CN1391092A - 红外线耳温枪及其温度补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外线耳温枪及其温度补偿方法，其具有一光学系统、一红外线侦测器、一环境温度感测器、一显示单元及一信号处理单元；其中，该红外线侦测器将红外线信号转换成电气信号，并感知参考温度；该环境温度感测器设置于光学系统附近以侦测迅速变化的环境温度；信号处理单元接收来自红外线侦测器及环境温度感测器的信号并由数学演算法产生一补偿值；该补偿值用以校正温度读取值，并在快速温度变化下维持耳温枪的高准确度，使耳温枪可不须到恒温状态即可使用。

Description

红外线耳温枪及其温度补偿方法

本发明涉及体温计，尤其是一种红外线耳温枪及其温度补偿方法，其插入耳朵内部用以读取身体的体温。

所有的传统红外线耳温枪皆因侦测器对环境温度反应不灵敏及接收到除了耳道及耳膜以外如来自光学系统的导波管的辐射，使其灵敏度及准确度在环境温度变化时均较差；在大部分的红外线耳温枪中，皆具有一温度参考感测器用以补偿温度变化的不灵敏度；然而，若环境温度快速地变化，该补偿可能无法有效地及正确地跟随侦测器的温度变化。

依据U.S.Pat.No.4,895,164专利揭露的红外线医疗用温度计，其导波管及辐射侦测器组合必须在均温状态下操作；此温度计特别地具有一导热单元，其被建置用以将温度保持在均温状态下；然而，当环境温度急剧变化时，此均温状态并不容易保持，例如，若将该温度计由暖房(如30℃)移至冷房(如15℃)，则该均温状态便被破坏，同时必须花半小时、1个小时或者更多的时间以达到新的均温平衡状态。

另一U.S.Pat.No.5,024,533所揭露的辐射医疗用温度计具有一导波管探头及红外线侦测器、一侦测信号处理单元、一躯体温度操作单元及一显示单元；该躯体温度操作单元接收来自红外线侦测器的红外线资料及来自两温度参考感测器的温度感应资料，在导波管及红外线侦测器的温度均衡必须考虑这些温度参考资料，以精确地计算躯体温度；这两个温度参考感测器分别设置在红外线侦测器及导波管上以侦测红外线侦测器及导波管之间的温度差，此状况下，躯体温度是在非恒温状态下由两温度参考感测器差值所产生，但此状况并不是如此简单，首先，该导波管并不是唯一产生与红外线侦测器辐射交流的量测错误的来源，所有光学系统包含红外线侦测器包装的内壁、侦测器窗口及探头本身对于侦测器单元皆具有辐射，这些辐射必须全盘考虑，以在非均温状态下达到准确性的要求；同时，环境温度变化可能是多元化的，环境温度在变化的方向上及时间上可能是不定的，若温度计被置于混乱且迅速的温度变化空间，则侦测器及导波管的温差可能在某一瞬间为零，但温度计的光学系统实际上并不是处于均温状态，故其补偿值可能并不正确。

本发明的主要目的是提供一红外线耳温枪，用以精确地自外耳管读取体温，而不须在快速环境温度变化中等待恒温状态。

为达上述目的，本发明红外线耳温枪，其具有一光学系统、一红外线侦测器、一环境温度感测器、一显示单元及一信号处理单元。其中，该红外线侦测器进一步包含有一红外线感测器及一温度参考感测器；该红外线感测器置于基板上及该温度参考感测器设置在红外线侦测器的基板附近以分别将红外线信号转换成电气信号，并感知参考温度；该环境温度感测器设置于光学系统附近以侦测迅速变化的环境温度；信号处理单元接收来自温度感测器的信号并由数学演算法产生一补偿值；该补偿值是用以校正温度读取值，并在快速温度变化下维持耳温度枪的高准确度。

本发明的另一目的是提供红外线耳温枪的温度补偿方法，其采用一更简单的及有效率的方法产生一补偿值，该补偿值是用以消除由环境温度、红外线侦测器及光学系统间温差所产生的读取误差；所以能维持红外线耳温枪的准确性。

