疫情期間紅外測溫槍檢測的基礎理論和實驗研究

李 瓊，趙鈺虎，饒文昊

(華北科技學院 建筑工程學院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

2019冠狀病毒病(COVID-19)大爆發(fā)，今年我國對于公共健康安全的重視更是達到了一個新的高峰，使得人們對于公共健康安全的重視程度不斷的提高。而體溫作為表征人體健康的一個重要指標之一，體溫檢測成為了篩查可能病患者的一大重要方法，通過快速而準確的測溫可以篩查出疑似病患，避免疫情的大規(guī)模蔓延。

常見的人體體溫測量方法，主要分為2大類，即接觸式和非接觸式[1-2]。接觸式測量最常用的是使用水銀溫度計測量人體溫度，其中常測量部位為腋下、口腔，精度可以達到0.1℃滿足人體的測溫需求，但接觸式測量每次測量需與人體直接接觸可能會感染病菌，因此每次使用需要進行消毒，并且測量速度相對較慢，無法適應人員快速的流動和大范圍的測量[3]。疫情期間測溫需求量大，各地紅外測溫的大規(guī)模使用已經(jīng)驗證紅外測溫的實用性。紅外輻射測溫技術是由于物體自身溫度以電磁波形式向外發(fā)射能量的物理現(xiàn)象。在檢測中，只需要保證物體溫度在絕對零度以上，其表面就會散發(fā)出紅外輻射，而散發(fā)的輻射量大小與物體自身溫度有直接關系，所以可以通過測量物體輻射量來確定物體溫度[4]。但紅外測溫時易受大氣狀況、環(huán)境溫度、被測物體表面發(fā)射率等因素的影響。一般測量誤差在1℃以上，不能適應臨床診斷測體溫要求[5-7]。而實際紅外線耳溫計和水銀體溫計有著較好的相關性(r =0.818)。從使用效果來看,對于 38～39℃的常見的中度發(fā)熱患者檢出率高達95%,符合率達到 90%以上,但誤差較大,最大約1.3℃[8]?，F(xiàn)有國內(nèi)外紅外測溫槍對于人體測溫的文獻中，相關文獻寥寥無幾，并且對于各因素對紅外測溫槍測溫的影響給出的實測方案論述并不多，如文獻[9]只論述了紅外測溫槍的使用，對于對紅外測溫槍測溫的影響因素沒有任何提及。

因此本文將影響紅外測溫槍的測溫誤差因素進行研究和分析。通過4種方法分析：問卷調(diào)查的分析、擬用單一變量法實測分析、利用相關性等方面誤差分析和理論分析。本文對疫情期間如何利用紅外測溫槍精確高效的測溫提供了應急指導方案，并對紅外測溫槍的改良提供數(shù)據(jù)支撐及理論依據(jù)，具有十分重要的社會意義和實用價值。

1 材料與方法

1.1 疫情期間的調(diào)研分析

根據(jù)發(fā)放的測溫需求和測溫數(shù)據(jù)的調(diào)查，被調(diào)研人群中，年輕人較多，老年人較少。疫情期間大多數(shù)測溫儀器為紅外線測溫槍，其他測溫儀器使用較少。疫情期間，多數(shù)人在比較寒冷的室外低溫環(huán)境中測溫，測溫儀器測溫時距被測人員的部位遠近不一，測量部位主要是脖子、額頭、手腕等。統(tǒng)計被測者的體溫。統(tǒng)計的測溫數(shù)據(jù)中，部分數(shù)據(jù)表明測得的體溫與實際體溫偏差比較大。少數(shù)被隔離人員，體溫測量儀器依然采用紅外線測溫槍較多，在室內(nèi)較高的環(huán)境溫度，測溫部位是額頭和手腕等，測溫距離較近，每天平均測溫5次，每次測溫時隔3小時。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示被隔離人員被測體溫都相對準確，所得數(shù)據(jù)偏差比較小。

