紅外額溫計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確性的主要影響因素分析

王亞梅 史超星

[山西省檢驗(yàn)檢測(cè)中心（山西省標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量技術(shù)研究院）]

0 引言

近年來(lái)，由于SARS、禽流感、新冠肺炎等疫情的暴發(fā)，紅外額溫計(jì)（以下簡(jiǎn)稱：額溫計(jì)）的使用越來(lái)越廣泛。與傳統(tǒng)的玻璃液體體溫計(jì)、電子接觸式體溫計(jì)相比，額溫計(jì)具有響應(yīng)速度快和攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)。在紅外體溫計(jì)中，紅外耳溫計(jì)測(cè)量時(shí)必須伸入耳道，且每次更換新的鏡頭保護(hù)套，否則可能引起交叉感染；紅外篩檢儀成本較高，一般設(shè)置在機(jī)場(chǎng)、火車(chē)站等人流量大的地方；額溫計(jì)成本低且能避免交叉感染，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

然而，與接觸式體溫計(jì)相比，額溫計(jì)的測(cè)量結(jié)果受到人體發(fā)射率、環(huán)境溫度、測(cè)量距離等因素影響，誤差普遍偏大。中國(guó)儀器儀表協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)T/CIS11003—2021《紅外額溫計(jì)》針對(duì)額溫計(jì)的產(chǎn)品檢測(cè)性能、技術(shù)要求及對(duì)應(yīng)的檢測(cè)方法制定了規(guī)范，使檢測(cè)機(jī)構(gòu)和制造廠商在檢驗(yàn)和管控產(chǎn)品質(zhì)量時(shí)有據(jù)可依。在計(jì)量工作中，筆者發(fā)現(xiàn)JJF1107—2003《測(cè)量人體溫度的紅外溫度計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》中的部分內(nèi)容也亟待更新。本文將從計(jì)量和使用的角度對(duì)影響額溫計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確性的三個(gè)重要因素——環(huán)境溫度、測(cè)量距離和標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行分析。

1 環(huán)境溫度的影響

自然界中，任何高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)向外界輻射不同強(qiáng)度的能量，物體輻射能量的大小與物體表面溫度有著特定的關(guān)系。額溫計(jì)基于這一原理，通過(guò)探測(cè)器獲得人體表面輻射亮度的大小，經(jīng)換算得到人體表面溫度。

根據(jù)普朗克定律，人體的光譜輻射亮度見(jiàn)式（1）：

式中：

L(λ,T)——人體的光譜輻射亮度，W·m3·sr-1；

T——人體實(shí)際溫度，K；

λ——波長(zhǎng)，m；

ε——人體皮膚發(fā)射率，取0.98[1]；

c1——第一輻射常數(shù)，數(shù)值為3.748×10-16，W·m2；

c2——第二輻射常數(shù)，數(shù)值為1.4388×10-2，m·K。

由于測(cè)量時(shí)受到環(huán)境溫度的影響，在不同環(huán)境溫度下人體溫度的理論測(cè)量溫度Tm（假設(shè)人體溫度在20℃時(shí)實(shí)際溫度為T(mén)）見(jiàn)式2：

式中：

T20——20℃時(shí)的溫度，K；

Tm——人體理論測(cè)量溫度，K；

Tt——環(huán)境溫度，K。

常見(jiàn)額溫計(jì)的波長(zhǎng)范圍為8μm～14μm，有效波長(zhǎng)取10.3μm，假設(shè)人體溫度T在20℃下恒定為 37℃。JJF1107—2003中要求額溫計(jì)的使用環(huán)境條件為16℃～35℃，因此分別取環(huán)境溫度Tt為16℃、20℃、25℃、30℃、35℃進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)式（2）可以得到相應(yīng)的理論測(cè)量值Tm。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同環(huán)境溫度下的人體測(cè)量溫度理論值（℃）

從表1計(jì)算結(jié)果可知，環(huán)境溫度在16℃～35℃變化時(shí)，人體測(cè)量溫度理論值在36.7℃～37.1℃，由于環(huán)境溫度的變化引起的測(cè)量誤差高達(dá)0.4℃。JJF1107—2003給出的額溫計(jì)最大允許誤差為±0.3℃，而僅環(huán)境溫度變化引起的測(cè)量誤差就超過(guò)了這一值。

