CN111649827B - 一种基于多点红外热电堆传感器的体温检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于多点红外热电堆传感器的体温检测方法，包括以下步骤：通过对黑体标准温度的测量获取热电堆传感器的温度输出值；计算热电堆传感器的误差，并确定第一温度补偿值；计算环境温度带来的误差，并确定第二温度补偿值；计算测温距离所带来的误差，并确定第三温度补偿值；根据所述第一温度补偿值、第二温度补偿值和第三温度补偿值矫正热电堆传感器的温度输出值；使用矫正后的热电堆传感器进行测温，并根据皮肤温度和腋下温度的换算关系得到人体体温。本发明可以对低分辨率的多点热电堆传感器进行校准，对测温距离和测温环境带来的误差进行校准和补偿，得到传感器特性参数之后，再通过算法换算成人体体温。

Description

一种基于多点红外热电堆传感器的体温检测方法

技术领域

本发明涉及远距离人体红外多点测温技术领域，特别是指一种基于多点红外热电堆传感器的体温检测方法。

背景技术

因为新冠病毒疫情的原因，相比传统额温枪那种近距离面对面的测温方式，远距离测温具备快速性、非接触性的特点，对于疫情防控有着积极重要的意义。而传统远距离测温通常采用高分辨率的热成像传感器，价格比较昂贵（大约是热电堆传感器的10～20倍），因此，高精度、稳定可靠的基于多点热电堆的测体温方面的研究可以帮助社会以低成本方式达到远距离非接触式测温的要求。

人体测温对于24℃～42℃这个温度区间的精度要求较高，精度要达到0.1度，误差要小于±0.4度。远距离多点红外测温传感器因为其硬件特性、测温对象、测温距离、测温环境影响等多方面因素，其误差呈现出非线特性，并与各种影响因素具有强耦合性。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种基于多点红外热电堆传感器的体温检测方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于多点红外热电堆传感器的体温检测方法，包括以下步骤：

通过对黑体标准温度的测量获取热电堆传感器的温度输出值；

计算热电堆传感器的误差，并确定第一温度补偿值；

计算环境温度带来的误差，并确定第二温度补偿值；

计算测温距离所带来的误差，并确定第三温度补偿值；

根据所述第一温度补偿值、第二温度补偿值和第三温度补偿值矫正热电堆传感器的温度输出值；

使用矫正后的热电堆传感器进行测温，并根据皮肤温度和腋下温度的换算关系得到人体体温。

所述通过对黑体标准温度的测量获取热电堆传感器的温度输出值，包括以下步骤：

分别在人体测温范围内以0.5℃为间隔设置黑体标准温度作为温度设定值；

通过热电堆传感器对处于上述各个温度设定值的黑体标准进行测温，记录热电堆传感器的温度输出值。

所述计算热电堆传感器的误差，并确定第一温度补偿值，包括以下步骤：

计算热电堆传感器在不同温度区间的误差值；

针对每一温度区间设定第一温度补偿值，使温度设定值与补偿后的温度输出值的误差小于第一误差。

所述计算环境温度带来的误差，并确定第二温度补偿值，包括以下步骤：

在高低温区间中设置若干个温度采样点；

将热电堆传感器放入某一温度采样点的环境温度中，分别在人体测温范围内以0.5℃为间隔设置黑体标准温度作为温度设定值；通过热电堆传感器对处于上述各个温度设定值的黑体标准进行测温，记录热电堆传感器的温度输出值；计算热电堆传感器在不同温度区间的误差值；

在某一温度采样点上，针对每一温度区间设定第二温度补偿值，使补偿后的温度输出值与温度设定值的误差小于第二误差；

遍历所有温度采样点，重复上述步骤。

所述计算测温距离所带来的误差，并确定第三温度补偿值，包括以下步骤：

以人体测温范围内最高温度点为中心，对围绕其周围并且与其温度差值小于e的像素集合做聚类，然后计算这个聚类中的有效像素数量；

设定若干个测温距离采样点，在某一距离采样点上，针对该测温距离设定第三温度补偿值，使补偿后的温度输出值与温度设定值的误差小于第三误差；

遍历所有距离采样点，重复上述步骤。

所述矫正热电堆传感器的温度输出值，使其为：

surface temperature = get_i+F_i+FT_ji+FD_k

其中，get_i为温度测量值，F_i为温度设定值为get_i时的第一温度补偿值；FT_ji为温度设定值为get_i且环境温度为T_j时的第二温度补偿值，FD_k为测温距离为d_k时的第三温度补偿值。