本发明的红外线耳温枪的温度补偿方法含有下列步骤：

a.分别在红外线侦测器基板及光学系统附近设置多个温度参考感测器，用以侦测环境温度及红外线侦测器的温度差。

b.将由多个温度参考感测器所测的信号传输至信号处理单元。

c.依据这些信号根据一演算法产生一补偿值，以补偿由红外线侦测器、光学系统及环境间温度差所生的温度读取误差，并在快速温度变化下维持耳温枪的高准确度，使耳温枪可不须到恒温状态便可使用。其中演算法的设定使用状况由依据实际状况的实验测试所得。

使用本发明的红外线耳温枪及其温度补偿方法，即使在快速温度变化下也能维持耳温枪的高准确度，使耳温枪可不须到恒温状态即可使用。

以下为本发明的附图：图1本发明的最佳实施例的内部剖面图；图2为图1的红外线侦测器的切面图；图3为本发明信号处程序的方块图；图4为本发明的三个温度感测器实验测试，用以导出温度修正演算法的实施例剖面图；图5为图4实验测试实施例所受环境温度变化的曲线图；图6为本发明实验测试实施例的三个感测器所测出温度曲线变化；图7为在不同时间的温度迅速变化斜率；图8为本发明的实验测试实施例受二不同环境温度迅速增加区段的曲线；图9为本发明的实验测试实施例受环境温度迅速增加及减少的曲线；图10为用以计算在红外线自导波管辐射不同路径时图形。

下面结合附图对本发明做详细描述：

图1为本发明的剖面图，其具有一机壳1、一红外线侦测器11、一导波管12、一环境温度感测器13、一信号处理单元14及一显示单元15；其中，如图3所示，导波管12的一端直接收集来自一被量测物31的红外线辐射，其另一端与红外线侦测器11连接，红外线侦测器11(如图3所示)将红外线辐射转换为电气信号传输至信号处理单元14；环境温度感测器13设置在接近该光学系统(导波管12及红外线侦测器11)以侦测环境温度的变化，环境温度感测器13将环境温度变化转为电气信号及将其传至信号处理单元14(如图3所示)；显示单元15设置在机壳上，其显示信号处理单元14处理红外侦测器11及环境温度感测器13的信号后的温度值(如图3所示)，同时，红外线侦测器11包含一红外线感测器111及一温度参考感测器112，其分别设置在该红外线侦测器11的基板114上及其基板114附近以接收红外线辐射及感知温度变化，其中，温度参考感测器112用以侦测红外线侦测器11的基板114温度。

以下为温度补偿方法的演算式的实验导出方式说明，请参阅图4，该实验的实施例具有三个分别设置于不同位置的温度参考感测器，分别简称为THR_wg41、THR_can42、THR_air43，其中THR_wg41设于导波管12的前段，THR_can42设于红外线侦测器11的金属包装管壁，THR_air43设于接近光学系统(导波管12及红外线侦测器11)的附近空间。

若红外线耳温枪承受一自T_a至T_a+T₀的温度变化，则在光学系统附近(导波管12及红外线侦测器11)的THR_air43被假设为具有来自环境的一热容C_air及一热导G_air，该热容被定义为：

C_air＝dQ/dT                                                     (1)

其中，当其温度变化为dT时，dQ为增加的储存热；该热导G_air被定义具有如下关系：

P₁＝G_air ^*((T₀+T_a)^*u(t)-T(t’))                                  (2)

其中P₁为自环境流向温度计的热流，同时U(t)为一步阶函式；该THR_air43的温度是由下列等式所主导：

C_air ^*dT(t)/dt＝P1^*u(t)                                          (3)

以式(2)取代P1

C_air ^*dT(t)/dt+G_air ^*T(t)＝G_air ^*(T₀+T_a)^*u(t)                      (4)

使用Laplace转换以得到解：

C_air ^*(s^*T(s)-T_a)+G_air ^*T(s)＝G_air ^*(T₀+T_a)/s                      (5)

由式(4)

T(s)＝T_a/(s+G_air/C_air)+((T_a+T₀)^*G_air/C_air)/(s^*(s+G_air/C_air))    (6)

