具有杂散辐射屏蔽的非接触式医用温度计

摘要

一种用于从物体的表面测量温度的非接触式红外(IR)温度计包括：IR辐射传感器，其被附接到加热元件；以及热屏蔽，其具有位于所述传感器的视场内的内表面，该内表面具有高发射率。控制所述加热元件的电子电路将所述传感器和屏蔽的温度保持为基本上接近物体的预期表面温度。所述IR辐射传感器被进一步热耦合到参考温度传感器。位于所述屏蔽前面的光学系统将来自所述物体的热辐射聚焦在所述传感器的表面上，同时所述屏蔽防止杂散辐射到达所述传感器。来自所述IR和参考传感器的信号被用于计算所述物体的表面温度。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请基于35U.S.C.§119(e)要求2008年10月23日提交的美国临时 专利申请61/197,023的优先权，通过引用将其全部内容并入本文中。

技术领域

本发明涉及用于测量温度的装置，更具体而言，涉及包含屏蔽以降低 杂散辐射的影响的用于医学应用的非接触式红外温度计。

背景技术

热辐射或红外(IR)温度计是能够在不物理接触测量物体的条件下测 量温度的装置。由此，这样的温度计通常被称为“非接触式”或“远距” 温度计。在IR温度计中，通过检测IR辐射的强度来获取物体的温度，该 IR辐射自然地发源于物体的表面。对于0到100℃的物体，这要求使用IR 传感器以检测具有约3到40微米的波长的辐射。典型地，该范围内的IR 辐射称为热辐射。

红外温度计的一个实例是“即时耳”医用温度计，其能够对人或动物 的耳道的鼓膜和周围组织进行非接触式温度测量。Fraden的美国专利 4,797,840(“840专利”)示例了即时耳温计，通过引用将其全部内容并 入本文中。其他实例包括如Kraus等人的美国专利6,789,936所示例的用 于测量表面皮肤温度(例如，前额的皮肤表面温度)的医用温度计，通过 引用将其全部内容并入本文中。

为了测量通过其IR辐射发射而测量物体的表面温度，通过常规的电 子电路检测IR辐射并将IR辐射转换成适合处理的电信号。由IR传感器 或探测器完成检测IR辐射的任务。

常规热IR传感器典型地包括具有红外透明窗口的外壳和至少一个感 测元件，所述感测元件响应于从物体表面发射而穿过IR传感器的IR窗口 的热辐射能量通量Φ。IR传感器用于产生电信号，该电信号代表在感测元 件与测量物体之间存在的净IR通量Φ。该电信号可以通过合适的数据处 理而与物体的温度相关，如例如下面进一步描述的。

热通量Φ是两个温度的函数：感测元件表面温度T_s和物体的表面温 度T_b(测量单位为开式温度)。理论上，已知热辐射由普朗克定律决定。 然而，对于可由IR温度计的光学系统确定的宽光谱范围，两个温度T_s、 T_b与通量Φ之间的关系由四阶抛物线近似。在物理学上，该近似称为斯蒂 芬-玻尔兹曼(Stefan-Boltzmann)定律：

$\Phi ={\mathrm{kϵ}}_b{ϵ}_s\sigma (T_b^4-T_s^4)---\left(1\right)$

其中ε_b和ε_s分别是物体和感测元件的表面发射率，σ是斯蒂芬-玻尔兹曼常 数，k是可由在IR温度计的校准期间的测量确定的光学常数。

对于真实物体的温度T_b与传感器温度T_s之间的相对小的差异，式(1) 可以简化为：

$\Phi \approx {4\mathrm{kϵ}}_b{ϵ}_s\sigma T_s^3(T_b-T_s)---\left(2\right)$

IR温度计的最终目的是确定物体的表面温度(T_b)，该温度可由倒转 的式2计算为T_bc：

$T_{\mathrm{bc}}=T_s+\frac{\Phi }{{4\mathrm{kϵ}}_b{ϵ}_s\sigma T_s^3}---\left(3\right)$

