額溫槍紅外溫度傳感器快速檢測技術(shù)研究

周小康 ，江山，顧袁瑢

（南通大學附屬醫(yī)院醫(yī)學裝備處，江蘇 南通 226001）

1 前言

新冠疫情暴發(fā)期間，體溫監(jiān)測作為一種有效地預篩查措施，被廣泛應用在醫(yī)院各科室日常防護工作中。額溫槍是重要的“防疫武器”，其使用方法便捷高效，一秒內(nèi)能直接讀出體溫數(shù)值，且避免與就診人員直接接觸，能夠有效降低醫(yī)護人員和就診人員之間的交叉感染風險。新冠疫情背景下，額溫槍測溫設備使用頻次增大，異常、故障的發(fā)生也伴隨增多，主要表現(xiàn)為溫度傳感器測溫異常、顯示異常等現(xiàn)象。防疫背景之下，異常額溫槍測溫設備的外發(fā)檢測、送修變得困難，且耗時較長，所以作為醫(yī)院醫(yī)學裝備工程科室，具備快速檢測額溫槍測溫功能正常的能力十分關(guān)鍵。本文提出了一種并行、多模塊額溫槍紅外溫度傳感器檢測技術(shù)能夠支持醫(yī)院醫(yī)學裝備工程科室快速判斷、分析額溫槍設備溫度傳感器測溫異常。

2 原理與方法

2.1 額溫槍的工作原理

新型冠狀病毒肺炎(Corona Virus Disease 2019，COVID-19)，世界衛(wèi)生組織命名為“2019 冠狀病毒病”，簡稱“新冠肺炎”。新型冠狀病毒肺炎以發(fā)熱、干咳、乏力等為主要表現(xiàn)，少數(shù)患者伴有鼻塞、流涕、腹瀉等上呼吸道和消化道癥狀。新冠肺炎疫情期間就診人員進入醫(yī)院必須通過醫(yī)院的測溫設備進行預篩查分診，真實有效地記錄、監(jiān)測，從而達到科學化就診的目的。根據(jù)測溫方式的不同，醫(yī)院常見的測溫設備分類如表1所示。

表1 醫(yī)院常見測溫儀器

物體溫度大于絕對零度(The Absolute Zero)時會產(chǎn)生紅外輻射能量，該能量由物體本身溫度決定，即紅外輻射能量的強度及波長與物體表面溫度有關(guān)。人體的紅外輻射能量處于近紅外波段，近紅外波段內(nèi)的紅外光線不會被空氣吸收，即人體的紅外輻射能量與環(huán)境無關(guān)。對人體紅外輻射能量的測定能準確地測量出人體表面溫度。人體紅外輻射能量波長可通過維恩位移定律計算得到，公式如下：

其中，λ 是波長，T 是人體表面開爾文溫度，t 是人體表面攝氏溫度，維恩常量b=0.002897m×K。正常人體溫度范圍為：36 ～37.3℃，由式（1）、（2）可以計算得出，正常人體所發(fā)射紅外能量波長范圍為：9.332 ～9.371μm。額溫槍通過紅外溫度傳感器模塊測定人體表面產(chǎn)生的紅外波長能準確地計算人體額頭表面溫度，并通過溫差補償?shù)贸鋈梭w實際體溫，測溫電路如圖1 所示。

其中，紅外溫度傳感器模塊用于采集被測人額頭表面紅外輻射能量信息，并將紅外輻射能量轉(zhuǎn)換成電信號，采集后的電信號經(jīng)信號預處理模塊進行模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換以及放大處理。MCU 處理模塊進行測溫數(shù)據(jù)的參數(shù)校準、最終處理和存儲，通過顯示模塊將溫度信息展示出來，并與設定閾值比較后判斷是否產(chǎn)生蜂鳴器報警。