JJF1107—2003規(guī)定，校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度應(yīng)滿足 18℃ ～28℃。GB/T19146—2010《紅外人體表面溫度快速篩檢儀》規(guī)定紅外篩檢儀的校準(zhǔn)應(yīng)分別在 16℃ ～18℃、24℃ ～26℃、30℃ ～32℃三種環(huán)境條件下進(jìn)行。T/CIS11003—2021《紅外額溫計(jì)》中規(guī)定，需分別在三種環(huán)境條件下測(cè)量額溫計(jì)的誤差，分別是在實(shí)驗(yàn)室溫度中、比實(shí)驗(yàn)室溫度高10℃的環(huán)境試驗(yàn)箱中和比實(shí)驗(yàn)室溫度低10℃的環(huán)境試驗(yàn)箱中。參考這些規(guī)定，筆者建議額溫計(jì)的校準(zhǔn)也應(yīng)在三種不同的環(huán)境溫度下進(jìn)行，并在校準(zhǔn)證書(shū)上分別給出不同環(huán)境條件下的測(cè)量誤差。

在實(shí)際應(yīng)用中，額溫計(jì)的使用場(chǎng)合常見(jiàn)于火車(chē)站、機(jī)場(chǎng)、醫(yī)院、學(xué)校等公共場(chǎng)合的入口處，受室外天氣的影響，環(huán)境溫度可能低至寒冬的-10℃，高至酷暑的40℃，因此額溫計(jì)的使用者必須了解環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，在環(huán)境溫度超出16℃～35℃時(shí)謹(jǐn)慎使用額溫計(jì)。需要注意的是，在不同的環(huán)境溫度條件下，人體體表溫度本身變化較大，且個(gè)體差異大，理論分析僅從額溫計(jì)的測(cè)量誤差角度進(jìn)行了分析，不涉及環(huán)境變化引起的人體自身的體表溫度變化。

基于以上計(jì)算和分析結(jié)果，筆者建議額溫計(jì)的生產(chǎn)商在產(chǎn)品上增加測(cè)量環(huán)境溫度的探頭，并設(shè)置相關(guān)的計(jì)算程序，對(duì)環(huán)境溫度的影響進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算；建議計(jì)量人員在校準(zhǔn)額溫計(jì)時(shí)，分別測(cè)量并在校準(zhǔn)結(jié)果中給出不同環(huán)境溫度范圍下的誤差值；建議額溫計(jì)的使用人員盡量避免在低于16℃或高于35℃的環(huán)境條件下使用。

2 測(cè)量距離的影響

理想的額溫計(jì)的測(cè)量結(jié)果只與其瞄準(zhǔn)的人體皮膚的輻射亮度有關(guān)，而實(shí)際額溫計(jì)的輸出還與目標(biāo)以外的背景輻射的強(qiáng)弱有關(guān)，表現(xiàn)為輸出信號(hào)與被測(cè)人體部位的大小有關(guān)。測(cè)溫距離過(guò)大或被測(cè)部位面積過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致被測(cè)部位皮膚不能完全覆蓋額溫計(jì)的視場(chǎng)，這也會(huì)對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確性帶來(lái)影響。據(jù)筆者統(tǒng)計(jì)，額溫計(jì)說(shuō)明書(shū)上一般都沒(méi)有給出詳細(xì)的距離-視場(chǎng)關(guān)系圖表（D-S圖），僅有部分型號(hào)的額溫計(jì)明確了測(cè)量距離的要求。

為了研究測(cè)量距離對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的影響，選取6種不同型號(hào)的額溫計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)器為直徑6cm的空腔黑體輻射源，發(fā)射率為0.998。將黑體輻射源等效為人體，根據(jù)斯忒藩-玻爾茲曼定律公式見(jiàn)式（3）:

式中：

σ——斯忒藩-玻耳茲曼常數(shù)；

εs——黑體輻射源發(fā)射率，0.998；

Ts——黑體輻射源溫度，K。

人體發(fā)射率取0.98，體溫37℃對(duì)應(yīng)的T為310.15K。根據(jù)式（3）計(jì)算可得，等效的黑體輻射源溫度為T(mén)s=310.64 K，相當(dāng)于36.7℃。需要注意的是，由于部分額溫計(jì)沒(méi)有校準(zhǔn)模式，同時(shí)為了避免不同型號(hào)的額溫計(jì)之間校準(zhǔn)模式的差異性，此處采用了不同發(fā)射率之間的換算。

故將黑體輻射源設(shè)置為36.7℃，在恒溫20℃、無(wú)風(fēng)的環(huán)境條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。選取六種不同型號(hào)的額溫計(jì)，分別是型1、型2、型3、型4、型5、型6。測(cè)量時(shí)，額溫計(jì)對(duì)準(zhǔn)黑體輻射源的中心，且垂直于輻射源的腔口，測(cè)量距離取測(cè)溫儀鏡頭至黑體輻射源腔口的距離。在額溫計(jì)標(biāo)稱的最小測(cè)量距離對(duì)黑體測(cè)量3次，得出平均值Ts近；在額溫計(jì)標(biāo)稱的最大測(cè)量距離對(duì)黑體測(cè)量3次，得出平均值Ts遠(yuǎn)。則，Ts近和Ts遠(yuǎn)的差值可表示測(cè)量距離對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的影響。