1.2 實測方法

水銀溫度計是利用汞的熱膨脹正比和溫度來工作的。它內(nèi)部的汞是很穩(wěn)定的，密閉在它內(nèi)部的玻璃管內(nèi)，它的熱膨脹系數(shù)是恒定的。用它來測量溫度，不僅比較簡單直觀，而且還可以避免外部遠傳溫度計的誤差，所以我們利用它作為標準體溫的監(jiān)測溫度，然后利用紅外測溫槍進行測量各部位的體溫，進行兩個體溫的對比分析。由志愿護理人員手持非接觸式紅外線測溫槍對居民進行測量(被測溫人員在測溫前后一周時間內(nèi)身體健康指數(shù)標準)，將紅外測溫槍對準額頭、手腕及耳廓等部位，按下測量鍵后約10 s，聽到“滴”聲響后完成測量，記錄數(shù)據(jù)，如圖2所示。

為進一步探討不同因素對測溫槍測溫數(shù)據(jù)誤差的影響，本文于2020年3月6日在山西省大同市廣靈縣進行了對比實驗，實測儀器如表1所示。

表1 實測儀器表

實測期間，從上午8∶00開始，首先在室內(nèi)環(huán)境下，使用水銀溫度計測量人體腋下的實測溫度(測量兩次取平均值并記錄數(shù)據(jù))。并分別在與各部位(手腕，額頭，脖子，腋下)相距15 mm和30 mm測量人體的紅外測溫槍溫度(測量兩次取平均值并記錄數(shù)據(jù))。同時，在室外環(huán)境進行與室內(nèi)中相同的測溫過程。在之后測溫的時間里每隔1小時，重復上述的所有過程，共10次。測量方法的可靠性：我們采取的是在同時間同地點的測溫，其次在測溫時使用北京時間進行間隔計時，測溫距離使用游標卡尺進行距離的測定，同時室內(nèi)室外的溫度是利用電子溫度計進行實時溫度監(jiān)測，然后進行測溫。

1.3 誤差分析方法

所有測量數(shù)據(jù)均采用Excel建立數(shù)據(jù)庫，使用Excel與Origin8.5制圖來分析紅外測溫槍與水銀體溫計測量值的相關性與誤差大小，并根據(jù)測溫原理探究討論環(huán)境溫度、測溫時間、測溫距離與測溫位置等與誤差的關系。

使用紅外測溫槍時，其輻射影響因素主要包括物體表面的發(fā)射率、外界的反射輻射、大氣衰減、輻射率、反射率等，根據(jù)紅外測溫槍的測溫原理，它是靠接收被測物表面發(fā)射的輻射來確定其溫度的。實際測量時，紅外測溫槍接收到的有效輻射包括3部分：目標自身輻射、環(huán)境反射輻射和大氣輻射。測溫原理如圖3所示。

圖3 紅外測溫實測原理圖

由文獻[10]知紅外測溫槍測溫公式為:

(1)

由式(1)可以推導出如下物體自身溫度Ts相關公式：

(2)

由式(2)可知Ts是由環(huán)境反射輻射率、距離系數(shù)、周圍環(huán)境、大氣溫度、環(huán)境反射率和透射率等因素確定。本文重點分析環(huán)境反射輻射和測溫距離的影響。

1.3.1 環(huán)境反射輻射的影響

由實測分析可知，環(huán)境溫度對被測目標溫度具有不可忽略的影響，因此在溫度測量中需要考慮環(huán)境反射輻射對紅外測溫的影響。根據(jù)基爾霍夫定律：熱平衡時，任意物體對黑體投入輻射的吸收比等于同溫度下該物體的發(fā)射率。但實際人體測溫情況下，投入輻射即非黑體輻射，更不會處于熱平衡。由斯蒂芬-玻爾茲曼定律，黑體的全輻射能Mo(λ,T)與它的熱力學溫度的四次方成正比，即：

Mo(λ,T)=σT4

(3)

式中，σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，取為5.6693×10-8W·m-2·K-4。

實際人體測溫中，處在相同溫度狀態(tài)的人體輻射能量總是小于黑體的輻射能量。此時人體可視為灰體。實際物體的發(fā)射率為同一溫度狀態(tài)下實際物體與黑體輻射能量之比。即：

(4)

由式(3)(4)可以得出：

M(λ,T)=ε·σ·T4

(5)

而又由基爾霍夫定律，在熱平衡條件下，任何物體的自身輻射和它對來自黑體輻射的吸收比的比值，恒等于同溫度下黑體的輻射力。即

(6)

可以得出結論：

ε=α

(7)

