李曉彤

關(guān)鍵詞：普朗克黑體輻射;紅外測(cè)溫;耳溫計(jì);醫(yī)療;專(zhuān)利分析

一、紅外測(cè)溫優(yōu)勢(shì)

測(cè)量溫度方法有接觸測(cè)溫法和非接觸測(cè)溫法。接觸測(cè)溫法是常用的測(cè)溫方法，它主要應(yīng)用熱電元件、水銀膨脹材料或者光纖材料等作為溫度傳感元件。它們的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)操作簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且價(jià)格略低，但是接觸測(cè)溫法基于熱平衡的方式實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量，在測(cè)量溫度的時(shí)候常常要與被測(cè)物體進(jìn)行接觸，接觸的同時(shí)，也改變了被測(cè)物體的溫度場(chǎng)分布，對(duì)測(cè)溫有一定影響，除此之外，傳感器不易測(cè)量動(dòng)態(tài)物體溫度，傳感器與高溫物體或者易腐蝕材料接觸也會(huì)給傳感器帶來(lái)誤差和影響。因此，接觸測(cè)溫法在使用時(shí)具有比較大的局限性。所以，在高溫測(cè)量領(lǐng)域中，非接觸測(cè)溫法發(fā)揮著不可替代的作用。

非接觸測(cè)溫方法主要以輻射測(cè)溫為主，同接觸測(cè)溫相比熱輻射測(cè)溫優(yōu)勢(shì)十分明顯，熱輻射測(cè)溫法不干擾溫度場(chǎng)，保證測(cè)量目標(biāo)能量不流失，響應(yīng)速度極快，可達(dá)到毫秒ms或微秒μs，可以測(cè)量高達(dá)3500℃的高溫，可測(cè)量痕量物質(zhì)的溫度，同時(shí)在極為惡劣的環(huán)境下可進(jìn)行測(cè)量。

二、耳溫計(jì)的歷史

1984年，世界上第一支耳溫計(jì)由大衛(wèi)？菲利普斯發(fā)明，大衛(wèi)通過(guò)測(cè)量人體耳道和鼓膜的熱輻射來(lái)測(cè)定人體溫度，使體溫測(cè)量更加方便快捷。后來(lái)美國(guó)研究者就把鼓膜溫度作為核心溫度的標(biāo)準(zhǔn)。近年來(lái)以此核心溫度為標(biāo)準(zhǔn)，研發(fā)了一系列紅外輻射式耳溫計(jì)，耳溫計(jì)通過(guò)其內(nèi)部核心元件紅外導(dǎo)波管，將人體主要由鼓膜發(fā)射出的紅外輻射能傳送到熱電堆熱電偶或者其他熱釋陣列元件等構(gòu)成的熱探測(cè)器，將紅外輻射能量轉(zhuǎn)換為電能后再轉(zhuǎn)換成電信號(hào)就得到人體溫度信息。1986年T.Shinozaki等團(tuán)隊(duì)第一次采用熱電堆元件構(gòu)成的探測(cè)器制造成了人體耳道式體溫計(jì)，隨后在美國(guó)問(wèn)市。目前中國(guó)耳溫計(jì)前幾大制造商，歐姆龍（大連）有限公司，江蘇魚(yú)躍醫(yī)療設(shè)備股份有限公司，泰爾茂醫(yī)療產(chǎn)品（杭州）有限公司，廣州市倍爾康醫(yī)療器械有限公司和深圳市華盛昌科技實(shí)業(yè)股份有限公司等。

三、耳溫計(jì)的物理原理

耳溫計(jì)利用經(jīng)典物理學(xué)中量子力學(xué)、電動(dòng)力學(xué)以及熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的普朗克黑體輻射定律，根據(jù)下面公式中熱輻射體的輻射特性與熱輻射體的溫度之間的函數(shù)關(guān)系，測(cè)量熱輻射體表觀(guān)溫度的輻射測(cè)溫儀表。

任何物質(zhì)只要它的溫度處于絕對(duì)零度（-273.15°C / -459.8°F）以上時(shí)，由于物體內(nèi)部帶電粒子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，以及不同波長(zhǎng)的電磁波形式向外輻射能量，波長(zhǎng)范圍包括紫外、可見(jiàn)和紅外光譜部分，但輻射能量的光譜主要集中于 0.8um-15um 的紅外光譜區(qū)域內(nèi)。即物體都會(huì)根據(jù)其溫度發(fā)射紅外輻射，稱(chēng)為特征輻射。所有物體的紅外輻射能量的大小按其波長(zhǎng)的分布規(guī)律與物體表面溫度存在非常密切的關(guān)系。

黑體輻射定律闡述了物體輻射能量與物體表面溫度的關(guān)系，是輻射測(cè)溫的理論依據(jù)。通常所說(shuō)的黑體輻射定律一般包含三大定律，它們是：普朗克定律、維恩位移定律和斯特藩-波爾茲曼定律。

在物理學(xué)中，普朗克黑體輻射定律（也簡(jiǎn)稱(chēng)作普朗克定律或黑體輻射定律，英文：Planck's law，Blackbody radiation law）描述，考慮一個(gè)黑體，黑體的內(nèi)壁不斷地發(fā)射和吸收電磁波（輻射波），最后達(dá)到熱平衡。設(shè)熱輻射達(dá)到平衡時(shí)的溫度為T(mén)，在任意溫度T下，從一個(gè)黑體中發(fā)射出的電磁輻射的輻射率與頻率彼此之間的關(guān)系。

