红外体温计的射频电磁场辐射抗扰度试验及整改对策

黄勇，卢哲，温宇标，樊翔，刘思胜，刘海

（广东省医疗器械质量监督检验所，广州 510663）

引言

2020年初，由于新型冠状病毒肺炎疫情爆发并蔓延，红外体温计被列入防疫应急的清单之中。新型冠状病毒感染者，体温一般要比正常体温高，研究表明，87.9%的新冠肺炎患者具有发烧的临床表现[1]。鉴于体温升高是新型冠状病毒肺炎感染者最普遍的临床症状，全民体温监测成为疫情防控的必要手段，所以越来越多的医疗器械企业投入到红外体温计的注册检验申请中，其中注册检验中包含了电磁兼容检测，且射频电磁场辐射抗扰度试验是红外体温计最难通过的电磁兼容试验项目之一，为提高红外体温计射频电磁场辐射抗扰度水平，帮助企业快速通过注册检验，本文针对射频电磁场对红外体温计的影响机理进行分析研究，并提出整改对策，提供了通过红外体温计射频电磁场辐射抗扰度试验的思路和方法。

1 红外体温计的基本工作原理

热辐射是物质处于热平衡状态下的辐射，一切温度高于绝对零度的物体都能产生辐射[2]，温度愈高，辐射出的总能量就愈大。人体表面温度可通过热辐射的形式辐射波长在9~10（um）的红外线，由于该波长范围内的红外线不被空气吸收[3]，红外体温计可通过内置的传感器探测人体表面辐射的红外线能量，便可准确的测出人体表面的温度。

红外体温计的结构组成主要包括温度传感器、转换电路、控制电路和输出显示部分组成，其结构框图如图1所示。人体发出的红外辐射经透镜、波导或其他可穿过红外的介质传输并聚焦至温度传感器，通过温度传感器将体温信号转化为电信号，该电信号经过转换电路和控制电路在输出显示部分末端显示体温数值[4]，从而达到了测量体温的目的。

图1 红外体温计结构框图

2 红外体温计辐射抗扰度试验模式选择及试验方法

红外体温计一般我们可以定义两种工作模式，正常工作模式和待机模式。正常工作模式就是体温计保持开机状态，操作按键进行温度测量，而待机模式就是体温计开机状态，不进行温度测量，屏幕正常显示，可以进行记录翻查。根据红外体温计的使用特点，设备为间断测量方式工作，一旦不操作按键，短时内会自动关机，因此相比待机模式，正常工作模式更符合标准中定义的对患者预期最不利的状态。故在待机模式下测试射频电磁场辐射抗扰度并无实际意义，从而选择对红外体温计的工作模式试验才更加符合标准对测试的要求。

根据射频电磁场辐射抗扰度试验标准YY 0505-2012和GB/T 17626.3-2016要求[5,6]，将红外体温计放置于80 cm高度的桌面，且放有红外体温计的桌面测试一侧必须满足1.5 m×1.5 m均匀场，场强强度为3 V/m，测试布置如图2所示，试验频率为80～2 500 MHz，扫描速度频率步长以频率范围内步进基频的1%递增，扫描驻留时间为3 s，试验调制采用80 %AM，1 kHz正弦波方式，分别在水平极化和垂直极化两个方向对红外体温计的前后左右四个面进行测试[7]。

图2 射频电磁场辐射抗扰度试验布置图

红外体温计在正常使用过程中是间断工作的，而辐射抗扰度试验是连续运行的，考虑到试验的高效性，要保证红外体温计在测试过程中连续测量，必须要使用人工或者其他外力持续按压红外体温计开关按钮。然而，由于辐射抗扰度试验时屏蔽室内有辐射骚扰场强，基于人身安全的考虑，人工进行操作的方法并非良策，故设计了一台自动按压设备来代替，基本结构如图3所示，通过控制伸缩支架和按压部分，实现持续频率可调的按压开关按钮动作，确保红外体温计始终保持在正常工作模式下试验。