而人體在實際情況可視為漫灰表面，考慮到灰體發(fā)射率及吸收比的關系，對于人體一定有α=ε。這就是說：對于人體，不論投入輻射是否來自黑體，也不論是否處于熱平衡條件，其吸收比恒等于同溫度下的發(fā)射率。人體在實際情況是不透明物體，因此人體的物體透射率可視為零，此時只有輻射和反射。在實際人體測溫情況下有：

ρs=1-εs

(8)

1.3.2 距離系數(shù)的影響

如圖4所示，距離系數(shù)(K=S/D)時紅外測溫槍到目標的距離S與測溫目標直徑D的比值，距離系數(shù)對紅外測溫的精確度有很大的影響，K值越大，分辨率越高。目標物體距離太遠，紅外測溫槍接收到的輻射能減小，所測溫度比目標物體的實際溫度偏低。

圖4 距離系數(shù)對紅外測溫的影響

2 結果分析

2.1 實測分析

2.1.1 測溫距離和測溫部位對紅外測溫槍的影響

實測包括室內(nèi)和室外測試兩部分。室內(nèi)實測時平均環(huán)境溫度22℃，測溫人員處于穩(wěn)定狀態(tài)，測溫距離分別15 mm和30 mm，研究了測溫距離對紅外測溫槍的測溫誤差的影響。如圖5所示，測溫距離為30 mm的測溫誤差較大，測溫距離為15 mm時測溫誤差較??；在手腕和額頭處測溫誤差偏大，在脖子處測溫誤差較小。室外實測時平均環(huán)境溫度9.3℃，測溫人員處于穩(wěn)定狀態(tài)，測溫距離分別15 mm和30 mm，研究了測溫距離和不同測溫部位對紅外測溫槍的測溫誤差的影響。圖5與圖6結果接近一致。

圖5 室內(nèi)環(huán)境不同測溫部位的箱式圖

圖6 室外環(huán)境不同測溫部位的箱式圖

綜合分析表明：無論在室外還是室內(nèi)，手腕和額頭的測溫誤差是相對較大，脖子測溫誤差是相對較小。測溫距離為30 mm時誤差較大，而測溫距離為15 mm時誤差較小。因此，在使用紅外測溫槍測量體溫時，盡量在室內(nèi)環(huán)境下進行，測溫部位為脖子，且需盡量靠近體表。

2.1.2 環(huán)境溫度對紅外測溫槍的影響

如圖7、8實測的分別是室內(nèi)和室外對脖子的實際測溫數(shù)據(jù)，測溫人員處于穩(wěn)定狀態(tài)，研究了一天里各個時間段室外環(huán)境溫度對紅外測溫槍的影響。由圖7可知，室內(nèi)測溫，且測溫距離為距脖子15 mm和30 mm時，測溫誤差較小，但是距離更遠時測溫誤差變大。由圖8可知，室外測溫，且測溫距離為距脖子15 mm和30 mm時，在時間段8～11和16～18處誤差都偏大，在時間段11～16時測溫誤差都偏小。實測數(shù)據(jù)為環(huán)境溫度在室外的4～12℃和室內(nèi)的22～23℃的范圍內(nèi)，其測溫分析分別為:室外測溫距離15 mm脖子處，平均測溫35.95℃誤差5.2%，實測體溫36.47℃。室內(nèi)測溫距離15 mm脖子處，平均測溫為36.35℃誤差為1.3%，實測體溫為36.4℃。 統(tǒng)計分析表明：在22℃平均溫度穩(wěn)定室內(nèi)測溫，測溫數(shù)據(jù)跟真實體溫偏差很小，一天內(nèi)的實測溫度波動性較小。在9.3℃平均溫度的室外測溫，其在溫度偏低的早上和下午所測得的數(shù)據(jù)偏差較大，并且溫度的波動性較大?？芍跍y溫部位不變時，測溫的環(huán)境溫度越高，其測溫的數(shù)據(jù)更能準確體現(xiàn)真實體溫。

圖7 室內(nèi)測溫環(huán)境因素實測數(shù)據(jù)

圖8 室外測溫環(huán)境因素實測數(shù)據(jù)

