2020-08-29 15:16

如何科学测量你的体温?

#想法

这是两根合金丝。将它们焊接在一起,接入一个电压表。一端插入冰水混合液,另一端使用酒精灯加热。



两端的温差会让回路中产生热电势。温差越高,热电势也就越大。因此即便在没有外接电源的情况下,电压表的读数也会逐步升高。


当读数显示为 1.48 mV 时,我们就可以根据这样一张标准分度表,得知此时工作端的温度是 37℃。这样,我们制作出了一个简易的热电偶温度计。



既然它能测出 37℃,是否可以用来对人体进行测温呢?答案是肯定的,只需将酒精灯替换为人体的腋窝,几分钟后,就能根据电压表的读数,得到大致的人体温度。


但这种方案的缺点显而易见。相比同为接触式的水银、数字体温计,热电偶温度计操作繁琐,且精度不高。



然而,它却能实现非接触测温。前提是,我们要进行一些改造。


非接触测温的原理,是利用人体辐射出的红外线,加热热电偶温度计的工作端,然后根据电压表读数的变化测量出体温。



然而在实际使用中,较低的人体辐射功率,使得热电偶中的温差、热电势等变化都不够明显。


那么,我们应该怎样改造它,才能让它更灵敏地感知温度变化呢?


首先是将热电偶的体积缩小,然后将多个串接在一起,使输出电势相互叠加,形成热电堆。



然后,我们需要在热电堆下方添加一个硅衬底。硅衬底和热电堆之间通过沉积镀膜技术沉积一层氮化硅支撑层。


通过在硅衬底的底部刻蚀一个热隔离腔体,我们可以保证氮化硅镀膜悬空。边缘为冷结区,中心为热结区。



热结区上方覆盖一层薄膜材料作为吸收区,用于吸收人体的热辐射,使热结区升温。冷结区的温度与环境温度一致,可通过测定内置的 NTC 热敏电阻阻值变化来确定其温度。



升温的热结区,与冷结区产生温差,从而产生热电势,输出电压值。


经过反复实验,我们可以建立目标物体温度、环境温度、输出电压之间的关系函数。在实际测量时,我们只需将环境温度、输出电压代入公式,就能得到目标物体的温度。



然而,这样做出来的热电堆传感器还不够精确。当我们举着它对准额头时,进入传感器视野的并不只有人体的红外辐射,还有可见光、近红外等杂波。



因此,我们需要在温度传感器上安装一个滤光片,来选择特定波长的电磁波。


人体的温度主要在 30℃~40℃ 范围内,根据维恩位移定律计算出人体辐射的峰值波长主要集中在 9200~9600 nm 之间的远红外波段。


因此,我们可以使用这个 8~14 μm 的带通滤光片,就能有效过滤掉不必要的电磁波。



将热电堆、NTC 热敏电阻和滤光片封装在一起,就组成了温度传感器。而这,就是目前红外额温枪的核心元件。


温度传感器的后方是一个运算放大电路,用以将微弱的微伏级输出电压,放大至毫伏级。放大后的电压,再经 AD 模数转换输入单片机,经过内置算法输出目标物体温度示值。



最后,我们可以在温度传感器的前方放置一个菲涅尔透镜,来使传感器视野更窄、更远。


加上蜂鸣器和电源,我们就组装了一把成本大约在 25 元的红外额温枪。凭借非接触、响应快的特点,它现已成为新冠疫情中最重要的医疗器械之一。



问题是,这把红外额温枪是否准确呢?


正规的红外额温枪,在出厂前都需要经过检定和校准。根据这份校准规范:额温枪在校准前需置于恒温恒湿的环境中稳定至少 30 分钟,接着将额温枪从体温模式转换为校准模式,记录被校红外额温枪的示值和标准温度。



这样,我们就得到了红外额温枪的示值校正值及实验室误差。有了示值校正值,就能修正红外额温枪,使其测量温度与标准温度保持一致,且不超过 ±0.3℃ 的实验室误差。


因此,正规的红外额温枪,在校准模式下可以被认为是「准」的。一个人的额头有几度,红外额温枪就能测出几度。



问题是,人体的额温为体表温度,并不是医学意义上的体温。


医学和临床上的体温指的是人体核心温度的平均温度,和额温这样的体表温度之间存在差异。


想让红外额温枪测出体温,就需要让它根据转换关系,从额温「算」出体温。



但想找到准确的转换关系没那么容易。在这篇发表于 2017 年的论文中,研究者确定了人体核心温度,额温,环境温度之间的函数关系。


经过实验测试表明,由额温经过函数转换得到的体温,基本接近人体核心温度,但仍存在着一定的偏差。之所以出现这样的偏差,是因为体表温度、核心温度分别受不同因素的影响。



对于体表温度而言,环境温度升高,或对流换热系数减小,都会造成其数值上升。核心温度也会随着昼夜差异、女性生理期而出现波动。


这样的波动,使得一一对应体表温度、核心温度几乎成了一件不可能的事情。



因此,目前的红外额温枪显示的体温示值,是额温的真实温度值加上由额温向人体体温转换的统计修正值。这一估测示值虽然接近了人体核心温度,但并不是真实温度。


加上统计修正值一般由厂商自定,所以当使用两把不同品牌的额温枪测量同一目标物体时,很可能显示出不同的示值。



因此,红外额温枪不是临床上用于精确测量的工具,但在大规模发热筛查中仍然重要。



所以,当你被它顶着脑门时,请放心大胆地贴近它。别担心,它并不会伤害你。


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