本发明具有以下优点及有益效果：

1、本发明可以对低分辨率（例如32*24、16*4等）的多点热电堆传感器进行校准，对测温距离和测温环境带来的误差进行校准和补偿，得到传感器特性参数之后，再通过算法换算成人体体温；

2、本发明方法经检定误差为0.1℃，满足使用要求；根据本方法所用到的电热堆传感器性能，最大的距离不超过1米，最佳测温距离为0.5米。

3、根据本发明方法所调整的热电堆传感器，最大的距离不超过1米，最佳测温距离为0.5米。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明提出的一种基于多点红外热电堆传感器的体温检测方法的流程如图1所示。

步骤1、获取传感器特性参数：设置黑体标准温度，记录热电堆传感器的温度输出值。人体测温对于24℃～42℃这个温度区间的精度要求较高，因此本发明一个实施例采用的测温采样区间为24℃～42℃，每隔0.5℃采样一次，共计采样36次；采样区间也可以适当扩大，在本发明的另一个实施例中，采样区间为从20℃～45℃，每隔0.5℃采样一次，共计采样50次。

采样过程为：分别在人体测温范围内以0.5℃为间隔设置黑体标准温度作为温度设定值；通过热电堆传感器对处于上述各个温度设定值的黑体标准进行测温，记录热电堆传感器的温度输出值。

步骤2、计算热电堆传感器的误差，并进行补偿：对比温度设定值和温度输出值之间的差异，求出热电堆传感器在不同温度区间的误差值，对该误差值进行补偿，使温度设定值与补偿后的温度输出值的误差小于第一误差e₁。

假设温度设定值为[set₁,set₂,...,set_n]，温度测量值为[get₁,get₂,... ,get_n]，则热电堆传感器在不同温度区间的误差值为set_i - get_i，设定一组补偿值[F₁,F₂,...,F_n]，F_i为某一温度区间的第一温度补偿值，使得set_i - (get_i + F_i) < e₁，其中i取值为1～n。

步骤3、计算环境温度带来的误差，并进行补偿：将热电堆传感器放入高低温环境中：在-10～30度的环境温度中逐一求出每种环境温度（在-10~30度的温度范围内，以x度为间隔，设置若干个温度采样点进行采样）下，重复步骤1、2，得到热电堆传感器在不同环境温度下的误差，进而得到不同测量目标温度的测量误差值矩阵，最后根据这个矩阵进行查值补偿，使补偿后的温度设定值与温度输出值的误差小于第二误差e₂。

假设在-10～30度的环境温度中，以1℃为间隔设定采样点，设置共41个环境温度采样点。例如环境温度T₁下，按照步骤1、2重复实验得出一组环境的补偿值F_T1i（即第二温度补偿值），使得set_i - (get_i + F_i+F_T1i)< e₂，其中i取值为1～n；

改变环境温度从T₁～T_m，得出一组温度补偿参数FT_ji，使得set_i - (get_i+F_i+ FT_ji)< e₂，其中i取值为1～n，j取值为1～m。本实施例中，m取值为41。

步骤4、计算距离所带来的误差，并进行补偿：由于没有距离测量传感器，因此采用替代方法来间接补偿距离所带来的误差。以测量范围内最高温度点为中心，对围绕其周围并且与其温度差值小于某一设定常数e的像素集合做聚类，然后计算这个聚类中的像素数量。人离热电堆传感器越近，像素数量约多；离热电堆传感器约远，像素数量越少。根据测试实验结果，得到像素数量与距离的映射关系。根据这个映射关系求出因为距离而引入的误差，并对该误差进行补偿（设定第三温度补偿值），使温度输出值与温度设定值的误差小于第三误差e₃。根据本方法所用到的电热堆传感器性能，最大的距离不超过1米，最佳测温距离为0.5米。其中，聚类原则为前后左后斜线相邻。

