红外测温仪最大允许误差测试方法的研究
引言
红外测温仪是一种利用辐射原理来测量人体体温的仪器，红外测温仪采用的红外传感器只吸收人体辐射的红外线而不向外界发射任何射线，通过非接触式的方法感应人体的温度[1]。包括耳温枪、额温枪和红外热成像仪，自2019 年底爆发新型冠状病毒肺炎疫情以来，对疫情起到十分重要的检测和防控作用[2]。这些仪器经常长时间满负荷地工作，一台仪器可能平均每天需要检测上千人的体温，若仪器的准确性出现问题，则可造成巨大潜在危害，因此疫情当前研究其最大允许误差具有重大意义。
1 测试依据
常见红外测温仪有校准模式（即物体表面模式）和体温模式（包含额温模式和耳温模式）两种，校准模式是指黑体温度的一种显示模式，也称未调整模式，这时显示的是未对发射率，身体部位等因素进行修正的温度值[3]；体温模式是指被测对象的温度，并针对环境温度、发射率、身体部位等因素修正该温度后，输出相应体温的一种显示模式，体温模式也称为调整模式、估算模式，此模式下显示人体某一部位的温度，如人体表面温度、耳温、额温[4-5]。目前国内有GB/T 21417.1-2008《医用红外体温计 第1 部分：耳腔式》[6]、GB/T 19146-2010《红外人体表面温度快速筛查仪》[7]、GB/T 19665-2005《电子红外成像人体表面测温仪通用规范》三个国家标准[8]，产品技术要求基本按照这三份标准制定执行，三个标准适用范围、测试方法，见表1。
表1 标准的适用范围、测试方法
标准代号及标准名称GB/T 21417.1-2008《医用红外体温计第1 部分：耳腔式》GB/T 19146-2010《红外人体表面温度快速筛查仪》GB/T 19665-2005《电子红外成像人体表面测温仪通用规范》适用范围 耳腔 人体表面，如额温 人体表面测试方法 GB/T 21417.1-2008 中第5 章 GB/T 19146-2010 中第6 章 GB/T 19146-2010 中第6 章
2 测试方法
2.1 测试设备
322 标准恒温槽：恒温槽至少在0～80℃之间可以设定，温度稳定度0.005℃；
耳温枪黑体炉：腔体有效发射率≥0.998；不确定度不超过0.07℃（覆盖因子k=2）；
额温枪黑体炉：有效发射率≥0.96；温度的不确定度不超过0.13℃；温度稳定度0.05℃/10 min，有效靶面满足红外测温仪试验要求；
红外热成像仪的面源黑体：有效发射率≥0.97；均匀性优于0.1℃，温度在（30℃～ 42℃之间设定，控制精度在±0.1℃以内）；
1529 四通道便携式测温仪：温度测试范围：-189℃～960℃；温度精度：±0.024℃，温度分辨率：0.001℃；
变频电源：输出电压0～300 V、电压稳定度≤1%、波形失真度≤3%；
温湿度仪：温度分辨率0.1℃，湿度分辨率：1%。
2.2 测试条件
实验室温度23℃±3℃，相对湿度：55 RH%±15 RH%，实验室温度波动应不大于0.5℃，大气压力：860～1060 hPa；为了减小供电网电源对温度稳定度的影响，使用稳压源供电，使供电电源的电压波动率±3%，总谐波失真度≤ 5%[9]。
2.3 测试步骤
测试前在规定的试验环境温度和湿度条件下稳定30 min以上，若制造商有特殊规定，按制造商规定的时间进行预处理。测试前先检查红外光路部分是否清洁无层，如果有可移除的污染物，则需要按照制造商说明的方法进行清除，一般在使用液体清洁剂清洁之后还是要保持30 min 以上时间或制造商规定的时间[10]。最大允许误差的测量应在校准模式下进行，校准模式的设置一般在使用说明书上找到，如果说明书上没有提供相应的信息，请联系红外测温仪的制造商。
2.3.1 耳温枪
通常情况下，恒温槽温度设定稳定之后，一般需要5～10 min 就可以进行检测。在温度显示范围内，黑体温度取间隔大致相同的三个温度点，若有需要，可以适当增加测试点[6]；在温度显示范围外，黑体温度在低端和高端分别设置两个温度点；先将耳温计的探头插入黑体空腔的开口，注意耳温计前端入空腔内壁开口的深度最好不要超过2 mm，测温结束后同时记录标准体温计的示值和被测红外测温仪校准模式下的示值。当一个测量点结束之后，可以调整恒温槽到下一个温度点。红外测温仪应在每个黑体温度下各测量3 次。对于耳温枪，若使用说明书中说明带一次性保护罩工作，则每次测试读数后都应更换新的一次性探测保护罩[6]。
测量时应注意一个小的细节：如何使耳温计瞄准耳温计的黑体空腔，耳温计的黑体空腔是一个轴对称的空腔，耳温计的测量光路也有一个光轴，当把耳温计探头插入开口的时候，稍微调整一下耳温计的位置，使得耳温计的测量光轴与黑体空腔的轴线重合，注意插入深度不要超过2 mm[11-12]。
2.3.2 额温枪
额温计的黑体空腔与耳温计的不同，额温计的黑体空腔开口要求达到50 mm。在进行额温计测量的时候，同样要调整被检额温计处于校准模式，额温计测量时要特别注意测量的距离，一般在使用说明书上可以找到，不同的额温计具有不同的测量距离，一般规定的测量距离1～3 cm，因此远离额温枪黑体空腔开口末端1、3 cm分别进行测试，当两个测量距离条件下被检额温计测量值有明显的变化时，应在原始记录和报告当中明示测试距离[11-12]。