令G_air/C_air＝1/(τ_air)，以反Laplace转换(6)并将得到的解T(t)绘于图5：

T_air(t)＝T₀ ^*(1-exp(-t/(τ_air)))+T_a                              (7)

其中，τ_air是在THR_air43的温度时间常数，其可由实验测试取得。

首先，将温度计置于18℃(Ta)的恒温室中至少一个小时以建立等温状态，其次，将温度计自18℃室中取出，然后，立即将其置于另一28℃(T_a+T₀)的恒温室中，必须注意室的湿度以避免凝结，以1小时取样2-20次/秒的方式，记录所有温度参考感测器THR_wg41、THR_can42、THR_air43的温度变化，该变化被绘成如图6所示的温度变化曲线，依据此变化，分别导出THR_wg41、THR_can42、THR_air43的温度时间常数τ_wg、τ_can及τ_air。

因为T_air(t)，τ_air及T_a为已知的变数，所以迅速变化的环境温度T₀可由公式(7)计算而得，对导波管12(THR_wg41所置之处)及红外线侦测器金属包装管壁113(THR_can42所置之处)附近位置应用相同的理论，当温度计对环境温度的迅速变化足够敏感时，上述温度可得一数学式解：

T_can(t)＝T₀ ^*(1-exp(-t/(τ_can)))+T_a                            (8)

T_wg(t)＝T₀ ^*(1-exp(-t/(τ_wg))+T_a                              (9)

其中，T_can(t)及T_wg(t)为红外线侦测器金属包装管壁113及导波管12的温度，而τ_can及τ_wg分别为其温度时间常数；同样地τ_can及τ_wg可由与τ_air相同的实验测试实施例导出。由公式(7)、(8)、(9)，在实际发明中我们只需放置THR_air而无须THR_can及THR_wg，红外线侦测器11及导波管12的温度仍可由计算而得。

在实际的操作环境中，环境温度在方向及时间上皆属随机；公式(4)必须写为：

C_air ^*dT(t)/dt+G_air ^*T(t)＝G_air ^*((T_a+T₀)^*u(t)-(T_a+T₀)^*u(t-t₁)

+(T_a+T₁)^*u(t-t₁)-(T_a+T₁)^*u(t-t₂)

+(T_a+T₂)^*u(t-t₂)-……                                         (10)

C_air ^*dT(t)/dt+G_air ^*T(t)＝G_air ^*((T_a+T₀)^*u(t)

+∑(n＝1～N)((T_n-T_n-1)^*u(t-t_n)))                              (11)

其中，T_n可为正或负。

由Laplace转换及重合原理，可解得该温度T_air(t)：

T_air(t)＝T_a+T₀ ^*(1-exp(-t/(τ_air)))

 +∑(n＝1～N)((T_n-T_n-1)^*(1-exp(-(t-t_n)/(τ_air)))^*u(t-t_n))      (12)

其中，T_air(t)、τ_air及T_a为已知常数，若时间t_n亦为已知，则可算得T₀～T_n；求得随机时间t_n的方法叙述如下：

首先，考虑实验测试温度计实施例(如图4所示)在t＝0时只承受一迅速的温度变化T₀如公式(7)；在时间t＝0前，该温度计保持在一衡温状态T_a下，在温度计接上电源后，温度计信号处理单元持续量测温度T_air(t)及其斜率dT_air(t)/dt，T_air(t)对时间微分为：

dT_air(t)/dt＝(T₀/τ_air)^*exp(-t/τ_air)                          (13)

因为温度时间常数τ_air较τ_can、τ_wg、τ_sen(温度参考感测器112(下称THR_sen112)的时间常数)为小，在t＝t₀时THR_air43的反应速度及对室温迅速变化的侦测能力均较THR_can42、THR_wg41或THR_sen112迅速且强大，这便是使用T_air(t)的时间微分作为判断温度计的环境温度变化是否过快的原因；当T_air(t)的斜率较一预设值(如3/τ_air)大时，该温度计必定正处于迅速变动的环境温度下，此时将时间设为t＝0如图5所示，当时间自t＝0移动时，如图7所示的T_air(t)斜率便逐渐变小，最后变为0如公式(13)，当时间较一预设值(如10倍温度时间常数τ_air)大时，T_air(t)的斜率便接近0，同时因为所有温度T_air(t)、T_sen(t)、T_can(t)及T_wg(t)如图六所示皆相同，而达到另一恒温状态，T_a+T₀；若在t＝t₁时，环境温度由T_a+T₀变化至T_a+T₁，则在公式(12)中假设N＝1以求得T_air(t)：