假设环境温度为T₁，温度设定值为S₁，则此时的环境温度补偿为FT_1，改变热电堆传感器与测量目标物之间的距离，计算在不同的距离d₁,d₂,...,d_p下聚类像素数量c₁,c₂,...,c_p（简称为有效像素数量），然后通过FD_i = x*cp，得出一组距离补偿参数（第三温度补偿值）FD₁, FD₂,...,FD_p，x为通过实验得出的系数，使得 S₁ - (get₁ +Fi+ FT₁+FD_k) < e₃，其中k取值为1～p。由于距离误差受设定值和环境温度影响相对较小，所以可以使用同一组距离补偿参数在不同环境温度和测量目标温度的情况下进行补偿。

步骤5、矫正上述误差：矫正第一误差e1、第二误差e2和第三误差e3，使得热电堆传感器在不同温度区间、不同环境温度和不同距离下，能够准确输出黑体的设定温度。

最终得到补偿值计算公式 ：

当测量值为get_i，环境温度为T_j，有效像素数量为c_k时，输出的结果为：

surface temperature = get_i+F_i+FT_ji+FD_k

步骤6、做体温换算：在基于步骤5的基础上，根据皮肤温度和腋下温度的换算关系，计算人的体温。

利用标准设备（例如额温枪）测量记录不同的人体表皮温度（surfacetemperature）和其对应的体温值（body temperature）的差值FB₁,FB₂,...,FB_n作为误差补偿的参考值。推荐采用多个标准设备测量取均值，减小单个设备带来的误差。

体温值计算公式为：body temperature = surface temperature + FB

本发明方法经成都市计量检测院检定，误差为0.1度，并在成都普朗克科技有限公司的体温筛查识别一体机中，部署在10个省市，得到了很好的市场反馈。

Claims (1)

1.一种基于多点红外热电堆传感器的体温检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过对黑体标准温度的测量获取热电堆传感器的温度输出值；

计算热电堆传感器的误差，并确定第一温度补偿值；

计算环境温度带来的误差，并确定第二温度补偿值；

计算测温距离所带来的误差，并确定第三温度补偿值；

根据所述第一温度补偿值、第二温度补偿值和第三温度补偿值矫正热电堆传感器的温度输出值；

使用矫正后的热电堆传感器进行测温，并根据皮肤温度和腋下温度的换算关系得到人体体温；

所述通过对黑体标准温度的测量获取热电堆传感器的温度输出值，包括以下步骤：

分别在人体测温范围内以0.5℃为间隔设置黑体标准温度作为温度设定值；

通过热电堆传感器对处于上述各个温度设定值的黑体标准进行测温，记录热电堆传感器的温度输出值；

所述计算热电堆传感器的误差，并确定第一温度补偿值，包括以下步骤：

计算热电堆传感器在不同温度区间的误差值；

针对每一温度区间设定第一温度补偿值，使温度设定值与补偿后的温度输出值的误差小于第一误差；

所述计算环境温度带来的误差，并确定第二温度补偿值，包括以下步骤：

在高低温区间中设置若干个温度采样点；

将热电堆传感器放入某一温度采样点的环境温度中，分别在人体测温范围内以0.5℃为间隔设置黑体标准温度作为温度设定值；通过热电堆传感器对处于上述各个温度设定值的黑体标准进行测温，记录热电堆传感器的温度输出值；计算热电堆传感器在不同温度区间的误差值；

在某一温度采样点上，针对每一温度区间设定第二温度补偿值，使补偿后的温度输出值与温度设定值的误差小于第二误差；

遍历所有温度采样点，重复上述步骤；

所述计算测温距离所带来的误差，并确定第三温度补偿值，包括以下步骤：

以人体测温范围内最高温度点为中心，对围绕其周围并且与其温度差值小于e的像素集合做聚类，然后计算这个聚类中的有效像素数量；

设定若干个测温距离采样点，在某一距离采样点上，针对该测温距离设定第三温度补偿值，使补偿后的温度输出值与温度设定值的误差小于第三误差；

遍历所有距离采样点，重复上述步骤；

所述矫正热电堆传感器的温度输出值，使其为：

surface temperature = get_i+F_i+FT_ji+FD_k

其中，get_i为温度测量值，F_i为温度设定值为get_i时的第一温度补偿值；FT_ji为温度设定值为get_i且环境温度为T_j时的第二温度补偿值，FD_k为测温距离为d_k时的第三温度补偿值。

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