作者:胡珉琦 来源:中国科学报 发布时间:2020/2/25 12:00:05
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额温枪“犯傻”!科学家解释:测不准怎么办

 

曾经不起眼的红外测温仪尤其是额温枪,在这场突如其来的疫情之下,火爆整个市场。原本一台不到100元的设备,如今价格翻了几倍不说,还一直断货。

可与此同时,在出入小区、超市、单位等公共场所门口时,被东一“枪”西一“枪”对准的网友们纷纷吐槽,测温仪不是测高了,就是测出了极端低温,有的甚至被测七八次才得到准确数值。

测温仪的尴尬,有解吗?

环境决定测温准确性

红外测温仪由于非接触、测量时间短等特点,在公共场所筛查发热人群时被广泛使用。目前常见的非接触式红外测温仪除了额温枪,还有耳温枪和红外热像仪。它们背后的测温原理是相同的。

中科院半导体研究所研究员姬扬解释说,任何温度的物体都会有热辐射,其实就是电磁波。红外辐射又被称为红外线或者红外光,是电磁波的一种。物体温度越高,红外辐射功率就越大;相反,物体温度越低,辐射功率就越小。红外测温仪通过测量红外辐射的功率,就可以推知人体的温度。

人体温度包括两种,身体深部的较为恒定均匀的核心温度和接近皮肤表面的表层温度。耳温枪测量的是耳内鼓膜温度,鼓膜与肺动脉温度非常接近,所以被认为是人体深部温度的可靠指示。额温枪测量的则是额头皮肤的温度。

如果同在稳定的室内环境中,排除设备质量问题,耳温枪和额温枪的精度几乎没什么差异。然而,耳温枪的测量结果可以被纳入临床体征数据,额温枪却不可以。

“原因很简单,皮肤表层温度极易受到外界环境的影响,背景环境温度的变化会使人体表面皮肤温度随之变化,从而影响测量的准确性。“中科院半导体研究所研究员刘建国说。

跟耳温枪、额温枪相比,红外热像仪一般适用于机场、火车站、地铁、商场等人流非常密集的地方,因为它可以满足在一定距离内批量无感监测筛查的需求,效率是最高的,当然价格也是最贵的。

“而它最根本的缺陷和额温枪一样,复杂环境适应性较差,存在测量不准确的问题。”刘建国表示,如果刚走出开着空调的汽车,或者从寒冷的室外经过,它们的测试结果就会与人体真正的核心温度产生较大的偏差。

粗糙的分类器

在复杂环境下,是否建议一般机构用耳温枪代替额温枪?

在姬扬看来,一方面,耳温枪的成本高于额温枪;另一方面,使用耳温枪进行测量时,需将其插入耳道内,如果摆放角度不正确,没有对准鼓膜,就会直接影响测温结果。而且,放入耳道的耳温枪为了避免交叉传染的风险,必须使用一次性胶套,这就导致测量速度变慢。因此,它并不适合疫情中的快速筛查。

权衡之下,现在许多测量人员用额温枪测手腕,由于衣服的保护,手腕比裸露的额头受环境影响更小;此外,如果从室外进入室内时,最好安静等待一会儿再进行测量。刘建国认为,这些都是眼下相对可行的办法。

而红外热像仪提升精度的方法,是加入一个名叫“红外标校黑体”的组件,姬扬解释,它相当于一个标准参考物(37度),可在一定程度上校正仪器的测温误差。

可即便如此,当这类红外热像仪处于室外或者紧挨着有明显温差的出入口时,黑体还是无法从根本上排除背景环境的影响。

正因如此,姬扬坦言:“目前,我们可以把这些测温仪看作是一个粗糙的分类器,根据显示的温度把人分为需要注意的和不用关心的。它所起到的更多是‘警示牌’作用。”

创新算法可排除干扰

然而,红外测温仪受到环境干扰的问题并非不可突破。

在此次新冠肺炎疫情期间,刘建国团队紧急调整了数据处理方案,在传统红外标校黑体的基础上又增加了自标校创新算法,这也为红外热像仪真正解决了自动校准复杂环境下测温结果的难题。

事实上,同样的思路也可以应用到额温枪的设计中。

刘建国提出,现有产品可以通过整体架构优化的方式,在测温系统中建立一个数学模型,通过软件算法的方式实现测温系统的补偿,从而校准测量结果。

这种方法的应用前提,就是传感器的输入和输出之间能用一个随机函数模型,环境温度是当中最重要的一个变量。

“红外测温仪技术相对成熟,不存在难以克服的技术瓶颈。只是过去市场需求量没那么大,而且应用场景比较单一,主要是在室内,因此大部分产品设计并没有针对复杂环境的考量。”

刘建国表示,技术发展总是跟随市场需求的变化而变化,未来想要调整产品设计路线并不难以实现。“只不过在产品需求暴涨,整个供应链跟不上节奏的情况下,整体模型和方案的优化还需要企业和研究机构再花些时间去完成。”

 
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