2.2 紅外溫度傳感器檢測方法

目前，紅外溫度傳感器根據(jù)能量轉(zhuǎn)換所用材料的不同，可以分為如表2 中5 種類型。

表2 紅外溫度傳感器類別

醫(yī)院額溫槍大多采用熱電堆型紅外溫度傳感器，此類傳感器基于兩種不同的導電介質(zhì)在不同溫度下會產(chǎn)生電壓差原理，即塞貝克效應。熱電堆型紅外溫度傳感器主要由紅外濾光片、熱電堆芯片、NTC 陶瓷熱敏電阻(Negative Temperature Coefficient thermistor)三部分組成，其中紅外濾光片用于透過特定波長范圍紅外輻射，熱電堆芯片進行紅外輻射能量的接收，陶瓷熱敏電阻作為溫度基準單元進行傳感器腔內(nèi)環(huán)境比對。常見的熱電堆芯片材料有Poly Si/Al、N-Poly Si/P-Poly Si，其阻值一般為50 ～100kΩ，響應率一般為50 ～200V/W；熱電堆芯片在吸收特定波長的紅外輻射能量后會產(chǎn)生電荷變化，進而產(chǎn)生電動勢，即電壓差。

熱電堆型紅外溫度傳感器主要有TO-46 型和TO-35型兩種封裝，本文針對TO-46 型封裝熱電堆紅外溫度傳感器進行檢測，主要針對熱電堆芯片和NTC 熱敏電阻兩部分關(guān)鍵參數(shù)測定。TO-46 型封裝PIN1、PIN3 回路構(gòu)成熱電堆芯片，為傳感器電壓輸出引腳，輸出的電壓為μV 量級，該電壓隨被測物體溫度的變化而變化。PIN2、PIN4 回路構(gòu)成NTC 熱敏電阻，為傳感器的熱敏電阻引腳，該阻值隨被測物體溫度的變化而變化。本文通過固定環(huán)境溫度25℃下對熱電堆紅外溫度傳感器兩個回路分別施加100μA 電流源，進而分別對熱電堆芯片回路和NTC 熱敏電阻回路電壓參數(shù)進行測量，然后根據(jù)歐姆定律分別計算回路中的熱電堆芯片阻值Rs和NTC 熱敏電阻值Rm，最后將關(guān)鍵參數(shù)測試值與25℃環(huán)境下關(guān)鍵參數(shù)標準參考值進行比較，判斷該額溫槍紅外溫度傳感器供能是否正常。TO-46 型熱電堆紅外溫度傳感器25℃工作條件下關(guān)鍵參數(shù)標準參考值為Rs=75±20%kΩ，Rm=100±4%kΩ。

本文檢測系統(tǒng)基于AST2000 實現(xiàn)，AST2000 DVI 模塊能夠提供兩個相同的精密四象限恒壓、恒流、測壓、測流通道，其電流驅(qū)動精度達到±0.25%(FS)，電壓測量精度達到±0.1%(FS)，本次實驗通過AST2000 兩組C-BIT 信號控制繼電器的吸合形成熱電堆芯片測試回路和NTC 熱敏電阻測試回路，測試原理圖如圖2 所示。

圖2 紅外溫度傳感器檢測原理圖

3 實驗結(jié)果及討論

本文為提高檢測效率并降低醫(yī)院檢測成本，采用并行測試的方法，設計了10 個測試模塊，有效降低了檢測時間。測試條件為25℃，電路實物如圖3 所示。

圖3 檢測電路實物圖

根據(jù)科室所送修異常額溫槍進行實驗，測試結(jié)果如表3 所示。

表3 科室異常額溫槍檢測結(jié)果

根據(jù)表3 檢測結(jié)果與TO-46 型紅外溫度傳感器標準熱電堆芯片阻值參數(shù)和熱敏電阻值參數(shù)對比后得出以下結(jié)論：樣本2、樣本3、樣本5、樣本6、樣本7、樣本8 為溫度傳感器異常樣本，其余樣本均為溫度傳感器正常樣本。其中樣本2、樣本5、樣本6 為傳感器內(nèi)部熱電堆芯片異常，樣本8 為傳感器內(nèi)部NTC 熱敏電阻異常，樣本3 和樣本7為傳感器內(nèi)部熱電堆芯片與NTC 熱敏電阻均異常。

4 結(jié)語

本文主要研究了額溫槍紅外溫度傳感器的快速異常檢測技術(shù)，通過搭建多模塊并行的紅外溫度傳感器檢測平臺，高效地測試傳感器內(nèi)部熱電堆芯片阻值參數(shù)和熱敏電阻阻值參數(shù)，快速找出異常額溫槍，大大縮短異常處理時間，同時避免漏判、錯判各科室所送修額溫槍設備。新冠疫情期間設備外修、檢測變得困難，該平臺既能提高醫(yī)院醫(yī)學工程部門處理額溫槍異常的效率，又能降低醫(yī)院防疫的成本。