图3 自动按压设备的基本结构图

3 红外体温计辐射抗扰度试验失败原因及整改对策

3.1 红外体温计辐射抗扰度试验失败原因分析

从红外体温计的基本工作原理上分析，红外体温计的电磁兼容主要关键元器件有温度传感器、主控芯片，显示屏和电源部分，但其核心敏感器件就是温度传感器，红外体温计的温度传感器主要是热电堆传感器，它的工作方式是基于塞贝克效应原理，采用硅基微加工工艺，在硅片支撑层上排布热电堆的若干个热电偶，这些热电偶串联起来，就构成热电堆芯片，传感器接收红外辐射时，热电堆芯片上各热电偶的电压叠加输出，从而将测试温度转变为电压信号[8]。研究表明，热电堆传感器的电压与温度呈正相关，具体电压与温度的典型特性曲线如图4所示。

通过图4可以看出2 mV的热电堆传感器的电压变化，对应温度就变化了20 ℃，根据图示曲线走势可以得出，0.1 mV的变化即可使传感器的温度变化1 ℃。在红外体温计射频电磁场辐射抗扰度试验中，试验场强强度为3 V/m，只需在体温计上耦合到mV级别的干扰信号，即可导致体温计出现温度显示失灵现象，偏离技术要求的规定。针对热电堆传感器的高敏感性，分析了多款红外体温计辐射抗扰度试验失败原因，发现辐射抗扰度干扰信号主要通过红外体温计前端的金属套筒，以及传感器信号线和电源线进入芯片，最终导致红外体温计测温异常，具体原因分析如下：

图4 热电堆传感器的电压-温度典型特性曲线

1）红外体温计前端的金属套筒接收干扰。红外体温计传感器前端带金属套筒，极易接收干扰。如图5所示，由于金属圆筒对于高频信号容易形成涡流或谐振，从而接收几百MHz以上的高频干扰信号，进而产生感应电动势，而这个电动势充当了骚扰源，可以直接通过传感器的信号和电源线进入后级电路，影响芯片的正常工作，从而容易导致红外体温计试验不合格。

图5 红外体温计传感器前端带金属套筒

2） 传感器与芯片之间的信号线和电源线直接接收干扰。如图6红外体温计内部电路结构所示，圈住的地方。线缆在高频情况下容易充当等效接收天线，从而接收干扰，最终流入芯片，导致错误显示。

图6 红外体温计内部电路结构

3.2 整改对策

解决的方案可以从硬件、结构、软件方面考虑，硬件方面从滤波方面想办法，结构方面主要考虑屏蔽，软件方面主要通过算法上做延时，抖动等方法把干扰信号滤除，提高精度。根据红外体温计辐射抗扰度试验失败原因，提供以下整改对策。

1）硬件电路处理对策。由于探头非常敏感，需要增加抗干扰的措施，尽可能地减少干扰信号流入芯片。具体做法是探头信号线输入端增加磁珠滤除干扰信号，探头的电源端增加磁珠及滤波电容，具体的电容和磁珠大小不能影响正常工作为宜，尽可能选大一点。如图7红外体温计硬件电路所示，圈出的位置增加磁珠及滤波电容。

图7 红外体温计硬件电路

2）内部线缆处理对策。探头至芯片的信号线和电源线上套磁环，如图8所示，把流经线缆的干扰电流转化为热能消耗掉。

图8 探头至芯片的信号线和电源线上套磁环

3）结构处理对策。外壳内层喷导电铜漆，但要注意生产工艺问题，缝隙处理注意避免有漆外露，否则静电容易不合格。

4）软件处理对策。软件滤波，消抖技术，需结合产品的实际情况进行分析，从软件的角度把干扰信号排除。

4 结论

红外体温计的电磁兼容问题主要集中在射频电磁场辐射抗扰度试验，因此，如何提高辐射抗干扰能力是红外体温计通过整个电磁兼容试验的关键所在。本文分析了红外体温计射频电磁场辐射抗扰度试验失败原因，从硬件、结构等多角度提出了相关整改对策，从而为红外体温计通过辐射抗扰度试验提供了思路，本文对检验机构和生产企业等相关技术人员具有一定实际指导意义。