近來，在疫情防控阻擊戰(zhàn)中，緊急物資短缺、供應(yīng)不足，基礎(chǔ)類產(chǎn)品全球化采購仍不能滿足需求，所暴露出的矛盾和突出問題，讓人記憶猶新，甚至是刻骨銘心。防控讓一個名不經(jīng)傳的普通產(chǎn)品一舉成名，這個在抗“疫”戰(zhàn)場上處處所需、家家要用、站站配備“神奇”的器物是什么？為何到了一物難求、四處打探、“苦苦追尋”的地步？它就是體溫檢測的“哨兵”和“探子”——非接觸式紅外測溫儀，也就是人們俗稱的手持耳溫與額溫槍，在疫情防控中發(fā)揮著無可替代的重要作用。

眾所周知，紅外傳感器產(chǎn)能不足，是導(dǎo)致溫槍緊俏短缺的主要原因?？墒?，紅外傳感器原理、結(jié)構(gòu)、性能如何？溫槍的結(jié)構(gòu)、原理、核心技術(shù)是什么？為什么不接觸就能測溫？其準(zhǔn)確性、精度如何？可否達到人體測溫精度和醫(yī)用計量標(biāo)準(zhǔn)要求呢？這些問題，就鮮為人知了。 

一、紅外線基本概念

太陽以紅外線方式把熱量輸送到地球，使得自然界中存在的任何實際物體，幾乎都是具有能量的反射和透過，其表面的發(fā)射率為1的黑體，均含熱能。

任何物體的分子和原子都會自身的進行無規(guī)則的熱運動，并以紅外線方式不間斷地向外輻射出熱能量，也被稱為電磁波輻射。不同物質(zhì)其吸收太陽光能不同，其分子和原子的運動也不同，運動愈劇烈，輻射的能量愈大，反之，輻射的能量也愈小。因此，凡是高于絕對零度（-273.15℃）的物質(zhì)都可以產(chǎn)生紅外線?，F(xiàn)代物理學(xué)稱之為熱射線。

1、什么是紅外線

紅外線（Infrared）也是一種電磁波，是波長介于可見光與微波（無線電波）之間的電磁波，單位常用微米（μm）表示，范圍為0.76－1000微米，即760納米（nm）到1毫米（mm）之間。紅外線按波長分為近紅外、中紅外、遠紅外、極遠紅外四類，其波長分別為0.76μm；1.1μm；2.526μm；25μm以上。實際上，通常用于紅外測溫的一般在0.76微米－14微米的近紅外波段。紅外線在電磁波連續(xù)頻譜中的位置是處于無線電波與可見光之間的區(qū)域，是比紅光更長的非可見光。見下圖：   

圖1  光譜示意圖

研究發(fā)現(xiàn)，太陽光譜中從紫色光到紅色光的熱效應(yīng)是逐漸增大的，而且最大的熱效應(yīng)出現(xiàn)在紅外輻射的頻率范圍之內(nèi)，因此，紅外輻射又被稱為熱輻射或者熱射線。由此可見，紅外輻射的物理本質(zhì)就是熱輻射。物體的溫度越高，向四周輻射能量就越強，輻射出來的紅外線就越多。

2、紅外線的醫(yī)學(xué)等應(yīng)用

醫(yī)用紅外線一般可分為兩類：近紅外線與遠紅外線。波段為4-14μm 范圍，被稱為“生育光線”，對人體活化細胞組織，促進細胞生長；強化肝臟功能，提高肝臟解毒、排毒作用；促進血液循環(huán)，提高組織再生能力和免疫力，加強人體的新陳代謝；改善血液循環(huán)，解決失眠乏力，四肢冰冷，增加細胞的吞噬功能，消除腫脹，促進炎癥消散，治療慢性炎癥等等都有積極作用。