電磁波波長(zhǎng)與頻率的關(guān)系為

普朗克定律的能量密度頻譜表達(dá)形式：

單位頻率在單位體積內(nèi)的能量，單位是焦耳/（立方米·赫茲）。對(duì)于一個(gè)黑體的輻射場(chǎng)，此時(shí)的能量密度可由氣體的熱力學(xué)參數(shù)決定。

其中T為黑體的溫度，h為普朗克常數(shù)，1為輻射率，e為自然對(duì)數(shù)的底數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)。

四、耳溫計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域

耳溫計(jì)由光學(xué)系統(tǒng)（探頭）、探測(cè)器和信號(hào)處理單元及輸出顯示單元四部分組成。使用時(shí)，將紅外耳溫計(jì)探頭插入人體耳道，通過(guò)測(cè)量鼓膜及耳道熱輻射測(cè)量耳道溫度，使用耳道溫度表征人體溫度。在醫(yī)療上也可以根據(jù)人體溫度分布的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，推定人體其他部位溫度，如口腔、腋下、直腸以及一些黏膜組織溫度等。耳溫計(jì)主要應(yīng)用在醫(yī)療和生活中。近些年來(lái)，耳溫計(jì)在臨床醫(yī)療領(lǐng)域中運(yùn)用廣泛，而且近乎滲透到每個(gè)科室，比如兒科臨床醫(yī)療，呼吸科老年人住院體溫測(cè)量，精神障礙患者日常體溫測(cè)量，危重癥患者體溫測(cè)量等，這些都基于非接觸測(cè)量自身的使用方便，快速準(zhǔn)確的特點(diǎn)。

然而在生活生產(chǎn)中，耳溫計(jì)也體現(xiàn)出獨(dú)當(dāng)一面的功能作用，比如，日常生活中，孕婦、嬰孩、兒童以及老年人體溫測(cè)試時(shí)，耳溫計(jì)使用方便又安全。比如，疫情防控下，非接觸紅外測(cè)溫就可以很好規(guī)避了接觸帶來(lái)的防疫風(fēng)險(xiǎn)，保證了人與人之間的安全距離和又避免了交叉感染。

五、耳溫計(jì)專(zhuān)利的發(fā)展趨勢(shì)

數(shù)據(jù)源自incopat數(shù)據(jù)庫(kù)，檢索策略為：tiabc=（耳溫計(jì)or耳溫+ or Radiation pyrome-try）or tiabc=（（耳溫 and 測(cè)）or （Radiation pyrometry） ）or ic=G01J5 or cpc= G01J5，檢索范圍：全球，公開(kāi)日在2000年以后的專(zhuān)利，分別得出全球公開(kāi)-申請(qǐng)趨勢(shì)圖，全球申請(qǐng)人排名圖，技術(shù)全球分布圖，技術(shù)中國(guó)省市分布和中國(guó)申請(qǐng)人構(gòu)成。

從全球耳溫計(jì)專(zhuān)利技術(shù)分布上看，耳溫計(jì)在醫(yī)療領(lǐng)域技術(shù)改進(jìn)占比最大，其次是紅外測(cè)溫方面的技術(shù)更新和突破，同時(shí)隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能醫(yī)療技術(shù)的革新，耳溫計(jì)在計(jì)算存儲(chǔ)、圖像以及數(shù)據(jù)處理方面也有一些技術(shù)的改進(jìn)。

六、總結(jié)

從全球?qū)＠靠?，隨著2010年芯片解放年，互聯(lián)網(wǎng)概念和智能醫(yī)療的趨勢(shì)，耳溫計(jì)的技術(shù)和應(yīng)用突飛猛進(jìn)，直至受2020年疫情影響，耳溫計(jì)的需求量極度增大。但是申請(qǐng)量和技術(shù)排名靠前的中國(guó)企業(yè)較少，同時(shí)，中國(guó)高校和科研單位的耳溫計(jì)專(zhuān)利申請(qǐng)量有望提高。

希望我們國(guó)家在電子芯片創(chuàng)新和發(fā)展的帶動(dòng)下，耳溫計(jì)技術(shù)有新的飛躍和提高，同時(shí)，希望高校和科研單位注重專(zhuān)利申請(qǐng)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，也注重?zé)彷椛錅y(cè)溫技術(shù)多方面的研究和改進(jìn)。在新的環(huán)境下，耳溫計(jì)產(chǎn)品能與未來(lái)智能化、大數(shù)據(jù)、健康醫(yī)療、社區(qū)醫(yī)療等方面的多元化創(chuàng)新和突破。

參考文獻(xiàn)：

[1]《量子力學(xué)》宋鶴山 大連理工大學(xué)出版社.

[2]《費(fèi)曼物理學(xué)講義》【美】費(fèi)恩曼 萊頓 桑茲著 鄭永令 華宏鳴 吳子儀等譯 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社.

[3]《熱力學(xué).統(tǒng)計(jì)物理》汪志誠(chéng) 高等教育出版社.

[4]《紅外熱成像測(cè)溫原理與技術(shù)》楊立 楊楨 科學(xué)出版社.

[5]《專(zhuān)利產(chǎn)業(yè)分析報(bào)告》楊鐵軍 知識(shí)產(chǎn)權(quán)出版社.