耳温和额温最大允许误差及推荐的温度设置点，见表2。按公式(1)计算最大允许误差[7]：
式中：δj-最大允许误差，℃；
tb-标准体温计测量值（即1529 四通道便携式测温仪的测量值），℃；
tj-被测红外测温仪校准模式下的测量温度，℃。
试验后每个温度点对应三个数据，分别计算出规定的温度显示范围内和显示范围外所有数据的误差，最大的δj值就是所测最大允许误差。
2.3.3 红外热成像仪
红外热成像仪测量时要特别注意工作距离，一般在使用说明书上可以找到，用钢卷尺测量距离，将标准面源黑体分别置于制造商规定的最小和最大工作距离[13]，开机运行并采集图像，直至获得清晰图像，工作稳定30 min 后开始测量。重复测量黑体温度N 次，记下每次温度测量值Ti，按公式(2)计算测温准确度δ[8]。
表2 最大允许误差及推荐的温度设置点（℃）
测量部位 测量范围耳温额温不窄于 35.0～42.0不窄于 28.0～42.0最大允许误差δj 推荐温度设置点规定的温度显示范围内规定的温度显示范围外规定的温度显示范围内规定的温度显示范围外低端 高端±0.2±0.4±0.3±0.6 35.5、37.0、41.5 34.0、35.0、36.0 33.0、34.0 29.5、31.5 42.4、42.7 38.5、40.5
式中：δ-测温准确度，℃；
Tb-黑体源的温度，℃；
Tj-每次测量的温度值，℃；
N-测量次数。
红外热成像仪测温准确度及推荐的温度设置点[14]，见表3。
表3 测温准确度及推荐的温度设置点
注：当两个工作距离条件下被红外热成像仪测量值有明显的变化时，应在原始记录和报告当中明示测试距离。
测量项目 测量范围 测温准确度δ 推荐的设置点温度/℃ 30.0～42.0 ≤0.4 32.0、34.0、36.0、38.0、40.0距离 分别置于制造商规定的最小和最大工作距离
利用红外热成像仪对目标温度进行测量时，随着工作距离的增大，大气透过率减小而导致测温准确度变差[15]，当距离增加时，红外热成像仪的瞬时视场角的视场面积也随之增大，目标尺寸相对于瞬时视场面积的倍数必然减小，当目标不能充满瞬时视场时，输出信号低，导致测量误差；当工作距离很近，目标尺寸相对瞬时视场很大[16]，测量误差也会降低，因此准确度试验距离必须在制造商规定的工作距离。
3 数据分析
控制实验室环境温度和湿度，保证温度波动不大于0.5 ℃，使用制造商规定清洁剂清洁光路部分，调整到校准模式，稳定30 min 或制造商规定时间，黑体温度设置点及测试结果，见表4～6。
因此，当测量光轴与黑体空腔轴线重合时， 最大允许误差符合标准要求；当稍微调整耳温的红外测温仪的位置，使测量光轴与黑体空腔轴线不重合，测量数据偏低，最大允许误差不符合标准要求，在新型冠状病毒肺炎疫情筛查时容易出现漏检。
不同的额温红外测量仪制造商规定的测量距离不同，必须在规定测量距离最小值、最大值分别测量，且在声称测量距离范围内最大允许误差均需满足标准要求；上述两个测量距离测量值有明显的变化，在1 cm 处符合标准要求，而在5 cm 处不符合标准要求，所以必须在原始记录和报告中注明测试距离。
不同的红外热成像仪制造商规定的测量距离不同，必须在规定测量距离最小值、最大值分别测量，上述试验在制造商规定最小测量距离0.3 m 时符合标准要求，但在最大测量距离5 m 时不符合标准要求，因此当测量值有明显变化时必须在原始记录和报告中注明测试距离。
表4 耳温最大允许误差及温度设置点（℃）
温度设置点 标准温度值 测量光轴与黑体空腔轴线重合 标准温度值 测量光轴与黑体空腔轴线不重合 最大允许误差测量值 误差 测量值 误差1 次 33.002 32.8 -0.202 33.002 32.6 -0.402 33.000 2 次 33.002 32.8 -0.202 33.002 32.5 -0.502 3 次 33.002 32.8 -0.202 33.002 32.6 -0.402 1 次 34.002 33.8 -0.202 34.002 33.6 -0.402±0.3 34.000 2 次 34.002 33.8 -0.202 34.002 33.6 -0.402 3 次 34.002 33.8 -0.202 34.002 33.5 -0.502 1 次 35.503 35.4 -0.103 35.503 35.2 -0.303 35.500 2 次 35.503 35.4 -0.103 35.503 35.1 -0.403 3 次 35.503 35.4 -0.103 35.503 35.2 -0.303 1 次 37.000 36.9 -0.100 37.000 36.7 -0.300 37.000 2 次 37.001 36.9 -0.101 37.001 36.8 -0.201 3 次 37.000 36.9 -0.100 37.001 36.7 -0.301±0.2 1 次 41.511 41.4 -0.111 41.511 41.3 -0.211 2 次 41.510 41.4 -0.110 41.510 41.2 -0.310 3 次 41.511 41.4 -0.111 41.510 41.2 -0.310 42.400 41.500 1 次 42.401 42.2 -0.201 42.401 42.0 -0.401 2 次 42.401 42.2 -0.201 42.401 42.1 -0.301 3 次 42.401 42.2 -0.201 42.401 42.0 -0.401 42.700 1 次 42.720 42.5 -0.220 42.720 42.3 -0.420±0.3 2 次 42.711 42.5 -0.211 42.711 42.4 -0.311 3 次 42.711 42.5 -0.211 42.711 42.3 -0.411
