疫情防控中的體溫檢測「哨兵」和「探子」

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新冠肺炎疫情發生以來,防控讓一個名不經傳的普通產品一舉成名，這個在抗「疫」戰場上處處所需、家家要用、站站配備的「神奇」器物是什麼？為何到了一物難求的地步？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，在疫情防控中發揮著無可替代的重要作用。

紅外傳感器產能不足，是導致溫槍緊俏短缺的主要原因。可是，紅外傳感器原理、結構、性能如何？溫槍的結構、原理、核心技術是什麼？為什麼不接觸就能測溫？其準確性、精度如何？可否達到人體測溫精度和醫用計量標準要求呢？這些問題，就鮮為人知了。

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則的熱運動，並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，凡是高於絕對零度（-273.15℃）的物質都可以產生紅外線。現代物理學稱之為熱射線。

什麼是紅外線

紅外線（Infrared）也是一種電磁波，是波長介於可見光與微波（無線電波）之間的電磁波，單位常用微米（μm）表示，範圍為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，通常用於紅外測溫的一般在0.76微米－14微米的近紅外波段。紅外線在電磁波連續頻譜中的位置是處於無線電波與可見光之間的區域，是比紅光更長的非可見光。

研究發現，太陽光譜中從紫色光到紅色光的熱效應是逐漸增大的，而且最大的熱效應出現在紅外輻射的頻率範圍之內，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。

人體紅外溫度傳感器

一切溫度高於零度（-273.15℃）的物體都在不停地向周圍空間發射紅外能量。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。反過來,通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準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。由於該波長範圍內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境影響無關，只是與人體含存與釋放能量大小有關，因此，只要通過對人體自身輻射紅外能量的測量就能準確地測定人體表面溫度。人體紅外溫度傳感器就是根據這一原理，設計製作而成的。

非接觸紅外測溫技術不需要接觸被測物，避免傳染、燙傷等危險或無法觸碰的物體，特別是像衛生設施、醫用物品等不會被汙染或損壞。快速、準確地測量出物體的表面溫度，具有響應快、精度高、低成本、壽命長、使用安全等優點，在產品質量控制和監測、設備在線故障診斷、安全保護等方面發揮了重要作用。

紅外溫度傳感器類型

根據紅外線波長、功能、應用需求，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。用於氣體檢測的紅外氣體傳感器種類最為繁多，用於紅外測溫的傳感器，按機理與使用環境劃分為製冷、非製冷，接觸、非接觸四大類別。製冷的用於軍事裝備與設施、大型工程設施、工業過程、環境保護與監控等超遠距離、高清晰系統；接觸用於特殊物體常態化連續溫度檢測以及醫用診療設備、測溫電子皮膚等。

人體紅外測溫儀

手持耳、額溫槍，顧名思義，用於檢測人體耳腔、額頭表面溫度，外形類似於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，都是採用紅外測溫原理，根據人體額頭、耳腔內的溫度與體溫的關係得到人體的實際體溫，二者只是結構和算法略有不同。它是由光學系統、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出的能量後，將紅外能量轉換成電信號，放大器把傳感器電信號進行放大處理，通過模數轉換（A/D轉換）變為數位訊號或調製解調處理轉換成頻率信號，再通過補償修正、參數校準和算法模型等工作就可轉換為醫用級的高精度溫度值。加上顯示驅動電路、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。相對於傳統的接觸式水銀體溫計、電子體溫計，無需接觸，避免交叉感染，只需將探測窗口對準耳腔、額頭位置，1秒即可安全、快速、準確地測出人體溫度，操作簡單、便捷。

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，一般用於工業測量；數字電路通過對信號進行放大，提高A/D轉換器的解析度，精確度可以達到±0.1℃，更適用於人體溫度的測量。

應用範圍與發展趨勢

人體正常體溫對於每個人來說都是獨一無二的，從34.7℃-38℃不等，取決於測量溫度的部位和個體差異。世衛組織（WTO）提供的人體正常體溫的標準參考數值是：耳內：35.8℃-38℃；腋窩：34.7℃-37.3℃；口腔：35.5℃-37.5℃；直腸：36.6℃-38℃。

耳溫、額溫槍適合家庭、賓館、圖書館、大型企事業單位，也可以用於醫院、學校、海關、機場等綜合性場所的快速篩查，還可提供給醫務人員在診所使用。

由於刻度讀取準確性、水銀（汞）生產工藝、使用回收等環保因素，國際已經淘汰水銀溫度計，提倡採用電子溫度計，但電子溫度計也需要接觸測量（腋下、口腔、肛門等），對於兒童、重症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創新，通過結構、功能、精度、測量方式的改進，未來會有類似溫槍的更多創新人體智能化測溫產品問世，並充實醫療、家庭等市場，滿足不同需求，服務於更多人群。

(作者系中國傳感器與物聯網產業聯盟副理事長、九三中央科技委副主任)