為了比較校準(zhǔn)結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果的差異，在相同的測(cè)量方法對(duì)人體額頭進(jìn)行測(cè)量，得出最小和最大測(cè)量距離下的差值T近-T遠(yuǎn)。結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 最大和最小測(cè)量距離下測(cè)量結(jié)果的差值（℃）

從表 2 可以發(fā)現(xiàn)，Ts近-Ts遠(yuǎn)的值為 0.2℃ ～0.4℃，而T近-T遠(yuǎn)基本均為0。可見(jiàn)在校準(zhǔn)過(guò)程中，校準(zhǔn)距離對(duì)結(jié)果的影響不可忽略，其帶來(lái)的偏差甚至可能大于額溫計(jì)的最大允許誤差±0.3℃。而對(duì)人體額頭的測(cè)量中，測(cè)量距離（在額溫計(jì)標(biāo)稱的范圍內(nèi)）帶來(lái)的影響基本可以忽略不計(jì)。筆者認(rèn)為，這種結(jié)果的差異主要是由于黑體輻射源的腔體直徑小于人體額頭寬度，在額溫計(jì)標(biāo)稱的最大測(cè)量距離處測(cè)量時(shí)，黑體輻射源不能完全覆蓋額溫計(jì)的視場(chǎng)。人體額頭直徑約為10cm，而用于校準(zhǔn)額溫計(jì)的黑體輻射源腔口直徑一般都小于這一數(shù)值，這就導(dǎo)致額溫計(jì)校準(zhǔn)結(jié)果對(duì)應(yīng)的測(cè)量距離與實(shí)際使用中的測(cè)量距離不一致，在使用中無(wú)法根據(jù)校準(zhǔn)結(jié)果中的實(shí)驗(yàn)室誤差對(duì)體溫測(cè)量值進(jìn)行修正。

因此，計(jì)量人員在校準(zhǔn)額溫計(jì)時(shí)，不能參考說(shuō)明書(shū)上給出的測(cè)量距離，應(yīng)盡可能地靠近黑體輻射源腔口。受實(shí)際使用環(huán)境的影響，在環(huán)境溫度較低或者有風(fēng)的情況下，使用者常常選擇測(cè)量手腕部位的溫度。在這種情況下，手腕部位的面積較小，可能無(wú)法覆蓋額溫計(jì)的視場(chǎng)，測(cè)溫距離也應(yīng)適當(dāng)縮短。

基于以上分析，筆者建議額溫計(jì)的生產(chǎn)商在產(chǎn)品說(shuō)明上明確測(cè)量距離信息，可以給出測(cè)量不同的人體部位時(shí)最佳測(cè)量距離，也可以給出測(cè)量距離與視場(chǎng)直徑的關(guān)系；建議計(jì)量人員在校準(zhǔn)額溫計(jì)時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)量距離，在出具額溫計(jì)校準(zhǔn)證書(shū)時(shí)，給出標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備黑體輻射源的直徑和校準(zhǔn)距離；建議額溫計(jì)的使用人員在說(shuō)明書(shū)給定的測(cè)量距離范圍內(nèi)測(cè)量。

3 標(biāo)準(zhǔn)裝置的影響

現(xiàn)有的校準(zhǔn)規(guī)范JJF1107—2003要求采用黑體輻射源作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。JJG1164—2019《紅外耳溫計(jì)》實(shí)施以來(lái)，很多設(shè)備生產(chǎn)商研制出了液體恒溫槽與黑體空腔配套使用的校準(zhǔn)裝置，采用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)器監(jiān)測(cè)和控制恒溫槽的溫度，黑體空腔處于液體恒溫槽的工作區(qū)域，通過(guò)對(duì)液體恒溫槽工作區(qū)的溫度控制實(shí)現(xiàn)黑體空腔的溫度控制，黑體空腔可以制成不同的腔體直徑和開(kāi)口直徑，分別滿足紅外額溫計(jì)和紅外耳溫計(jì)的校準(zhǔn)要求。下面分別論述這兩種標(biāo)準(zhǔn)裝置作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)使用時(shí)需要關(guān)注的問(wèn)題。