理想情况下，计算出的温度T_bc应等于真实温度T_b。实际上，这些温 度由于误差而可能不同。从式(3)可以看出，为了计算温度T_bc，需要确 定两个值：IR通量Φ的量值和IR感测元件的表面温度T_s。温度计算的精 度取决于在式(3)右侧的所有变量的测量精度。可以通过本领域公知的多 种技术，例如，通过采用热敏温度计(thermistor)或RTD温度传感器， 相当精确地测量第一被加数T_s。特别地由于物体的发射率ε_b的通常未知的 且不可预测的值，第二被加数更成问题。例如，在医用温度测量法中，发 射率ε_b是由皮肤特性和形状限定的皮肤发射率。该皮肤发射率的范围可以 为例如0.93到0.99。为了确定发射率如何影响精度，式(2)的偏导数可 被计算为：

$\frac{\partial \Phi }{{\partial ϵ}_b}={4\mathrm{kϵ}}_s{\mathrm{\sigma T}}_s^3(T_b-T_s)---\left(4\right)$

偏导数代表由未知的物体发射率ε_b引起的测量误差。式(4)表明当 传感器的温度T_s趋近于物体的温度T_b时，即，T_s≈T_b时，误差实质上趋近 于零。由此，为了使误差最小化，希望IR传感器的温度T_s实际上接近物 体的温度T_b。举例来说，耳温计，例如，Fraden的美国专利5,645,349教 导了一种用于使温度T_s和T_b接近的加热感测元件，授权给Kraus等人的 美国专利7,014,358备选地教导了一种用于使IR传感器外壳温热的加热元 件。通过引用将美国专利5,645,349和美国专利7,014,358的全部内容都并 入本文中。

当从表面测量温度时，重要的是将相关的IR辐射通量Φ仅仅从所测 量的表面而不从在光学系统的视场中出现的任何杂散物体引导到IR传感 器。来自杂散物体的IR辐射改变所测量的通量，从而引起误差。

将从杂散物体采集通量的机会最小化的一种方法是使IR温度计的光 学视场变窄。Nomura等人的美国专利5,172,978(包括透镜筒的辐射温度 计，该透镜筒在一端安装有聚光透镜且在另一端安装有IR探测器)和 Ridley等人的美国专利5,655,838(具有多元件聚焦透镜、眼片(eye piece)、 分束器和IR探测器的辐射温度计)示例了使用IR透镜以使光学视场变窄 的一种方法，通过引用将其全部内容并入本文中。

用于将从杂散物体采集通量的机会最小化的另一种方法采用曲面镜来 使视场变窄。Everest等人的美国专利4,494,881示例了该方法，通过引用 将其全部内容并入本文中。

这些方法成功地解决了消除来自周围物体的杂散IR信号的问题，但 在进一步防止来自围绕IR传感器的IR温度计的内部部件的杂散辐射方面 仍是低效的。通过限制光学视场的努力并不影响杂散辐射的该来源。发展 具有这样的IR传感器的IR温度计将是非常有益的，该IR传感器不受来 自围绕IR传感器的IR温度计的内部部件的杂散辐射的影响。

发明内容

根据本发明的非接触式红外(IR)温度计包括：IR辐射传感器，其被 热耦合到加热元件；以及热屏蔽，其具有位于所述传感器的视场内的内表 面，该内表面具有高发射率。控制所述加热元件的电子电路将所述传感器 和屏蔽的温度保持为基本上接近物体的预期表面温度。所述IR辐射传感 器被进一步热耦合到参考温度传感器。位于所述屏蔽前面的光学系统将来 自所述物体的热辐射聚焦在所述传感器的表面上，同时所述屏蔽防止杂散 辐射从温度计部分到达所述传感器。来自所述IR和参考温度传感器的信 号被用于计算所述物体的表面温度。

所述热屏蔽被配置为部分地通过将所述热辐射传感器和所述热屏蔽的 温度保持为基本上相等而减少从位于所述热辐射传感器的视场内的所述内 表面发射的杂散热产生。此外，所述内表面可被处理为不反射IR辐射(例 如，通过用具有0.9或更高的发射率的有机涂料涂覆该表面)。

