵，短時內會自動關機，因此相比待機模式，正常工作模式更符合標準中定義的對患者預期最不利的狀態。故在待機模式下測試射頻電磁場輻射抗擾度并無實際意義，從而選擇對紅外體溫計的工作模式試驗才更加符合標準對測試的要求。

根據射頻電磁場輻射抗擾度試驗標準YY 0505-2012和GB/T 17626.3-2016要求[5,6]，將紅外體溫計放置于80 cm高度的桌面，且放有紅外體溫計的桌面測試一側必須滿足1.5 m×1.5 m均勻場，場強強度為3 V/m，測試布置如圖2所示，試驗頻率為80～2 500 MHz，掃描速度頻率步長以頻率范圍內步進基頻的1%遞增，掃描駐留時間為3 s，試驗調制采用80 %AM，1 kHz正弦波方式，分別在水平極化和垂直極化兩個方向對紅外體溫計的前后左右四個面進行測試[7]。

圖2 射頻電磁場輻射抗擾度試驗布置圖

紅外體溫計在正常使用過程中是間斷工作的，而輻射抗擾度試驗是連續運行的，考慮到試驗的高效性，要保證紅外體溫計在測試過程中連續測量，必須要使用人工或者其他外力持續按壓紅外體溫計開關按鈕。然而，由于輻射抗擾度試驗時屏蔽室內有輻射騷擾場強，基于人身安全的考慮，人工進行操作的方法并非良策，故設計了一臺自動按壓設備來代替，基本結構如圖3所示，通過控制伸縮支架和按壓部分，實現持續頻率可調的按壓開關按鈕動作，確保紅外體溫計始終保持在正常工作模式下試驗。

圖3 自動按壓設備的基本結構圖

3 紅外體溫計輻射抗擾度試驗失敗原因及整改對策

3.1 紅外體溫計輻射抗擾度試驗失敗原因分析

從紅外體溫計的基本工作原理上分析，紅外體溫計的電磁兼容主要關鍵元器件有溫度傳感器、主控芯片，顯示屏和電源部分，但其核心敏感器件就是溫度傳感器，紅外體溫計的溫度傳感器主要是熱電堆傳感器，它的工作方式是基于塞貝克效應原理，采用硅基微加工工藝，在硅片支撐層上排布熱電堆的若干個熱電偶，這些熱電偶串聯起來，就構成熱電堆芯片，傳感器接收紅外輻射時，熱電堆芯片上各熱電偶的電壓疊加輸出，從而將測試溫度轉變為電壓信號[8]。研究表明，熱電堆傳感器的電壓與溫度呈正相關，具體電壓與溫度的典型特性曲線如圖4所示。

通過圖4可以看出2 mV的熱電堆傳感器的電壓變化，對應溫度就變化了20 ℃，根據圖示曲線走勢可以得出，0.1 mV的變化即可使傳感器的溫度變化1 ℃。在紅外體溫計射頻電磁場輻射抗擾度試驗中，試驗場強強度為3 V/m，只需在體溫計上耦合到mV級別的干擾信號，即可導致體溫計出現溫度顯示失靈現象，偏離技術要求的規定。針對熱電堆傳感器的高敏感性，分析了多款紅外體溫計輻射抗擾度試驗失敗原因，發現輻射抗擾度干擾信號主要通過紅外體溫計前端的金屬套筒，以及傳感器信號線和電源線進入芯片，最終導致紅外體溫計測溫異常，具體原因分析如下：

圖4 熱電堆傳感器的電壓-溫度典型特性曲線

1）紅外體溫計前端的金屬套筒接收干擾。紅外體溫計傳感器前端帶金屬套筒，極易接收干擾。如圖5所示，由于金屬圓筒對于高頻信號容易形成渦流或諧振，從而接收幾百MHz以上的高頻干擾信號，進而產生感應電動勢，而這個電動勢充當了騷擾源，可以直接通過傳感器的信號和電源線進入后級電路，影響芯片的正常工作，從而容易導致紅外體溫計試驗不合格。

圖5 紅外體溫計傳感器前端帶金屬套筒

2） 傳感器與芯片之間的信號線和電源線直接接收干擾。如圖6紅外體溫計內部電路結構所示，圈住的地方。線纜在高頻情況下容易充當等效接收天線，從而接收干擾，最終流入芯片，導致錯誤顯示。

圖6 紅外體溫計內部電路結構

3.2 整改對策

解決的方案可以從硬件、結構、軟件方面考慮，硬件方面從濾波方面想辦法，結構方面主要考慮屏蔽，軟件方面主要通過算法上做延時，抖動等方法把干擾信號濾除，提高精度。根據紅外體溫計輻射抗擾度試驗失敗原因，提供以下整改對策。

1）硬件電路處理對策。由于探頭非常敏感，需要增加抗干擾的措施，盡可能地減少干擾信號流入芯片。具體做法是探頭信號線輸入端增加磁珠濾除干擾信號，探頭的電源端增加磁珠及濾波電容，具體的電容和磁珠大小不能影響正常工作為宜，盡可能選大一點。如圖7紅外體溫計硬件電路所示，圈出的位置增加磁珠及濾波電容。

圖7 紅外體溫計硬件電路

2）內部線纜處理對策。探頭至芯片的信號線和電源線上套磁環，如圖8所示，把流經線纜的干擾電流轉化為熱能消耗掉。

圖8 探頭至芯片的信號線和電源線上套磁環

3）結構處理對策。外殼內層噴導電銅漆，但要注意生產工藝問題，縫隙處理注意避免有漆外露，否則靜電容易不合格。

4）軟件處理對策。軟件濾波，消抖技術，需結合產品的實際情況進行分析，從軟件的角度把干擾信號排除。

4 結論

紅外體溫計的電磁兼容問題主要集中在射頻電磁場輻射抗擾度試驗，因此，如何提高輻射抗干擾能力是紅外體溫計通過整個電磁兼容試驗的關鍵所在。本文分析了紅外體溫計射頻電磁場輻射抗擾度試驗失敗原因，從硬件、結構等多角度提出了相關整改對策，從而為紅外體溫計通過輻射抗擾度試驗提供了思路，本文對檢驗機構和生產企業等相關技術人員具有一定實際指導意義。