3.1 黑體輻射源作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備

根據(jù)JJF1107—2003，用于校準(zhǔn)紅外額溫計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)裝置應(yīng)采用黑體輻射源，要求其空腔有效發(fā)射率不小于0.997，控溫穩(wěn)定度不大于0.002℃/10min，輻射溫度不確定度不大于被校溫度計(jì)最大誤差絕對(duì)值的1/3。黑體空腔壁面溫度通常采用接觸溫度計(jì)測(cè)量，一般是鉑電阻溫度計(jì)。

上述對(duì)黑體輻射源的要求中，發(fā)射率這一參數(shù)存在測(cè)量困難的問(wèn)題。黑體輻射源的生產(chǎn)商會(huì)給出聲稱的發(fā)射率值，但是發(fā)射率值的溯源非常困難，計(jì)量人員難以掌握黑體輻射源發(fā)射率的變化。黑體輻射源溯源時(shí)，上一級(jí)計(jì)量單位出具的校準(zhǔn)證書(shū)會(huì)給出黑體輻射源8μm～14μm的亮度溫度校準(zhǔn)結(jié)果。常見(jiàn)的紅外額溫計(jì)工作波段均在8μm～14μm，因此黑體輻射源在這一波段進(jìn)行有效亮度溫度校準(zhǔn)，可滿足紅外額溫計(jì)校準(zhǔn)的需要。用于相近波段的校準(zhǔn)，也可以基本上消除發(fā)射率不確定性的影響。

此外，黑體輻射源作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備可能存在控溫復(fù)現(xiàn)性的問(wèn)題，下面舉例說(shuō)明。黑體輻射源溯源證書(shū)上給出控溫顯示37.00℃時(shí)對(duì)應(yīng)的8μm～14μm亮度溫度為37.01℃，即測(cè)點(diǎn)溫差為0.01℃。計(jì)量人員在校準(zhǔn)過(guò)程中，待黑體輻射源穩(wěn)定在37.00℃時(shí)，默認(rèn)測(cè)點(diǎn)溫差為溯源得到的0.01℃。而此時(shí)，測(cè)點(diǎn)溫差可能發(fā)生了變化，其原因有多方面：接觸式標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)測(cè)點(diǎn)與腔底輻射面的相對(duì)應(yīng)關(guān)系及傳熱特性，溫度計(jì)的插入深度，溫度計(jì)與測(cè)溫孔的熱接觸熱性，熱脹冷縮效應(yīng)導(dǎo)致的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不可逆變化，震動(dòng)或運(yùn)輸?shù)挠绊慬2]。因此，采用黑體輻射源整體校準(zhǔn)的方式溯源，應(yīng)特別關(guān)注控溫復(fù)現(xiàn)性，例如可以對(duì)黑體輻射源內(nèi)置的控溫溫度計(jì)進(jìn)行定期核查。

3.2 黑體空腔和恒溫槽配套作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備

黑體空腔和恒溫槽配套使用時(shí)，主標(biāo)準(zhǔn)器是用于控溫的標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)進(jìn)行溯源，黑體空腔發(fā)射率和腔口直徑滿足要求即可，無(wú)需進(jìn)行溯源，避免了運(yùn)輸過(guò)程中的震動(dòng)。黑體空腔置于液體恒溫槽中，恒溫槽性能較好時(shí)，均勻性和波動(dòng)性較理想，理論上受環(huán)境溫度變化的影響也更小。

將標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)作為主標(biāo)準(zhǔn)器存在一些需要關(guān)注的問(wèn)題。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)測(cè)量得到的是液體恒溫槽的溫度，約等于黑體空腔的實(shí)際溫度（恒溫槽均勻性較好的情況下）。這種情況下無(wú)法得到黑體空腔在8μm～14μm的亮度溫度，黑體空腔發(fā)射率偏離1引起的測(cè)量誤差難以得到。因此，筆者推薦實(shí)驗(yàn)室配備一臺(tái)有效波段在8μm～14μm的高精密輻射溫度計(jì)，對(duì)黑體空腔的亮度溫度進(jìn)行定期核查。在對(duì)校準(zhǔn)裝置進(jìn)行不確定度評(píng)定時(shí)，應(yīng)全面考慮鉑電阻溫度計(jì)、恒溫槽、黑體腔、電測(cè)儀表的影響。

基于以上分析，建議JJF1107—2003修訂時(shí)增加黑體空腔和恒溫槽配套的方式作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分別用理論計(jì)算和試驗(yàn)分析的方法研究了環(huán)境溫度、測(cè)量距離和標(biāo)準(zhǔn)裝置對(duì)紅外額溫計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確性的影響。研究結(jié)論為額溫計(jì)的生產(chǎn)商、計(jì)量人員和使用者提供了一些值得參考的建議，也給相關(guān)校準(zhǔn)規(guī)范的修訂提供了一些思路。