所述光学系统优选包括透镜。备选地，所述光学系统优选包括曲面镜。

所述温度计还可包括闸，该闸可移动以将所述热屏蔽的所述内表面和 热辐射传感器屏蔽为免受从该屏蔽外面发射的热辐射(例如，从物体发射 的热辐射)。当被屏蔽时，为了校准所述传感器，可获得所述热辐射传感 器的基线输出。在包括所述曲面镜的所述温度计中，所述曲面镜优选可旋 转配置为可移动闸。

所述温度计还优选具有照明器以照明所述物体的表面上的所述热辐射 传感器的视场的至少一部分。在包括所述曲面镜的所述温度计中，所述照 明器优选朝向所述物体的表面投射离开所述曲面镜的辅助表面的光束。

附图说明

通过对本发明的示例性实施例的以下详细描述和附图，本发明的上述 和其他特征将更加显而易见，在附图中：

图1提供了根据本发明的实施例的IR温度计的截面视图；

图2示出了根据本发明的另一实施例的IR温度计的光学部分；

图3提供了根据本发明的另一实施例的传感器屏蔽的示意图；

图4示出了根据本发明的实施例的与远距温度计的光学部分相结合的 闸设置；

图5示出了根据本发明的实施例的另一闸设置；

图6示出了根据本发明的实施例的IR温度计的光学部分中包括的斜 反射镜；

图7示出了可利用图6的斜反射镜操作的照明器；

图8示出了具有在温度计外壳的外表面上设置的照明器的根据本发明 的IR温度计的示意图；以及

图9提供了具有聚焦透镜的根据本发明IR温度计的传感器的截面视 图。

在附图种使用相似的参考标号表示温度计的相似部件。

具体实施方式

公开了一种IR温度计，其包括具有被传感器的视场覆盖的表面的热 屏蔽。该表面优选包括高发射率涂层，该涂层使来自屏蔽的杂散辐射最小 化。为了示例本发明的原理的目的，下面描述IR温度计和热屏蔽的几个 非限制性实施例。相应地，本发明仅仅受到权利要求的范围及其等价物的 限制。

图1示出了远距温度计的示意性截面视图。图1的温度计包括外壳3， 该外壳3容纳有红外传感器7、将进一步在本文中描述的几个光学部件、 具有电子电路14的电路板13、电源17、控制按钮15和显示器16。所述 光学部件包括容许IR辐射进入传感器7中的孔9、透镜5和热屏蔽10。 传感器7还优选包含靠近孔9的光学滤波器(未示出)。传感器7位于热 屏蔽10内部并热耦合到热屏蔽10，该热屏蔽10在操作期间与传感器7热 平衡。

如图1中进一步示出的，传感器7包含IR感测元件8，IR感测元件8 热耦合到参考温度传感器30。加热元件12热耦合到热屏蔽10且热耦合到 传感器7及其包括感测元件8和参考传感器30的全部内部部件。以该方式， 这些部件可以彼此热平衡。聚焦透镜5被设置为靠近外壳3的IR辐射接 收开口4，并被配置为会聚来自物体1的视场2的近似平行的IR射线18 以导引至孔9，以便IR射线18被聚焦在感测元件8上并被感测元件8所 吸收。

图1的按钮15被致动以通过激活电路14而处理从感测元件8和参考 传感器7接收到的数据来启动对物体1的温度测量。电路14还用于根据预 定算法(例如，比例-积分-微分(PID)修正算法)控制向加热元件12供 应的能量，并用于根据所处理的数据向显示器提供输出以指示出所测量的 温度。电路14包括放大器、乘法器、具有显示驱动器的微控制器和控制供 给加热元件12的电流的输出晶体管。电路14为在由“840专利”示例的 现有技术中公知的设计。

热屏蔽10的内表面11被配置为在感测元件8的视场中。热屏蔽10 优选使用具有良好热导率的金属(例如铜或铝)制造，并优选包括用热吸 收(非反射性)涂层19涂覆的内表面11，该涂层19例如为具有大于0.9 的发射率的有机涂料，例如KRYLON。屏蔽10的外表面可被绝热层(未 示出)覆盖，和/或被制造为在IR光谱范围内是反射性的。绝热层可以为 聚氨酯泡沫，并且可通过抛光屏蔽10的外表面而获得反射特性。屏蔽10 具有的尺寸基本上防止来自外壳3的内表面6的任何杂散辐射到达孔9。 结果，仅仅通过聚焦光学器件(透镜5)的IR射线18和从屏蔽10的内表 面11发射的IR射线能够到达感测元件8。

