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谈谈红外测温仪 精选

已有 5892 次阅读 2020-2-19 16:38 |个人分类:大众物理学|系统分类:科普集锦


 

窝在家里躲避新型冠状病毒的时候,在微信公众号上看到我们所(中国科学院半导体研究所)刘建国老师研制红外测温仪的消息,能够在5米以内的距离,无接触地批量测量人体的问题,测温精度优于±0.3度。

 

 

这学期我在讲《激光光谱学》,这门课程可以认为就是用光学方法做各种测量,要点就是尽可能地提高信噪比(信号和噪声的比值),从而快速地高精度地得到测量结果。这里我从测量的角度谈谈用于非接触式测量人体体温的红外测温仪。

原理很简单:任何温度的物体都会有热辐射(其实就是电磁波),温度越高,辐射的功率越大,当然还伴随着峰值波长的变化。太阳比月亮更亮,更耀眼,由此就可以知道,太阳的温度比月亮高得多。测量辐射的功率,就可以推知物体的温度。

优点很突出:测量仪不用和人体接触,而且测量速度快,因而避免了交叉感染的可能性。接触式体温计通常利用材料电阻随温度而改变的效应,需要和待测物体直接接触,张三身上的病毒就看传给下一个被测的李四。

测准不容易:主要是因为探测的温度区间很小。人体的温度(这里指的是裸露在外面的面部和手)大概是37度,上下浮动范围不过是一两度——39度以上的,大多都躺在床上了,而35度以下的,可能真的要“凉了”。再一个是没有很好的温度标准。测量仪器早中晚都要工作,环境温度可能改变十度甚至更多,而人体温度超过标准值0.5度就必须报警了。

测量系统示意图:如下图所示,红外测温仪由红外探测镜头、红外测温芯片、红外标校黑体、可见光成像系统、智能控制终端等部分组成,在5米以内的测温精度优于±0.3度。

 

 

接下来谈谈各部分的功能。

红外标校黑体:提供标准的温度(37度)。人体的热辐射波长在红外区(波长比红光还长,人眼看不见),这就是“红外标校黑体”里“红外”的意思。“标”就是标准,利用加热电路和测温电阻构成的反馈回路,保证示意图左边三脚架上的“黑体”温度总是37度。这个测温电阻是关键,必须保证它测量的温度是准的,这就是“校”的含义——通过其他方法精确校对过了。至于说“黑体”,不仅是颜色黑,还涉及到大学普通物理里的概念,我们这里把它简单地当作一个标准参考物体就行了。

红外探测镜头:收集红外光,也许还会加一些滤光片消除可见光,降低外界环境的影响(太阳光、路灯,等等)。相当于我们的眼睛,只是工作在红外光的区间。

红外探测芯片:就是探测器,相当于我们的视网膜,只是工作在红外光的区间。类似于手机里的CCD,但是用不同的半导体材料做成的,拍照片不如手机,但是手机对红外光的响应很差。

可见光成像系统其实就是可见光探测镜头和可见光探测芯片,只是我们对这个很熟悉了(人眼、手机、照相机,等等),就捏在一起说了。采用这个系统,是为了看清楚来的是谁,它的成像质量比红外系统好得多,进行人脸识别的计算机算法也更成熟,可以更容易地找到哪里是脸,哪里是手。红外镜头和可见光镜头靠在一起,视场基本相同,从可见光系统得到的信息很容易对应到红外系统上去。

智能控制终端就是计算机了。把可见光系统和红外系统得到的图像对应起来,确定来的是人还是狗,确定来人的温度是不是符合标准,如果对方发烧了就赶紧发警报,等等。

 

最后,再看几个实物照片,都是我在所门口拍的。

左下图,铁门上方的那个黑方块就是“红外标校黑体”,红色数字显示其温度为37度。左下图,右侧远方的三脚架上,就是双镜头的红外测温仪。右下图是近景的图片,可以看到两块砖头吊在三脚架上,虽然方法有些土,但是提高了稳定性,防止它被风吹翻。上方的图片是计算机屏幕显示的两个视场,左边来自于红外系统,右边是可见光系统。可以看到,“为人进出的门紧锁着”,真的是“早已森严壁垒,更加众志成城”。显然,右边的照片质量好得多,但是左边能告诉你温度的差别。

注意左边视场的左侧,铁门的上方有个圆圆的亮斑,那就是“红外表校黑体”的位置,其他物体的温度都是跟这个亮斑做比较的。注意右边视场的远方,多处明亮的部分来自于玻璃反射的太阳光,在左侧视场里,这些反光大部分都被消除了,主要原因是红外探测芯片对太阳光不敏感。

 

 

在我看来,这套系统最困难的部分在于红外探测芯片,应该也是最贵的部分。其他的都要更加成熟得多,也不会很贵。在红外区工作的、大面积的、像素性质均匀的CCD芯片,仍然是我们国家的一个短板。

 

 

 

PS:

公共场合如何测体温?中科院半导体所广域无感测温仪来了!

作者:胡珉琦 来源:中国科学报 发布时间:2020/2/7 17:10:26

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2020/2/435480.shtm

 

……

春节期间,北京市科委发布了测温方案征集通知,中科院半导体研究所迅速组织科研力量进行了相关的科研攻关,由研究员刘建国带领的智能光子研究团队经过近十天昼夜技术攻关,完成了第一台红外测温产品样机研制。

……

据悉,这台红外测温样机由红外探测镜头、红外测温芯片、红外标校黑体、可见光成像系统、智能控制终端等部分组成,经过软硬件调试和不同场景试验验证,可满足5m距离下,对办公楼门口、小区大门口、出入闸口等多位行人的批量无感监测筛查需求,测温精度优于±0.3度。

……

 




http://blog.sciencenet.cn/blog-1319915-1219322.html

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