當(dāng)然，紅外線在日常生活中應(yīng)用也非常廣泛，紅外光波爐能夠迅速產(chǎn)生高溫高熱，加熱效率極高，冷卻速度也快，而且保證食物色澤，不會烤焦。在高溫殺菌、監(jiān)控設(shè)備、手機的紅外接口、賓館的房門卡、電視機遙控器等，都有紅外線的影子。在軍事上的應(yīng)用更為普遍，紅外夜視器材在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中發(fā)揮著重要作用。夜視望遠鏡加個濾光鏡，就可透視了，不僅可應(yīng)用于夜間望遠而且還可以透過人的衣服看到身體。隨著我國技術(shù)不斷創(chuàng)新，紅外線在人造衛(wèi)星以及工業(yè)、衛(wèi)生、科研、日常生活等方面的應(yīng)用將日益廣泛。

3、紅外熱像技術(shù)

由于各種物體比如人、動物、車輛、飛機等吸收與含存的熱能量強度不同，向外輻射的熱紅外能量自然不同，都能展示出其各自不同的紅外輻射能量強度分布圖形。當(dāng)接受被測目標(biāo)物體的紅外輻射能量分布圖形并反映到紅外探測器的光敏元件上，通過對物體的紅外熱像進行光掃描后，并聚焦在單元或分光探測器上，再由探測器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大、轉(zhuǎn)換或標(biāo)準(zhǔn)視頻信號處理，顯示出與被測物體表面的熱分布場相對應(yīng)的紅外熱像圖。由于熱像分布圖信號非常弱，與可見光圖像相比，缺少層次和立體感。為更有效地判斷被測目標(biāo)的紅外熱分布場，通常采用圖像亮度調(diào)節(jié)、對比度控制、實標(biāo)校準(zhǔn)、偽色彩描繪與標(biāo)定等技術(shù)來達到實用效果。因此，一種由紅外探測器、光學(xué)成像物鏡和光掃描系統(tǒng)構(gòu)成的紅外熱像儀悠然而生。一切物體不受煙、霧及樹木等障礙物的影響，不論白天和夜晚都能清晰地被觀察到，這是目前人類掌握的最先進的物體（夜視）觀測器材。

熱成像的應(yīng)用范圍非常廣泛，電力、地下管道、消防醫(yī)療、救災(zāi)、工業(yè)檢測等方面都有巨大的市場需求，由于價格特別昂貴，目前只能被應(yīng)用于軍事上。人們已通過減少掃描速度來提高圖像分辨率、運用新材料等技術(shù)創(chuàng)新措施降低成本。隨著社會經(jīng)濟發(fā)展與科技進步，紅外熱成像這項技術(shù)必將大規(guī)模地應(yīng)用于民用市場領(lǐng)域。

二、人體紅外溫度傳感器

一切溫度高于零度（-273.15℃）的物體都在不停地向周圍空間發(fā)射紅外能量。其輻射特性、輻射能量的大小、波長分布等都與物體表面溫度密切相關(guān)。反過來,通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準(zhǔn)確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫的機理。

人體與其他生物體一樣，自身也在向四周輻射釋放紅外能量，其波長一般為9-13μm，是處在0.76-100μm 的近紅外波段。由于該波長范圍內(nèi)的光線不被空氣所吸收，也就是說，人體向外輻射的紅外大小與環(huán)境影響無關(guān)，只是與人體含存與釋放能量大小有關(guān)，因此，只要通過對人體自身輻射紅外能量的測量就能準(zhǔn)確地測定人體表面溫度。人體紅外溫度傳感器就是根據(jù)這一原理，設(shè)計制作而成的。

非接觸紅外測溫技術(shù)不需要接觸被測物，避免傳染、燙傷等危險或無法觸碰的物體，特別是像衛(wèi)生設(shè)施、醫(yī)用物品等不會被污染或損壞?？焖佟?zhǔn)確地測量出物體的表面溫度，具有響應(yīng)快、精度高、低成本、壽命長、使用安全等優(yōu)點，在產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測、設(shè)備在線故障診斷、安全保護等方面發(fā)揮了重要作用。