T_air(t)＝T_a+T₀ ^*(1-exp(-t/(τ_air)))

         +(T₁-T₀)^*(1-exp(-(t-t₁)/(τ_air)))^*u(t-t₁))            (14)

其中必须考虑两种状况：第一种状况为如图8所示，当T₁＞T₀，在t＝t₁时，dT_air(t)/dt的值将变大而非如上所述递减为0，此时10倍τ_air的计时器将被设为0从新计时；因T_air(t)、T_a、T₀及τ_air为已知，T₁可以数学方式计算；第二种状况为在T₁＜T₀的状况下(含T₁＜0)，在t₁时，如图9所示T_air(t)的斜率将由正变为负；对如上所述的所有状况，不论温度计在何时(t₀...t_n)承受了迅速温度变化均可由T_air(t)的微分(T_air(t)的斜率)得知，环境温度干扰的振幅(T₀...T_n)同样可自数学公式(12)解得。用τ_can及τ_wg取代τair、T_can(t)及T_wg(t)皆可自公式(12)解得。

在非均温下的T_sen、T_can及T_wg间的温差对温度计准确性影响及补偿值计算的讨论如下：

如同上述，红外线侦测器金属包装管壁11(T_can(t))及导波管12(T_wg(t))温度皆可由光学系统(导波管12及红外线侦测器11)附近温度参考感测器(如图1所示的环境温度感应器13)所测的温度(T_air(t))计算得到，其时间导数(dT_air(t)/dt)及已知时间常数τ_can及τ_wg是由上述实验导得。

首先，考虑导波管12及红外线感测器111之间具有温度差的状况，如图10所示，在一小倾斜立体角度dΩ的红外线感测器111上，接收自发光RA的目标101的能量dΦ可写成：

dΦ＝RA^*cos(θr)^*dΩ                                         (15)

依据Stefan-Boltzmann定律：RA＝(бT^4/π)可得

dΦ＝(бT^4/π)^*cos(θr)^*dΩ                                 (16)

其中，dΩ＝2^*π^*sin(θr)dθr；依据θr，红外线感测器111上的受光从目标101经过反射器(图1中的波导管12)被反射好几次，反射次数Nf为一θr的函数：

Nf(θr)＝floor((tan(θr)^*S_sp+R_wg)/2^*R_wg))                    (17)

其中，S_sp是自红外线感测器111至导波管12端的距离，R_wg是导波管12的半径。

此处，将发射率、反射率及传导率代入等式中以求得在红外线侦测器11上的净受光：

Φ_net(θr，dT_wg，T_tar)＝Φ_ts(θr，T_tar)+Φ_ws(θr，dT_wg)-Φ_out(θr)      (18)

其中，Φ_ts为目标至侦测器的受光，Φ_ws为来自导波管12的受光、Φ_out为自红外线侦测器11外射的发光，而T_tar为目标101的温度；这三项是由公式(16)及(17)导得，其详述如下： ${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{ts}}(\mathrm{\θr},T_{\mathrm{tar}})=2{\mathrm{\π}\∫}_0^{\mathrm{rx}}\mathrm{\σ}1\·\cos \left(\mathrm{\θr}\right)\·\mathrm{\ϵs}\·{T_{\mathrm{tar}}}^4\·R_w^{\mathrm{Nf}(\mathrm{\θr},d)}\·\sin \left(\mathrm{\θr}\right)d{\mathrm{\θ}}_1------\left(19\right)$