本发明的优选实施例如下操作。IR射线18从物体1的表面(例如， 人皮肤表面)自然地发射IR射线18。通过聚焦光学器件(透镜5)接收 IR射线18。在透镜5的焦点处或附近设置感测元件8。结果，从视场2朝 向透镜5辐射的热IR能量的大部分被聚焦在感测元件8上，该感测元件8 将热IR通量转换成电信号。为了计算视场2中的表面的表面温度(例如， 使用式(3)或其近似或变型)，还必须测量参考温度(感测元件8的温度)。 这可通过被热耦合到IR感测元件8的参考传感器30而完成。使感测元件 与参考传感器耦合的这种设置是本领域公知的。

此外，根据本发明，热屏蔽10被提供并配置为以这样的方式包围从视 场2辐射的IR射线18，以便基本上防止任何杂散射线到达感测元件8。

为了进一步改善测量精度，优选将感测元件8的温度控制为基本上等 于视场2内的物体1的预期表面温度。例如，如果物体1为人前额，对于 包括健康的和发热的患者的组，其表面温度范围为31到38℃。在该情况 下，加热元件12的温度优选被设定在34-35℃附近。为了达到并保持该温 度，参考传感器30监视感测元件8的温度并向电路14提供反馈，该电路 14又向加热元件12提供能量。实际上，该设置可恒温地操作。此外，热 屏蔽10优选保持在相同的控制温度下或附近，该控制温度显著不同于外壳 3和内表面6的温度。

通过将屏蔽10的内表面11的温度保持为接近感测元件8的温度，根 据式(2)，从表面11朝向感测元件8发射很少或不发射IR辐射。结果， 热屏蔽10有效地变为对感测元件8热学地“不可见”。

透镜5可由任何合适的IR透射性材料(例如，锗、硅和硒化锌)制 成。优选用针对从4到15微米波长的光谱范围的IR抗反射涂层涂覆透镜 5的表面。这样的涂层在本领域中公知并且通常包括在真空中沉积在透镜 两侧上的金属氮化物的薄的多个层(5-40nm)，该金属氮化物为例如氮化 钛、氮化铌和其他氮化物。在低成本应用中，例如，透镜5可以为由具有 范围为0.2到0.6nm的厚度的高密度聚乙烯(HDPE)片模制而成的菲涅 尔透镜。

替代图1中所示的配置，透镜5可被安装在屏蔽10的内侧或被构造到 IR传感器7的外壳中，如图9中所示。在图9中，传感器7的内部空间 56容纳有被热耦合到参考温度传感器30的至少一个IR感测元件8。感测 元件8被设置在透镜55(被示例为菲涅尔透镜)的焦点处或附近，该透镜 55被包含在传感器7的前端中。

在本发明的另一实施例中，以聚焦反射镜(mirror)20的形式提供聚 焦光学器件，如图2所示。如图2所示的反射镜20具有以光轴22为基准 定位的抛物面反射表面23，以便IR射线18的反射被再次导引朝向孔9。 感测元件8被设置在反射镜20的焦点处或附近。优选在IR射线18的路 径中在反射镜20的前面采用保护性窗口21。该窗口可由在IR光谱范围内 具有相对高的透明度的合适材料(例如，HDPE、硅等等)制成。为了更 好的反射率，可以用金、铝或其他合适的IR反射金属涂覆反射镜表面23。 如在图1中，热屏蔽10被配置为处于感测元件8的视场中，并且热屏蔽 10具有的尺寸基本上防止了来自外壳3内部的任何杂散辐射到达孔9。

在图2中，加热元件12被夹在传感器7与热屏蔽10之间。这样的加 热元件12可被制造为由具有嵌入的铜导体的聚酰亚胺制成的挠性膜的形 式。备选地，加热元件12可以位于该组件上的另一位置，只要保持组件的 良好热耦合即可。例如，在图3中，加热元件12包括两个电阻器25、125， 这两个电阻器被热耦合到热屏蔽10并被夹持到其外壁，例如，通过为了清 楚起见而由虚线示出的收缩管28而进行夹持。这些电阻器通过线27而互 连，并通过端子26和126而连接到电路板13。电阻器25、125可以以备 选的数目(例如，仅仅一个电阻器或围绕热屏蔽10沿圆周分布的四个电阻 器)设置，并且可被设置为包括分立的电阻器、膜电阻器或印刷电阻器的 各种形式。