1、紅外溫度傳感器類型

根據(jù)紅外線波長、功能、應(yīng)用需求，紅外傳感器一般分為紅外氣體、紅外圖像、紅外溫度傳感器三大門類。用于氣體檢測的紅外氣體傳感器種類最為繁多，用于紅外測溫的傳感器，按機理與使用環(huán)境劃分為制冷、非制冷，接觸、非接觸四大類別。制冷的用于軍事裝備與設(shè)施、大型工程設(shè)施、工業(yè)過程、環(huán)境保護與監(jiān)控等超遠距離、高清晰系統(tǒng)；接觸用于特殊物體常態(tài)化連續(xù)溫度檢測以及醫(yī)用診療設(shè)備、測溫電子皮膚等。而目前紅外溫度傳感器根據(jù)能量轉(zhuǎn)換所用材料不同，可分為以下幾種類型：

（1）熱釋電型：硫酸三甘肽、鉭酸鋰等

（2）熱電堆型：N型和P型的多晶硅

（3）二極管型：單晶或多晶PN結(jié)

（4）熱電容型：雙材料薄膜

（5）熱敏電阻型：氧化釩、非晶硅等

其實，這些類型都只是在接收紅外能量后，轉(zhuǎn)換方式和材料能效比不同而已。

2、紅外熱電堆式溫度傳感器   

目前耳、額溫槍采用的紅外傳感器均為熱電堆式，基本物理原理是塞貝克效應(yīng)。紅外熱電堆式溫度傳感器類似于熱電偶，由可透過特定波長范圍的紅外濾光片和紅外接收的熱電堆芯片組成。外加一個腔內(nèi)環(huán)境比對溫度基準(zhǔn)（陶瓷熱敏電阻等校準(zhǔn)溫度用）。熱電堆芯片常用的材料有Poly Si/Al、N-Poly Si/P-Poly Si。

熱電堆溫度傳感器的工作原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外形封裝結(jié)構(gòu)示意見下圖：    

圖2  工作原理示意圖  

圖3  內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系示意圖   

圖4  成品內(nèi)、外部結(jié)構(gòu)關(guān)系示意圖

（1）紅外濾光片是能夠過濾不同波長的光敏感元件。其結(jié)構(gòu)簡單但工藝復(fù)雜，通常采用半導(dǎo)體材料和工藝，結(jié)合MEMS技術(shù)，形成精確度極高的透光窗口。不同規(guī)格的窗口，可以透過設(shè)計范圍或特定波長的紅外線，其他波長的則不能通過。由于不同物體釋放的紅外能不同，不同環(huán)境下測量方式不同，一般需要設(shè)計不同窗口作為檢測該物體紅外溫度傳感器的特定光敏感元件。

（2）熱電堆芯片是通過熱隔離支撐層、Poly Si參雜、背腔刻蝕(干法或濕法)或正面釋放(XeF)等關(guān)鍵工藝制作而成，用于吸收紅外熱能。當(dāng)被測物體特定波長紅外輻射給熱電堆吸收體吸收后，瞬間熱電堆焦變體的電荷發(fā)生變化，積累后形成電動勢，即電壓值。熱電堆芯片阻值通常在50-100KΩ、響應(yīng)率通常在50-200V/W；芯片尺寸一般在1×1mm-2×2mm之間，國外一般為1.05×1.05mm。

（3）熱電堆式溫度傳感器參數(shù)指標(biāo)：

測量范圍：-50℃-100℃；測量精度：0.1℃以內(nèi)，±0.1%以內(nèi)；

工作溫度：-20℃-+85℃；最大測量距離：≦0-50mm（加透鏡300-500mm）

輸出電壓：0-10mV；

熱電堆溫度傳感器最大量程范圍可以做到-60℃到+1200℃范圍。

（4）封裝形式與應(yīng)用范圍。熱電堆式溫度傳感器即可以是模擬量輸出，也可作為開關(guān)量輸出。因此，可廣泛應(yīng)用于空調(diào)、微波爐等智能家電，大型復(fù)印機、烘干機等各種工業(yè)智能設(shè)備，以及電力控制系統(tǒng)的各種設(shè)備溫度監(jiān)控。還可用在紅外氣體測量、工業(yè)環(huán)境、安防控制、可穿戴設(shè)備、人體感應(yīng)開關(guān)等各種配套使用。

