黃勇，盧哲，溫宇標(biāo)，樊翔，劉思勝，劉海

（廣東省醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗所，廣州 510663）

引言

2020年初，由于新型冠狀病毒肺炎疫情爆發(fā)并蔓延，紅外體溫計被列入防疫應(yīng)急的清單之中。新型冠狀病毒感染者，體溫一般要比正常體溫高，研究表明，87.9%的新冠肺炎患者具有發(fā)燒的臨床表現(xiàn)[1]。鑒于體溫升高是新型冠狀病毒肺炎感染者最普遍的臨床癥狀，全民體溫監(jiān)測成為疫情防控的必要手段，所以越來越多的醫(yī)療器械企業(yè)投入到紅外體溫計的注冊檢驗申請中，其中注冊檢驗中包含了電磁兼容檢測，且射頻電磁場輻射抗擾度試驗是紅外體溫計最難通過的電磁兼容試驗項目之一，為提高紅外體溫計射頻電磁場輻射抗擾度水平，幫助企業(yè)快速通過注冊檢驗，本文針對射頻電磁場對紅外體溫計的影響機理進(jìn)行分析研究，并提出整改對策，提供了通過紅外體溫計射頻電磁場輻射抗擾度試驗的思路和方法。

1 紅外體溫計的基本工作原理

熱輻射是物質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)下的輻射，一切溫度高于絕對零度的物體都能產(chǎn)生輻射[2]，溫度愈高，輻射出的總能量就愈大。人體表面溫度可通過熱輻射的形式輻射波長在9~10（um）的紅外線，由于該波長范圍內(nèi)的紅外線不被空氣吸收[3]，紅外體溫計可通過內(nèi)置的傳感器探測人體表面輻射的紅外線能量，便可準(zhǔn)確的測出人體表面的溫度。

紅外體溫計的結(jié)構(gòu)組成主要包括溫度傳感器、轉(zhuǎn)換電路、控制電路和輸出顯示部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。人體發(fā)出的紅外輻射經(jīng)透鏡、波導(dǎo)或其他可穿過紅外的介質(zhì)傳輸并聚焦至溫度傳感器，通過溫度傳感器將體溫信號轉(zhuǎn)化為電信號，該電信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路和控制電路在輸出顯示部分末端顯示體溫數(shù)值[4]，從而達(dá)到了測量體溫的目的。

圖1 紅外體溫計結(jié)構(gòu)框圖

2 紅外體溫計輻射抗擾度試驗?zāi)Ｊ竭x擇及試驗方法

紅外體溫計一般我們可以定義兩種工作模式，正常工作模式和待機模式。正常工作模式就是體溫計保持開機狀態(tài)，操作按鍵進(jìn)行溫度測量，而待機模式就是體溫計開機狀態(tài)，不進(jìn)行溫度測量，屏幕正常顯示，可以進(jìn)行記錄翻查。根據(jù)紅外體溫計的使用特點，設(shè)備為間斷測量方式工作，一旦不操作按鍵，短時內(nèi)會自動關(guān)機，因此相比待機模式，正常工作模式更符合標(biāo)準(zhǔn)中定義的對患者預(yù)期最不利的狀態(tài)。故在待機模式下測試射頻電磁場輻射抗擾度并無實際意義，從而選擇對紅外體溫計的工作模式試驗才更加符合標(biāo)準(zhǔn)對測試的要求。

根據(jù)射頻電磁場輻射抗擾度試驗標(biāo)準(zhǔn)YY 0505-2012和GB/T 17626.3-2016要求[5,6]，將紅外體溫計放置于80 cm高度的桌面，且放有紅外體溫計的桌面測試一側(cè)必須滿足1.5 m×1.5 m均勻場，場強強度為3 V/m，測試布置如圖2所示，試驗頻率為80～2 500 MHz，掃描速度頻率步長以頻率范圍內(nèi)步進(jìn)基頻的1%遞增，掃描駐留時間為3 s，試驗調(diào)制采用80 %AM，1 kHz正弦波方式，分別在水平極化和垂直極化兩個方向?qū)t外體溫計的前后左右四個面進(jìn)行測試[7]。

圖2 射頻電磁場輻射抗擾度試驗布置圖

紅外體溫計在正常使用過程中是間斷工作的，而輻射抗擾度試驗是連續(xù)運行的，考慮到試驗的高效性，要保證紅外體溫計在測試過程中連續(xù)測量，必須要使用人工或者其他外力持續(xù)按壓紅外體溫計開關(guān)按鈕。然而，由于輻射抗擾度試驗時屏蔽室內(nèi)有輻射騷擾場強，基于人身安全的考慮，人工進(jìn)行操作的方法并非良策，故設(shè)計了一臺自動按壓設(shè)備來代替，基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，通過控制伸縮支架和按壓部分，實現(xiàn)持續(xù)頻率可調(diào)的按壓開關(guān)按鈕動作，確保紅外體溫計始終保持在正常工作模式下試驗。

