红外耳温计

登月技术衍生的日常发明

红外耳温计是登月技术衍生的日常发明。家里有婴儿的朋友对于这种直接置入耳朵的温度计一定不陌生，它可以通过一个相机镜头一样的装置探测红外能量，在三两秒就可测出体温，婴孩和儿童使用方便又安全。而这项技术最初是用来监测太空中星体诞生的。

原理

人的耳膜临近大脑下视丘，而下视丘是脑部温控中心，并不断向外辐射红外线，“近水楼台先得月”嘛，在耳部通过红外传感技术测得的温度更能准确的反映出人体核心温度。该产品测量体温非常快捷，把探头深入耳孔内，按下测量按键，一般只需1秒钟就完成一次测量，无需像水银温度计那样长时间等待。

注意

需要提醒大家的是，这种红外耳式体温计配有一次性可更换保洁护套，能杜绝了接触式交叉感染，使用者一定不要贪图省事而不更换护套。

测温原理

1984年 ,David Philips 发明了世界上第一台红外耳温计。红外耳温计通过测量人体耳道和(或)鼓膜的热辐射来测定人体温度。红外耳温计通常采用热电探测器为传感器 ,测量范围一般为 32～42. 5 ℃,探测器波长响应范围为7 ～13 μm ,在36～39 ℃ 范围内测量准确度为 ±0. 2 ℃。红外耳温计测量的数学模型[1 - 2 ]

为: U0 = S· ＜ = S·K· ε b· ε s· σ( T4 b - T4 s) (1)

式中, U0 为探测器输出, (V) ; S 为探测器灵敏度, (V/ W) ; ＜为探测器接收到的辐射通量, (W) ; K为红外耳温计的仪器系数,包含探测器立体角, 探测器受光面积因素,对于特定红外耳温计,其值为常数;ε b 为被测物体表面发射率;ε s 为探测器表面发射率;σ为斯蒂芬 - 波尔兹曼常数,其值为 5. 67 ×10 - 8 W/ (m2 · K4) ; Tb 为被测物体表面温度, ( K) ; Ts 为探测器表面温度, ( K) 。对应于任一确定探测器温度( Ts) ,可以建立探测器输出( U0)与被测物体表面温度( Tb)之间一一对应关系。红外耳温计测温时,通过测量探测器的输出( U0)和探测器温度( Ts) ,计算被测物体的表面温度( T ) ,测量过程如图1 所示。

测量过程

红外耳温计通常具有耳温模式、估计模式和校准模式三种工作状态。耳温模式下,红外耳温计显示的测量结果为耳温,是考虑了人体耳鼓膜和耳道共同构成的生理结构的温度分布和有效发射率等因素而测定的人体耳温。估计模式下,利用人体不同部位温度分布差异的统计结果,红外耳温计根据测定的当前耳温通过数学运算估计出处于当前耳温下时,人体其他部位对应的温度,如红外耳温计的显示

测量结果为口腔温度、腋下温度或直肠温度等。耳温模式和估计模式都是红外耳温计用于人体温测量时所处工作状态。校准模式是红外耳温计测量标准黑体温度时所处的工作状态,是红外耳温计分度及校准时所处的工作状态。一种红外耳温计产品不一定完全具备以上三种工作状态,即可能只具有耳温模式或估计模式,但一定具备校准模式。红外耳温计的分度及校准必须在校准模式下进行。通过对红外耳温计进行特定按键操作或跳线方法可以进入红外耳温计的校准模式。

校准装置

红外耳温计为辐射测温仪器,采用温度准确已知的标准黑体辐射源校准。与工业用红外温度计相比,具有测量范围小,准确度高的特点。在充分考虑耳温计校准实验研究需要及可行性的基础上,我们建立了水浴式耳温计校准装置,如图 2 所示。耳温计校准装置由恒温水槽、黑体辐射源空腔、标准铂电阻和电测设备组成。水流从内桶底部快速盘旋上升, 形成均匀稳定的恒温水浴环境。圆锥圆柱形紫铜空腔垂直浸没在恒温水浴中,空腔内壁表面喷涂高发射率漆,空腔有效发射率 ≥0. 9997。耳温计校准装置采用二等标准铂电阻作为参考温度计。使用 Keithley2010 数字多用表和低热电势四线制转换开关测量参考温度计电阻值。耳温计校准装置辐射温度的扩展不确定度为38mK ( k = 2) 。

校准实验

红外耳温计校准的数学模型为: Δt = t - t0 (2) 式中,Δt 为红外耳温计固有误差, ( ℃) ; t 为红外耳温计测量的黑体辐射源温度, ( ℃) ; t0 为参考温度计测量的黑体辐射源温度, ( ℃ ) 。本文随机抽取了 4 个品牌的 8 支红外耳温计样品 ,利用红外耳温计校准装置 ,针对测量时间 ,测量时间间隔和探头保护罩这三个影响校准结果的主要因素展开实验研究 ,在理论分析及实验的基础上确定了红外耳温计校准实验条件。

测量时间对红外耳温计测量结果的影响

进行耳温计校准时 ,将耳温计插入黑体空腔开口放置一定时间后进行测量。表 1 反映了将耳温计插入黑体空腔开口放置不同时间后再进行测量 ,耳温计示值的变化。由表 1 可知 ,对于大多数品牌 ,耳温计插入黑体空腔开口后放置时间的长短对测量结果有明显影响 ,影响幅度因品牌而异。理论分析其原因为耳温计进行测量时 ,辐射换热及热传导作用引起耳温计内的探测器温度变化 ,将对测量过程中的温度补偿信号(见图 1)产生影响 ,进而影响耳温计测量结果。考虑到耳温计实际使用情况及提高操作重复性 ,确定在耳温计的校准时 ,将耳温计插入黑体空腔开口后立即进行测量。

3. 2 　测量时间间隔对红外耳温计测量结果的影响连续测量时 ,典型红外耳温计示数变化趋势如温计在实际测量人体温度时都要求使用探头保护罩 ,因此在校准耳温计时 ,也应使用探头保护罩。在耳温计最佳测量时间间隔条件下 ,进行耳温计探头护罩对测量影响的实验研究 ,结果如表 3 所示。 C、 D、 E厂耳温计的探头保护罩质量不稳定性 ,对测量结果产生很大影响。在进行耳温计产品型式批准和产品性能测试时 ,如发现耳温计测量重复性差 ,通过实验确定使用探头保护罩是否导致耳温计性能下降 ,对于客观反映耳温计产品计量特性是必要的。

红外耳温计校准实验条件的确定

(1)红外耳温计的校准必须在红耳温计的校准模式下进行;

(2)被校红外耳温计在所处环境中稳定足够时间 (一般 30 分钟) ;校准过程中避免环境温度剧烈变化;

(3)在红外耳温计的校准过程中 ,红外耳温计插入黑体空腔开口后 ,应立即测量;

(4)在进行红外耳温计校准时 ,应根据制造商要求或通过实验确定红外耳温计最优间隔时间 ,在此条件下进行校准;

(5)对于使用探头保护罩的耳温计 ,应测试更换探头保护罩引起的测量误差是否超出红外耳温计准确度范围。

结论

(1)建立了红外耳温计校准装置 ,可用于红外耳温计的校准和计量特性实验研究。红外耳温计校准装置温度范围为 30～50 ℃,黑体辐射源有效发射率 ≥0. 997 ,校准不确定度为 38mK;

(2)红外耳温计校准装置对多个品牌红外耳温计校准开展实验研究 ,提出红外耳温计校准实验条件;

(3)外耳温计计量特性的长期稳定性有待于进一步开展实验研究。

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