紅外熱電堆傳感器成品圖主要封裝形式有兩種：TO46(TO18)/TO39(TO5)；

圖5  T046（T018）封裝產(chǎn)品實物圖     

圖6  T046（T018）封裝產(chǎn)品實物圖

三、人體紅外測溫儀（額溫槍、耳溫槍）

手持耳、額溫槍，顧名思義，用于檢測人體耳腔、額頭表面溫度，外形類似于手槍形狀的手持式紅外測溫儀。額溫槍與耳溫槍原理完全一致，都是采用紅外測溫原理，根據(jù)人體額頭、耳腔內(nèi)的溫度與體溫的關(guān)系得到人體的實際體溫，二者只是結(jié)構(gòu)和算法略有不同。它是由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。簡單地說就是由紅外熱電堆式溫度傳感器接收到人體表面發(fā)出的能量后，將紅外能量轉(zhuǎn)換成電信號，放大器把傳感器電信號進行放大處理，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D轉(zhuǎn)換）變?yōu)閿?shù)字信號或調(diào)制解調(diào)處理轉(zhuǎn)換成頻率信號，再通過補償修正、參數(shù)校準(zhǔn)和算法模型等工作就可轉(zhuǎn)換為醫(yī)用級的高精度溫度值。加上顯示驅(qū)動電路、液晶顯示屏、外殼和電池等組裝一起，就成為一個完整的溫槍。增加存儲電路和微處理器等就可成為智能型溫度檢測儀。相對于傳統(tǒng)的接觸式水銀體溫計、電子體溫計，毋需接觸，避免交叉感染，只須將探測窗口對準(zhǔn)耳腔、額頭位置，1秒即可安全、快速、準(zhǔn)確的測出人體溫度，操作簡單、便捷。

（1）測量電路組成

非接觸式體溫計的主控電路分模擬電路和數(shù)字電路兩種，其中模擬電路的處理方法精確度得不到保證，一般用于工業(yè)測量；數(shù)字電路通過對信號進行放大，提高A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率，精確度可以達到±0.1℃，更適用于人體溫度的測量。

手持式耳溫、額溫槍系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系和邏輯電路圖如下圖（a）（b）所示。

圖7  手持式紅外溫槍（耳溫、額溫）系統(tǒng)邏輯關(guān)系結(jié)構(gòu)框圖 （a）

圖8  手持式紅外溫槍（耳溫、額溫）系統(tǒng)邏輯電路圖 （b）

紅外溫槍核心芯片主要由ADC芯片CS1258和控制芯片CSU8RP1382D設(shè)計組成，可實現(xiàn)按鍵控制、LCD顯示、電量檢測等功能；模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片CS1258具有24 bit分辨率，且輸出速率 10-1280Hz分8檔可選；有效位2.35V 參考、40Hz 速率、128倍增益下 19.5bits 有效位；也可支持性能、普通、低功耗、休眠模式，同時還支持電壓測量、溫度測量、BIM 測量及手動測量模式，單命令切換。

CSU8RP1382D芯片作為SOC控制芯片，是8位RISC架構(gòu)的高性能單片機MCU，集成了18Bit高精度ADC和LCD顯示模塊。內(nèi)置4K×16位一次性可編程存儲器（OTP ROM），384字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器（SRAM），只有43條單字指令，8級存儲堆棧，最快指令周期2MHz。常用的測量系統(tǒng)，其外圍只需7個普通電容即可。在工作電壓（2.5-3.6V）范圍內(nèi)任意把系統(tǒng)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)保存到OTP內(nèi)，具有UART通訊口。

為了擴大溫度測量范圍，先通過一個高壓LDO RS3002把電池電壓轉(zhuǎn)為3V，供整個系統(tǒng)使用，包括為單片機，背光燈，運放等器件供電，然后再用一個低功耗LDO RS3236從3V降為1.5V，以便能給熱電堆提供一個參考電壓，讓測量溫度范圍擴大。單片機通過讀取熱電堆內(nèi)部的NTC電阻與固定100kΩ電阻分壓后的電壓值，計算出不同環(huán)境溫度比對后的溫度準(zhǔn)確值。

由于熱電堆的輸出電阻較高，放大器倍數(shù)大概需要100倍以上，以便將小于10uV的傳感器信號放大后輸入給處理器。系統(tǒng)還使用有ST17H26智能藍牙芯片，通過手機APP可以實現(xiàn)測溫的歷史數(shù)據(jù)保存與曲線變化。

