疫情防控中的红外温度传感器技术科普
2月26日，中国传感器与物联网产业联盟副理事长郭源生于《人民政协报》发文称 ，新冠肺炎疫情发生以来，防控让一个名不经传的普通产品一举成名，它就是体温检测的“哨兵”和“探子”——非接触式红外测温仪，也就是人们俗称的手持耳温与额温枪，在疫情防控中发挥着无可替代的重要作用。
各式测温枪，资料图
红外传感器产能不足，是导致温枪紧俏短缺的主要原因。可是，红外传感器原理、结构、性能如何？温枪的结构、原理、核心技术是什么？为什么不接触就能测温？其准确性、精度如何？可否达到人体测温精度和医用计量标准要求呢？这些问题，就鲜为人知了。
太阳以红外线方式把热量输送到地球，使得自然界中存在的任何实际物体，几乎都是具有能量的反射和透过，其表面的发射率为1的黑体，均含热能。
任何物体的分子和原子都会自身的进行无规则的热运动，并以红外线方式不间断地向外辐射出热能量，也被称为电磁波辐射。不同物质其吸收太阳光能不同，其分子和原子的运动也不同，运动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量也愈小。因此，凡是高于绝对零度（-273.15℃）的物质都可以产生红外线。现代物理学称之为热射线。
什么是红外线
红外线（Infrared）也是一种电磁波，是波长介于可见光与微波（无线电波）之间的电磁波，单位常用微米（μm）表示，范围为0.76－1000微米，即760纳米（nm）到1毫米（mm）之间。红外线按波长分为近红外、中红外、远红外、极远红外四类，其波长分别为0.76μm；1.1μm；2.526μm；25μm以上。实际上，通常用于红外测温的一般在0.76微米－14微米的近红外波段。红外线在电磁波连续频谱中的位置是处于无线电波与可见光之间的区域，是比红光更长的非可见光。
研究发现，太阳光谱中从紫色光到红色光的热效应是逐渐增大的，而且最大的热效应出现在红外辐射的频率范围之内，因此，红外辐射又被称为热辐射或者热射线。由此可见，红外辐射的物理本质就是热辐射。物体的温度越高，向四周辐射能量就越强，辐射出来的红外线就越多。
红外自动测温仪，资料图
人体红外温度传感器
一切温度高于零度（-273.15℃）的物体都在不停地向周围空间发射红外能量。其辐射特性、辐射能量的大小、波长分布等都与物体表面温度密切相关。反过来，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温的机理。人体与其他生物体一样，自身也在向四周辐射释放红外能量，其波长一般为9-13μm，是处在0.76-100μm的近红外波段。由于该波长范围内的光线不被空气所吸收，也就是说，人体向外辐射的红外大小与环境影响无关，只是与人体含存与释放能量大小有关，因此，只要通过对人体自身辐射红外能量的测量就能准确地测定人体表面温度。人体红外温度传感器就是根据这一原理，设计制作而成的。
非接触红外测温技术不需要接触被测物，避免传染、烫伤等危险或无法触碰的物体，特别是像卫生设施、医用物品等不会被污染或损坏。快速、准确地测量出物体的表面温度，具有响应快、精度高、低成本、寿命长、使用安全等优点，在产品质量控制和监测、设备在线故障诊断、安全保护等方面发挥了重要作用。
红外温度传感器类型
根据红外线波长、功能、应用需求，红外传感器一般分为红外气体、红外图像、红外温度传感器三大门类。用于气体检测的红外气体传感器种类最为繁多，用于红外测温的传感器，按机理与使用环境划分为制冷、非制冷，接触、非接触四大类别。制冷的用于军事装备与设施、大型工程设施、工业过程、环境保护与监控等超远距离、高清晰系统；接触用于特殊物体常态化连续温度检测以及医用诊疗设备、测温电子皮肤等。
人体红外测温仪
手持耳、额温枪，顾名思义，用于检测人体耳腔、额头表面温度，外形类似于手枪形状的手持式红外测温仪。额温枪与耳温枪原理完全一致，都是采用红外测温原理，根据人体额头、耳腔内的温度与体温的关系得到人体的实际体温，二者只是结构和算法略有不同。它是由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。简单地说就是由红外热电堆式温度传感器接收到人体表面发出的能量后，将红外能量转换成电信号，放大器把传感器电信号进行放大处理，通过模数转换（A/D转换）变为数字信号或调制解调处理转换成频率信号，再通过补偿修正、参数校准和算法模型等工作就可转换为医用级的高精度温度值。加上显示驱动电路、液晶显示屏、外壳和电池等组装一起，就成为一个完整的温枪。增加存储电路和微处理器等就可成为智能型温度检测仪。相对于传统的接触式水银体温计、电子体温计，无需接触，避免交叉感染，只需将探测窗口对准耳腔、额头位置，1秒即可安全、快速、准确地测出人体温度，操作简单、便捷。
测量电路组成非接触式体温计的主控电路分模拟电路和数字电路两种，其中模拟电路的处理方法精确度得不到保证，一般用于工业测量；数字电路通过对信号进行放大，提高A/D转换器的分辨率，精确度可以达到±0.1℃，更适用于人体温度的测量。
应用范围与发展趋势
人体正常体温对于每个人来说都是独一无二的，从34.7℃-38℃不等，取决于测量温度的部位和个体差异。世卫组织（WTO）提供的人体正常体温的标准参考数值是：耳内：35.8℃-38℃；腋窝：34.7℃-37.3℃；口腔：35.5℃-37.5℃；直肠：36.6℃-38℃。
耳温、额温枪适合家庭、宾馆、图书馆、大型企事业单位，也可以用于医院、学校、海关、机场等综合性场所的快速筛查，还可提供给医务人员在诊所使用。
由于刻度读取准确性、水银（汞）生产工艺、使用回收等环保因素，国际已经淘汰水银温度计，提倡采用电子温度计，但电子温度计也需要接触测量（腋下、口腔、肛门等），对于儿童、重症患者的测温就有一定的难度和不方便。因此，随着科技进步与技术创新，通过结构、功能、精度、测量方式的改进，未来会有类似温枪的更多创新人体智能化测温产品问世，并充实医疗、家庭等市场，满足不同需求，服务于更多人群。
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