表5 额温最大允许误差及温度设置点（℃）
温度设置点 标准温度值制造商规定最小测量距离1 cm 标准温度值制造商规定最大测量距离3 cm 最大允许误差测量值 误差 测量值 误差1 次 29.511 29.0 -0.511 29.511 28.8 -0.711 29.500 2 次 29.511 29.0 -0.511 29.511 28.8 -0.711 3 次 29.511 29.0 -0.511 29.511 28.7 -0.811 1 次 31.500 31.0 -0.500 31.501 30.8 -0.701±0.6 31.500 2 次 31.501 31.0 -0.501 31.501 30.7 -0.801 3 次 31.501 31.0 -0.501 31.501 30.8 -0.701 1 次 34.013 33.7 -0.313 34.013 33.5 -0.513 2 次 34.013 33.7 -0.313 34.013 33.5 -0.513 3 次 34.012 33.7 -0.312 34.013 33.6 -0.413 35.000 34.000 1 次 35.013 34.8 -0.213 35.013 34.5 -0.513 2 次 35.014 34.8 -0.214 35.013 34.5 -0.513 3 次 35.013 34.8 -0.213 35.013 34.5 -0.513±0.4 1 次 36.022 35.7 -0.322 36.022 35.5 -0.522 2 次 36.022 35.8 -0.222 36.022 35.5 -0.522 3 次 36.022 35.7 -0.322 36.022 35.5 -0.522 38.500 36.000 1 次 38.530 38.0 -0.530 38.530 37.8 -0.730 2 次 38.530 38.0 -0.530 38.530 37.8 -0.730 3 次 38.530 38.0 -0.530 38.530 37.8 -0.730 40.500 1 次 40.516 40.0 -0.516 40.516 39.8 -0.716±0.6 2 次 40.517 40.1 -0.517 40.516 39.8 -0.716 3 次 40.516 40.0 -0.516 40.516 39.9 -0.616
表6 人体表面最大允许误差及温度设置点（℃）
备注：黑体的扩展不确定度为0.07℃（k=2）。
温度设置点标准温度值（含修正值）制造商规定最小测量距离0.3 m 标准温度值（含修正值）制造商规定最大测量距离5 m 最大允许误差测量值 误差 测量值 误差1 次 32.070 31.8 32.070 31.6 2 次 32.070 31.8 32.070 31.6 3 次 32.070 31.7 32.070 31.7 34.000 32.000-0.303-0.433 1 次 34.070 33.7 34.070 33.5 2 次 34.070 33.8 34.070 33.7 3 次 34.070 33.7 34.070 33.6-0.336-0.470 1 次 36.070 35.8 36.070 35.6 36.000 2 次 36.070 35.8 36.070 35.6 3 次 36.070 35.8 36.070 35.7-0.270-0.433 0.4 1 次 38.070 37.8 38.070 37.6 38.000 2 次 38.070 37.9 38.070 37.7 3 次 38.070 37.8 38.070 37.6-0.236-0.433 1 次 40.070 39.7 40.070 39.6 40.0002 次 40.070 39.7 40.070 39.6 3 次 40.070 39.8 40.070 39.6-0.336-0.470
4 结论
红外测温仪试验方法不规范，导致温度准确度不符合要求，如果出现错误检测或漏检，对社会造成巨大的危害，因此疫情当前对红外测温仪的准确度进行有效的质量控制有着重要临床意义，切实保障广大人民群众用械安全有效，保证数据的准确，对防止疫情地扩散起到巨大的作用。
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Test Method of Maximum Allowable Error of Infrared Thermometer