圖3 自動按壓設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)圖

3 紅外體溫計輻射抗擾度試驗失敗原因及整改對策

3.1 紅外體溫計輻射抗擾度試驗失敗原因分析

從紅外體溫計的基本工作原理上分析，紅外體溫計的電磁兼容主要關(guān)鍵元器件有溫度傳感器、主控芯片，顯示屏和電源部分，但其核心敏感器件就是溫度傳感器，紅外體溫計的溫度傳感器主要是熱電堆傳感器，它的工作方式是基于塞貝克效應(yīng)原理，采用硅基微加工工藝，在硅片支撐層上排布熱電堆的若干個熱電偶，這些熱電偶串聯(lián)起來，就構(gòu)成熱電堆芯片，傳感器接收紅外輻射時，熱電堆芯片上各熱電偶的電壓疊加輸出，從而將測試溫度轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘朳8]。研究表明，熱電堆傳感器的電壓與溫度呈正相關(guān)，具體電壓與溫度的典型特性曲線如圖4所示。

通過圖4可以看出2 mV的熱電堆傳感器的電壓變化，對應(yīng)溫度就變化了20 ℃，根據(jù)圖示曲線走勢可以得出，0.1 mV的變化即可使傳感器的溫度變化1 ℃。在紅外體溫計射頻電磁場輻射抗擾度試驗中，試驗場強強度為3 V/m，只需在體溫計上耦合到mV級別的干擾信號，即可導(dǎo)致體溫計出現(xiàn)溫度顯示失靈現(xiàn)象，偏離技術(shù)要求的規(guī)定。針對熱電堆傳感器的高敏感性，分析了多款紅外體溫計輻射抗擾度試驗失敗原因，發(fā)現(xiàn)輻射抗擾度干擾信號主要通過紅外體溫計前端的金屬套筒，以及傳感器信號線和電源線進(jìn)入芯片，最終導(dǎo)致紅外體溫計測溫異常，具體原因分析如下：

圖4 熱電堆傳感器的電壓-溫度典型特性曲線

1）紅外體溫計前端的金屬套筒接收干擾。紅外體溫計傳感器前端帶金屬套筒，極易接收干擾。如圖5所示，由于金屬圓筒對于高頻信號容易形成渦流或諧振，從而接收幾百MHz以上的高頻干擾信號，進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，而這個電動勢充當(dāng)了騷擾源，可以直接通過傳感器的信號和電源線進(jìn)入后級電路，影響芯片的正常工作，從而容易導(dǎo)致紅外體溫計試驗不合格。

圖5 紅外體溫計傳感器前端帶金屬套筒

2） 傳感器與芯片之間的信號線和電源線直接接收干擾。如圖6紅外體溫計內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)所示，圈住的地方。線纜在高頻情況下容易充當(dāng)?shù)刃Ы邮仗炀€，從而接收干擾，最終流入芯片，導(dǎo)致錯誤顯示。

圖6 紅外體溫計內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)

3.2 整改對策

解決的方案可以從硬件、結(jié)構(gòu)、軟件方面考慮，硬件方面從濾波方面想辦法，結(jié)構(gòu)方面主要考慮屏蔽，軟件方面主要通過算法上做延時，抖動等方法把干擾信號濾除，提高精度。根據(jù)紅外體溫計輻射抗擾度試驗失敗原因，提供以下整改對策。

1）硬件電路處理對策。由于探頭非常敏感，需要增加抗干擾的措施，盡可能地減少干擾信號流入芯片。具體做法是探頭信號線輸入端增加磁珠濾除干擾信號，探頭的電源端增加磁珠及濾波電容，具體的電容和磁珠大小不能影響正常工作為宜，盡可能選大一點。如圖7紅外體溫計硬件電路所示，圈出的位置增加磁珠及濾波電容。

圖7 紅外體溫計硬件電路

2）內(nèi)部線纜處理對策。探頭至芯片的信號線和電源線上套磁環(huán)，如圖8所示，把流經(jīng)線纜的干擾電流轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉。

圖8 探頭至芯片的信號線和電源線上套磁環(huán)

3）結(jié)構(gòu)處理對策。外殼內(nèi)層噴導(dǎo)電銅漆，但要注意生產(chǎn)工藝問題，縫隙處理注意避免有漆外露，否則靜電容易不合格。

4）軟件處理對策。軟件濾波，消抖技術(shù)，需結(jié)合產(chǎn)品的實際情況進(jìn)行分析，從軟件的角度把干擾信號排除。

4 結(jié)論

紅外體溫計的電磁兼容問題主要集中在射頻電磁場輻射抗擾度試驗，因此，如何提高輻射抗干擾能力是紅外體溫計通過整個電磁兼容試驗的關(guān)鍵所在。本文分析了紅外體溫計射頻電磁場輻射抗擾度試驗失敗原因，從硬件、結(jié)構(gòu)等多角度提出了相關(guān)整改對策，從而為紅外體溫計通過輻射抗擾度試驗提供了思路，本文對檢驗機構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)等相關(guān)技術(shù)人員具有一定實際指導(dǎo)意義。