李晓彤

关键词：普朗克黑体辐射;红外测温;耳温计;医疗;专利分析

一、红外测温优势

测量温度方法有接触测温法和非接触测温法。接触测温法是常用的测温方法，它主要应用热电元件、水银膨胀材料或者光纤材料等作为温度传感元件。它们的优点是结操作简单，结构简单，并且价格略低，但是接触测温法基于热平衡的方式实现温度测量，在测量温度的时候常常要与被测物体进行接触，接触的同时，也改变了被测物体的温度场分布，对测温有一定影响，除此之外，传感器不易测量动态物体温度，传感器与高温物体或者易腐蚀材料接触也会给传感器带来误差和影响。因此，接触测温法在使用时具有比较大的局限性。所以，在高温测量领域中，非接触测温法发挥着不可替代的作用。

非接触测温方法主要以辐射测温为主，同接触测温相比热辐射测温优势十分明显，热辐射测温法不干扰温度场，保证测量目标能量不流失，响应速度极快，可达到毫秒ms或微秒μs，可以测量高达3500℃的高温，可测量痕量物质的温度，同时在极为恶劣的环境下可进行测量。

二、耳温计的历史

1984年，世界上第一支耳温计由大卫？菲利普斯发明，大卫通过测量人体耳道和鼓膜的热辐射来测定人体温度，使体温测量更加方便快捷。后来美国研究者就把鼓膜温度作为核心温度的标准。近年来以此核心温度为标准，研发了一系列红外辐射式耳温计，耳温计通过其内部核心元件红外导波管，将人体主要由鼓膜发射出的红外辐射能传送到热电堆热电偶或者其他热释阵列元件等构成的热探测器，将红外辐射能量转换为电能后再转换成电信号就得到人体温度信息。1986年T.Shinozaki等团队第一次采用热电堆元件构成的探测器制造成了人体耳道式体温计，随后在美国问市。目前中国耳温计前几大制造商，欧姆龙（大连）有限公司，江苏鱼跃医疗设备股份有限公司，泰尔茂医疗产品（杭州）有限公司，广州市倍尔康医疗器械有限公司和深圳市华盛昌科技实业股份有限公司等。

三、耳温计的物理原理

耳温计利用经典物理学中量子力学、电动力学以及热力学统计物理学的普朗克黑体辐射定律，根据下面公式中热辐射体的辐射特性与热辐射体的温度之间的函数关系，测量热辐射体表观温度的辐射测温仪表。

任何物质只要它的温度处于绝对零度（-273.15°C / -459.8°F）以上时，由于物体内部带电粒子的无规则热运动，以及不同波长的电磁波形式向外辐射能量，波长范围包括紫外、可见和红外光谱部分，但辐射能量的光谱主要集中于 0.8um-15um 的红外光谱区域内。即物体都会根据其温度发射红外辐射，称为特征辐射。所有物体的红外辐射能量的大小按其波长的分布规律与物体表面温度存在非常密切的关系。

黑体辐射定律阐述了物体辐射能量与物体表面温度的关系，是辐射测温的理论依据。通常所说的黑体辐射定律一般包含三大定律，它们是：普朗克定律、维恩位移定律和斯特藩-波尔兹曼定律。

在物理学中，普朗克黑体辐射定律（也简称作普朗克定律或黑体辐射定律，英文：Planck's law，Blackbody radiation law）描述，考虑一个黑体，黑体的内壁不断地发射和吸收电磁波（辐射波），最后达到热平衡。设热辐射达到平衡时的温度为T，在任意温度T下，从一个黑体中发射出的电磁辐射的辐射率与频率彼此之间的关系。

电磁波波长与频率的关系为

普朗克定律的能量密度频谱表达形式：

单位频率在单位体积内的能量，单位是焦耳/（立方米·赫兹）。对于一个黑体的辐射场，此时的能量密度可由气体的热力学参数决定。

其中T为黑体的温度，h为普朗克常数，1为辐射率，e为自然对数的底数，k为玻尔兹曼常数。

四、耳温计的应用领域

耳温计由光学系统（探头）、探测器和信号处理单元及输出显示单元四部分组成。使用时，将红外耳温计探头插入人体耳道，通过测量鼓膜及耳道热辐射测量耳道温度，使用耳道温度表征人体温度。在医疗上也可以根据人体温度分布的统计规律，推定人体其他部位温度，如口腔、腋下、直肠以及一些黏膜组织温度等。耳温计主要应用在医疗和生活中。近些年来，耳温计在临床医疗领域中运用广泛，而且近乎渗透到每个科室，比如儿科临床医疗，呼吸科老年人住院体温测量，精神障碍患者日常体温测量，危重症患者体温测量等，这些都基于非接触测量自身的使用方便，快速准确的特点。

然而在生活生产中，耳温计也体现出独当一面的功能作用，比如，日常生活中，孕妇、婴孩、儿童以及老年人体温测试时，耳温计使用方便又安全。比如，疫情防控下，非接触红外测温就可以很好规避了接触带来的防疫风险，保证了人与人之间的安全距离和又避免了交叉感染。

五、耳温计专利的发展趋势

数据源自incopat数据库，检索策略为：tiabc=（耳温计or耳温+ or Radiation pyrome-try）or tiabc=（（耳温 and 测）or （Radiation pyrometry） ）or ic=G01J5 or cpc= G01J5，检索范围：全球，公开日在2000年以后的专利，分别得出全球公开-申请趋势图，全球申请人排名图，技术全球分布图，技术中国省市分布和中国申请人构成。

从全球耳温计专利技术分布上看，耳温计在医疗领域技术改进占比最大，其次是红外测温方面的技术更新和突破，同时随着物联网和智能医疗技术的革新，耳温计在计算存储、图像以及数据处理方面也有一些技术的改进。

六、总结

从全球专利量看，随着2010年芯片解放年，互联网概念和智能医疗的趋势，耳温计的技术和应用突飞猛进，直至受2020年疫情影响，耳温计的需求量极度增大。但是申请量和技术排名靠前的中國企业较少，同时，中国高校和科研单位的耳温计专利申请量有望提高。

希望我们国家在电子芯片创新和发展的带动下，耳温计技术有新的飞跃和提高，同时，希望高校和科研单位注重专利申请和知识产权保护，也注重热辐射测温技术多方面的研究和改进。在新的环境下，耳温计产品能与未来智能化、大数据、健康医疗、社区医疗等方面的多元化创新和突破。

参考文献：

[1]《量子力学》宋鹤山 大连理工大学出版社.

[2]《费曼物理学讲义》【美】费恩曼 莱顿 桑兹著 郑永令 华宏鸣 吴子仪等译 上海科学技术出版社.

[3]《热力学.统计物理》汪志诚 高等教育出版社.

[4]《红外热成像测温原理与技术》杨立 杨桢 科学出版社.

[5]《专利产业分析报告》杨铁军 知识产权出版社.