医用红外测温仪

2万 · 2020-1-22 15:20

医用红外测温仪及其关键技术研究
体温是人体基本生命体征之一，是能够反映人体健康状况的重要指标。体温测量
的准确性直接影响到疾病的诊断以及病情的观察和治疗方案的制定，这就要求测温仪
器要具有较高的测量精度。传统的水银体温计和电子温度计虽然精度较高，但却不能
满足快速测量的要求，且这种接触式测量具有交叉感染的危险。近年来，红外测温仪
由于非接触、测量时间短、灵敏度高等特点得到了广泛使用。目前常见的红外测温仪
有红外耳温计，红外额温计，红外热像仪等。红外耳温计使用时需要将传感器对准鼓
膜，如果操作不当测出的温度就会不准确;红外额温计受环境温度和距离影响，目前
精度不够高;红外热像仪测温虽具有较高的精度，但其价格昂贵。针对这一现状，本
文设计了一款基于BP神经网络距离补偿的医用红外测温仪，将成本控制在一定水平
的情况下，提高其测量精度。

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传统的测量体温方式为人工定时水银体温计测量，这种测量方式存在着多种弊
端。首先，水银体温计多选用玻璃材质，很容易造成破损从而导致水银泄漏，进而导
致汞中毒。水银体温计存在威肋、人类身体健康的风险，尤其对抵抗力低下的婴幼儿。
其次，水银体温计在进行体温测量时需要人工计时，浪费了大量的时间和人力，对于
急诊病人可能会延误病情。再次，水银体温计的查看方式为肉眼观察，这种方式极不
方便且容易造成测量误差。另外，水银体温计是重复利用的且为接触式测量方式，如
果消毒不彻底将会引发交叉感染。尤其一些患有传染性疾病的患者使用过的体温计交
叉感染的几率会更大。基于水银体温计的这些缺点，欧盟等国家己经禁止水银体温计
的销售与使用。红外测温仪则很好的弥补了水银体温计的缺点。红外测温仪材质安全、
测温速度快、具有数字或语音播报功能且为非接触式测温，这就使得红外测温仪的应
用越来越广泛。尤其在大型流感爆发时期，红外测温仪的优势更加明显。目前常见的
非接触式红外测温仪有红外耳温计、红外额温计、红外热像仪[[3]。红外耳温计使用时
需要将传感器对准鼓膜，如果操作不当测出的温度就会不准确;红外额温计操作简单，
但易受环境温度和距离影响，精度一般不高;红外热像仪测温精度高，但其价格昂贵。
针对这一现状，设计一款能方便、快速、准确测量的医用红外测温仪具有重要意义。

2万 · 2020-1-22 15:21

19世纪末期，基尔霍夫、玻耳兹曼、斯蒂芬、维恩等人提出了物体红外辐射相关
定律为红外测温技术提供了理论依据，红外技术发展迅猛。20世纪70年代，第一支
红外耳温计的问世标志着红外测温时代的到来。20世纪90年代David Philips博士实
现了红外耳温计的商用化量产。随后Shinozaki等人首次使用热电堆探测器制成耳道
式红外体温计，使测得人体鼓膜的温度较以往更加精准[f6,}1。这一体温计的研发使得基
于热电堆探测器的测温仪广泛应用[fgl。目前较为普遍的测温仪还有红外额温计和红外
热像仪。红外额温计用来测量人体额头的温度，操作简单。红外热像仪用来摄取人体
温度分布的热图像，可以测量出人体表面任意一点的温度。

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医用红外测温仪原理与组成框图如图3.2所示。主要组成部分包括红外温度传感
器、超声波测距传感器、背景环境温度传感器、主控CPU和LCD显示屏。
图中(1)为红外温度传感器。红外温度传感器用于测量人体的温度，其将检测
到的红外辐射能量转换成电信号，转换后的电信号被发送到主控制CPU中进行处理。

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热红外温度传感器有以下几种类型。
(1>热敏电阻传感器
热敏电阻的温度取决于吸收的外界辐射，内部电流产生的焦耳热，背景环境温度
和散热情况。热敏电阻的阻值随温度的改变而改变，正温度系数热敏电阻的电阻值随
着温度的升高而升高，比如金属。负温度系数热敏电阻的电阻值则会随着温度的升高
而降低，比如半导体。半导体的电阻温度系数比金属高几乎一个数量级，因此负温度
系数热敏电阻灵敏度更高，较为常用。

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(2)热释电传感器
热释电传感器是利用热释电效应工作的一种传感器。热释电传感器具有很宽的频
率响应特性(几赫到几千赫)，与光子红外温度传感器相比，虽然灵敏度较低，但其
光谱响应宽，并且可以在室温下进行工作。因而热释电传感器的应用十分普遍。
由于热释电传感器的自发极化的现象，在晶体与极化轴垂直的两个外表面上会出
现束缚电荷，虽然这些电荷存在但很容易被周围的自由电荷中和，所以无法显示。自
由电荷中和束缚电荷中和作用的时间不定，可能只需几秒可能长达几小时，而晶体自
发极化的驰豫过程所需时间很短，约为10-l z s级。当晶体处于一定程度频率的温度变
化的环境下，束缚电荷周围的自由电荷来不及中和它，自发极化强度发生同样频率的
周期性变化，就会产生一个交变电场，这种现象称为热释电效应。当在开路中间连接
上负载电阻时，就会产生回路电流，这种电流被称为热释电电流。热释电传感器工作
原理如图3.6所示。

2万 · 2020-1-22 15:26

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C3)热电堆红外传感器
热电偶红外传感器是基于塞贝克效应研发的红外传感器，将若干对热电偶串联在
一起，使分离的冷端彼此靠近并屏蔽起来，使分离的热端彼此靠近，用来吸收辐射能
量，这样就形成了热电堆红外传感器。当两个物体A和B连接成一个闭合回路时，
若A和B为不同的材料或者二者的逸出功不同，当两个接触点存在温差时整个闭合
回路就会有温差电流流过，产生温差电动势，这种现象又称为塞贝克效应。相比于热
电偶红外传感器，在相同的辐射环境下，热电堆红外传感器可以提供更大的温差和电
动势。这一优点使得热电堆红外传感器更加被青睐。热电堆红外传感器工作原理如图
3.7所示。

医用红外测温仪

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