2.2 誤差分析

2.2.1 室內(nèi)環(huán)境條件下誤差分析

如圖9、10所示，在室內(nèi)平均溫度22℃測溫距離15 mm和30 mm，研究室內(nèi)不同測溫距離對紅外測溫槍測量誤差的影響。圖9可知，測量溫度在36～37℃，測溫距離15 mm數(shù)據(jù)的相關性系數(shù)R2為0.8244 。圖10可知測溫數(shù)據(jù)在36～37℃，測溫距離30 mm數(shù)據(jù)的相關性系數(shù)R2為0.3115。室內(nèi)環(huán)境溫度測量數(shù)據(jù)分別為15 mm脖子處平均溫度為36.35℃，誤差1.3%；30 mm脖子處平均溫度為36.2℃，誤差2.8%，實測溫度為36.4℃。

圖9 室內(nèi)測溫距離15 mm誤差分析

圖10 室內(nèi)測溫距離30 mm誤差分析

2.2.2 室外環(huán)境條件下誤差分析

如圖11、12所示，在室外平均溫度9.3℃測溫距離15 mm和30 mm，研究室外不同測溫距離對紅外測溫槍測量誤差的影響。圖11可知測溫在35.5～36.5℃，測溫距離15 mm數(shù)據(jù)相關性系數(shù)R2為0.4647。圖12可知測溫數(shù)據(jù)在35～36.5℃，測溫距離30 mm數(shù)據(jù)相關性系數(shù)R2為0.3495，室外環(huán)境溫度測量數(shù)據(jù)分別顯示為15 mm脖子處測溫平均溫度為35.95(℃)誤差5.2%和30 mm處脖子處平均溫度為35.7℃誤差7.7%，實測溫度為36.4(℃)。

圖11 測溫距離15 mm和測溫數(shù)據(jù)的相關性

圖12 測溫距離30 mm和測溫數(shù)據(jù)的相關性

實測結果表明，測量環(huán)境溫度越高，測溫數(shù)據(jù)的相關性越大，所測的數(shù)據(jù)越準確，測量的誤差越小。同一環(huán)境溫度誤差隨著測溫距離的增大而增大，所以測溫距離越接近測溫物體，測溫的誤差越小。近距離測量時可以忽略大氣衰弱帶來的影響，物體表面發(fā)射率的偏差計算對側的溫度對影響大，并且由于外界的各種輻射的因素會對測溫誤差產(chǎn)生較大的影響，總體導致測溫誤差減小。因此要提高紅外測溫槍的準確性應當增大被測物體的表面發(fā)射率εs，同時因為ρs=1-εs可以減少周圍環(huán)境溫度對于紅外測溫槍測溫的干擾。而大氣的溫度一般不易影響，不做過多考慮。但從理論分析可以增大距離系數(shù)，降低大氣中氣體分子和各種微粒的吸收和散射作用等方面提高紅外測溫槍的精度。

3 結論

(1) 紅外測溫槍的精度與操作的方法有著很大的聯(lián)系，測量結果受到測溫距離、測溫位置和測溫環(huán)境的影響，本文主要以北方為測溫環(huán)境，測量當天的室外環(huán)境有較大的風力影響，天氣較為干燥。綜合數(shù)據(jù)分析可知測溫距離和環(huán)境溫度的影響更為明顯。

(2) 對實測數(shù)據(jù)進行誤差分析可知，其室內(nèi)環(huán)境測溫的相關性系數(shù)都接近于0.8，但是在室外環(huán)境測溫時相關性普遍在0.6左右。說明在室內(nèi)測溫時，紅外線測溫槍可以用于發(fā)熱患者的快速篩查。根據(jù)誤差分析可知紅外測溫系統(tǒng)接受輻射能量受到物體表面發(fā)射率、距離系數(shù)、環(huán)境反射輻射等因素影響。

(3) 我們?nèi)孕柽M一步探索室外測量誤差是否由于環(huán)境因素影響被測人員的溫度、紅外測溫槍的內(nèi)部電路、輻射能量的衰弱或散失等相關情況。根據(jù)本文我們在這種需求測溫的應急事件中，我們給出指導方案：測溫距離保持3～8 cm，同時測溫部位最好選擇脖子部位。快速建立測溫通道創(chuàng)造一個穩(wěn)定的測溫環(huán)境有利于快速篩查。在較為艱苦的地方可以制作一個測溫槍的附屬零件，可以覆蓋在人的皮膚表面從而達到有一個小型且穩(wěn)定的測溫環(huán)境。從而快速的篩查發(fā)熱患者，并且更高效全面的去應對緊急的公共衛(wèi)生事件。