此電路系統(tǒng)除溫槍外，在電子衡器、精密測量及控制系統(tǒng)、智能穿戴測量等都能使用。

（2）技術(shù)參數(shù)指標(biāo)與產(chǎn)品特征

人體測溫儀最佳紅外波長為9-13微米（μm），最大值溫度測量區(qū)間為35-45℃之間。通過對耳、額表面溫度與實際體溫的偏差值修正、校準(zhǔn)，便能顯示準(zhǔn)確的體溫值。具體參數(shù)指標(biāo)如下：

a.精確測量：測量偏差≤±0.3℃。

b.快速測溫：測量時間＜1秒鐘。

c.測量距離：在5-15CM之內(nèi)都可以適應(yīng)，無需固定測量距離。 

d.屏幕顯示：屏幕液晶顯示測量溫度。

e.單位轉(zhuǎn)換：使用攝氏度、華氏度互相轉(zhuǎn)換。

f.溫度報警：自由設(shè)定報警溫度。

g.存儲數(shù)據(jù)：存儲測量數(shù)據(jù)，便于分析參考對比。

h.非接觸性：對人體耳腔、額頭測量，不接觸人體皮膚。

i.設(shè)置修改：可修改、設(shè)置參數(shù)，適應(yīng)白、黑、黃、棕色不同膚色人種等。

j.易于使用：一鍵測量，操作方便。

此外，手持溫槍也有軟肋和注意事項。由于防護鏡片是最易損壞的部分，因此，必須小心保護探頭鏡片；探頭鏡片需要保持干凈，清洗要用棉簽或軟布沾水或酒精輕輕擦拭；不得浸水或陽光直接暴曬；也不可重摔或碰撞，以免導(dǎo)致其損壞。

（3）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計類型

a.產(chǎn)品設(shè)計邏輯框圖：帶變焦鏡頭的溫度檢測系統(tǒng)，溫度測量范圍更寬、距離更遠，使用場所更廣闊。其邏輯關(guān)系如下圖所示。

圖9  通用高端紅外測溫系統(tǒng)邏輯框圖

b.手持式耳溫、額溫槍的部件結(jié)構(gòu)外形圖例

圖10  額溫、耳溫槍拆解后內(nèi)部零件結(jié)構(gòu)圖

c.市場典型手持式耳溫、額溫槍產(chǎn)品圖例

圖11  額溫、耳溫槍產(chǎn)品實物展示圖

（4）產(chǎn)品應(yīng)用范圍與發(fā)展趨勢

人體正常體溫對于每個人來說都是獨一無二的，從34.7℃-38℃不等，取決于測量溫度的部位和個體差異。世衛(wèi)組織（WTO）提供的人體正常體溫的標(biāo)準(zhǔn)參考數(shù)值是：a.耳內(nèi)：35.8℃-38℃；b.腋窩：34.7℃-37.3℃；c.口腔：35.5℃-37.5℃；d.直腸：36.6℃-38℃。

耳溫、額溫槍適合家庭、賓館、圖書館、大型企事業(yè)單位，也可以用于醫(yī)院、學(xué)校、海關(guān)、機場等綜合性場所的快速篩查，還可提供給醫(yī)務(wù)人員在診所使用。

由于刻度讀取準(zhǔn)確性、水銀（汞）生產(chǎn)工藝、使用回收等環(huán)保因素，國際已經(jīng)淘汰水銀溫度計，提倡采用電子溫度計，但電子溫度計也需要接觸測量（腋下、口腔、肛門等），對于兒童、重癥患者的測溫就有一定的難度和不方便。因此，隨著科技進步與技術(shù)創(chuàng)新，通過結(jié)構(gòu)、功能、精度、測量方式的改進，未來會有類似溫槍的更多創(chuàng)新人體智能化測溫產(chǎn)品問世，并充實醫(yī)療、家庭等市場，滿足不同需求，服務(wù)于更多人群。

作者郭源生系中國傳感器與物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副理事長、九三中央科技委副主任

封面圖片來源：拍信網(wǎng)