为了精确的温度测量，希望建立IR感测元件8响应的热基线。在没 有来自任何外部物体的IR通量达到感测元件8的条件下建立该基线。这 可以通过多种方法完成。一种优选的方法包括使用闸31，如图4所示。

为了建立基线，闸31被设置在第一位置34中，该第一位置34基本上 阻止了外部IR射线进入热屏蔽10的内部空间37而到达传感器7。用在IR 光谱范围内高度反射(即，具有不小于0.9的反射率)的铝或金涂覆面对 内部空间37的表面32。在从为该配置而进行的温度测量建立感测元件8 的基线输出之后且在将进行对物体1的温度测量时，闸31沿方向36移动 到偏离IR射线的路径的第二位置35。该动作打开了空间37以允许来自物 体的视场2的外部IR辐射到达传感器7。在完成对物体1的温度测量之后， 闸37返回到作为第一位置34的封闭位置。闸37优选通过闸机构33而移 动，由按钮15或电路14的操作而控制该闸机构33。这样的闸机构在本领 域中公知(参见例如“专利840”)。作为图4的配置的备选，闸31可位 于例如如图5所示的屏蔽10的侧壁中切出的狭缝38内以沿着方向39移动。

本发明的备选实施例中，可以如图6中所示通过使用可旋转的斜反射 镜20建立感测元件8的基线。在第一位置41中，反射镜20沿方向42旋 转以光学地封闭热屏蔽10的内部空间。在该位置中，基本上没有IR射线 可到达传感器7。当进行对物体1的温度测量时，反射镜20旋转到第二位 置40(为了清楚起见由虚线示出)，该第二位置40允许IR射线从窗口 21进入并到达IR感测元件8。在测量之后，反射镜20返回到第一位置41。 用于实现反射镜旋转的机构可以为由电子电路14控制的常规设计，在本文 中不对其进行进一步的描述。

为了更好地识别视场2，优选照明将被测量温度的区域。实现这一点 的一种方法示于图7中。在邻近反射镜20的屏蔽10的外侧设置光源44(例 如，灯泡、LED或激光二极管)。以一角度设置反射镜20的表面45，以 反射来自光源44的光，从而在反射镜20处于第一位置41时通过窗口21 形成朝向视场2的光束43。光束43被对准以照明视场2的相同部分，当 反射镜旋转到第二位置40时将从该部分测量温度。那时，光源44优选停 止照明。

在图8中图示了照明视场2的备选方法。这里，邻近IR窗口21在外 壳3上从外部设置照明器50(例如，窄束LED)。由照明器50产生的束 51被导引向视场2，并且与视场2几乎重叠而形成照明斑52。

在计算用于视场2的表面温度的值之后，优选直接在显示器16上显示 该值，和/或将该值用作进一步的数据处理的输入。在医用温度测量法中的 进一步的数据处理的实例为通过本领域中公知的常规算法从皮肤温度计算 患者的内部(中心)温度，然后可在显示器16上显示该内部温度。

参考图8，根据本发明的示例性温度测量方法例如包含以下步骤：

1.升高加热元件12的温度以将红外传感器7的温度基本上保持在约 34℃的恒定水平。热屏蔽10确保仅仅从聚焦器件接收热辐射。

2.打开光源44，将光束51导引向物体1的视场2。

3.操作按钮15以启动测量循环。

4.关闭加热元件12，以防止其干扰热辐射测量过程。

5.在电路14中处理由感测元件8和参考传感器30提供的信号，以计 算物体的表面温度。

6.在显示器16处提供计算出的表面温度。

虽然已参考其多个优选实施例特别地示出和描述了本发明，但本领域 技术人员将理解，可以在此在不偏离本发明的精神和范围的情况下进行形 式上和细节上的各种修改。相应地，本发明仅仅受到权利要求的范围及其 等价物的限制。