其中，θrx是侦测器的FOV，σ1＝σ^*τd/π，τd是侦测器窗的传导率，εS为红外线感测器111的发射率，T_tar为目标温度，同时R_w＝1-εw为导波管的反射率，而εw为导波管12的发射率。 ${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{ws}}(\mathrm{\θr},{\mathrm{dT}}_{\mathrm{wg}})=2{\mathrm{\π}\∫}_{\mathrm{\θ}0}^{\mathrm{\θrx}}\mathrm{\σ}1\·\cos \left(\mathrm{\θr}\right)\·\mathrm{\ϵw}\·\mathrm{\ϵs}\·{(T_{\mathrm{sen}}+{\mathrm{dT}}_{\mathrm{wg}})}^4\·\underset{n=1}{\overset{\mathrm{Nf}(\mathrm{\θr},d)}{\mathrm{\Σ}}}{R}_w^{n-1}\·\sin \left(\mathrm{\θr}\right)\mathrm{d\θt}------\left(20\right)$ 其中θ_o＝atan(Rwg/Ssp)为无反射时的最大θr，dT_wg为感测器T_sen及导波管12T_wg间的温度差，即T_wg＝T_sen+dT_wg ${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{out}}\left(\mathrm{\θr}\right)=2{\mathrm{\π}\·\∫}_0^{\mathrm{\θrx}}\mathrm{\σ}1\·\cos \left(\mathrm{\θr}\right)\·\mathrm{\ϵs}\·T_{\mathrm{sen}}^4\·\sin \left(\mathrm{\θr}\right)d{\mathrm{\θ}}_1------\left(21\right)$ 由红外线侦测器11及导波管12间的温度差所生的测量误差可写为：dT_tar/d(dT_wg)＝(dΦ_net/d(dT_wg))/(dΦ_net/dT_tar)             (22)

由公式(18)、(19)、(20)、(21)与(22)及常数设计值(此常数因不同的温度计而不同)，可得：

dT_tar/d(dT_wg)＝0.124                                   (23)量测误差，即由dT_wg在红外线侦测器11及导波管12间产生的补偿值每1°K差值为0.124°K。

对金属包装管壁应用相同的原理，若红外线侦测器11的金属包装管壁温度为T_can(t)，其与红外线感测器111的T_sen(t)在非恒温状态下的温度不同，其补偿值为：

dT_tar/d(dT_can)＝0.456                                  (24)

其中，dT_can＝T_can-T_sen为侦测器温度与包装管壁温度的差值。

因此，由上述可知补偿值可由一环境温度感测器13(THR_air)得之(如图1所示)，而不须使用三个设置于不同位置的温度参考感测器THR_wg、THR_can及THR_air。借由此温度补偿方法本发明实施例仅需使用如图1所示的一环境温度感测器13即可得到补偿值，我们将补偿值放入耳温计温度的计算即可在非均温的环境下得到正确的耳温读值。

在较佳实施例的详细说明中所提出的具体的实施例仅为了易于说明本发明叫的技术内容，而并非将本发明狭义地限制于该实施例，凡依本发明的精神及权利要求所作种种变化实施，均属本发明的范围。

Claims (3)

1.一种红外线耳温枪，其特征是：其包含有：一用以接收及收集来自病患耳管的红外线的光学系统；一红外线侦测器，其设有一将前述光学系统收集的红外线能转为电气信号的红外线感测器，及一用以感知红外线侦测器的基板温度的温度参考成测器；一用以侦测环境温度变化的环境温度感测器；一收集来自红外线感测器、参考温度感测器及环境温度感测器的电气信号并根据一演算法产生一补偿值而消除温度变化影响的信号处理单元；一用以显示温度读取值的显示单元。

2.一种红外线耳温枪温度补偿方法，其特征是：其含有下列步骤：

a.分别在红外线侦测器基板及光学系统附近设置多个温度参考感测器，用以侦测环境温度及红外线侦测器的温度差。

b.将由多个温度参考感测器所测的信号传输至信号处理单元。

c.依据这些信号根据一演算法产生一补偿值，以补偿由红外线侦测器、光学系统及环境间温度差所生的温度读取误差，并在快速温度变化下维持耳温枪的高准确度，使耳温枪可不须到恒温状态便可使用。

3.如权利要求2所述的红外线耳温枪温度补偿方法，其特征是：其演算法的设定使用状况由依据实际状况的实验测试所得。

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