107 一种新的皮肤温度测量方法

一种新的皮肤温度测量方法

上海交通大学彭友辉连之伟

摘要在人体热舒适研究中皮肤温度是一个十分重要的生理指标量，它的测量准确度对研究有显著影响。皮肤温度接触式测量的两大主要误差来自于温度传感器及其与皮肤接触所造成的影响。针对这两个主要问题，本文通过对皮肤温度测量特性的理论分析提出了一种新的皮肤温度接触式测试方法，设计采用了一种薄膜铂电阻测皮肤温度传感器，并通过传热分析和高精度标定来尽量减少这两项误差，最后的综合测量误差可以控制在0.23℃以内。

关键词热舒适皮肤温度测量薄膜铂电阻

皮肤表面温度是人体和周围环境之间进行热交换所形成的生理状态值，它与体感温度有较好的相互关系，同时它也是评价环境温热的重要指标之一，在医学上的生理研究和病理检测，以及人体工程学研究上有较大应用，尤其在热舒适研究领域被作为一个关键生理指标而加以研究。目前的热舒适评价主要基于房格尔（Fanger P.O）预测平均投票率-预测不满意率（PMV-PPD）热舒适理论，它是建立在以平均皮肤温度等参数为输入的人体热平衡方程的基础条件之上的[1]。用房格尔热舒适理论评价热舒适状态一般采用的平均皮肤温度理论估算值，但实验研究表明通过真实的平均皮肤温度测量值可以显著提高评价准确性[2]。另一方面，热舒适客观评价指标研究认为直接通过以皮肤温度为主的人体生理参数来反映热舒适状态更直接更准确，并已有实验证明平均皮肤温度在特定热环境和人员活动情况下可以直接反应人体热舒适状况[3-5]。可以看出皮肤温度在热舒适研究中地位日益突出，可是目前的热舒适实验中皮肤温度的准确测量一直是一个难题。因此，本文拟通过对皮肤温度测量特性的理论分析和模拟计算提出一种精度更高的测试方法。

1 现有皮肤温度测量方法

目前的皮肤温度测量方法大致上分为两类：一类是接触性皮肤测温，测温时都必须将其传感器贴伏于人体表面各待测部位，如常用的热电偶测皮温方法；另一类，称之为非接触性皮肤测温，测温时无需与人体接触，仅通过接受人体的红外辐射或微波辐射来测定皮温，如微波热像仪和红外热像仪等。非接触皮肤侧温仪器对皮温的产生过程不产生任何影响，最高精度可达到±0.1℃，而且可以结合成像技术显示人体温度分布图，本应该是理想的高精度测量手段。但是它在热舒适实验中存在以下几点问题，首先准确测量必须建立在获得准确的皮肤发射率基础上，这在热舒适实验中很难实现；其次热舒适实验中受试者的着装会覆盖一些部位的皮肤无法测量表面温度，以及在动态热舒适实验中还存在动态性不理想等问题，这些问题导致非接触性皮肤温度测试方法在热舒适实验中一般只作为辅助方法采用，而普遍采用接触性皮肤测温方法。

接触性皮肤测温方法是通过传感器与皮肤的直接接触来达到热平衡后传感器温度示数来反映皮肤温度。这种测温方法的精度取决于传感器温度读数与未接触传感器前皮肤温度的差值。因为接触法有较高的测量精度和动态性能，且成本较低，所以在热舒适实验中广泛采用。实验中，一般通过透气性医用胶带把多个温度传感器粘帖在各部位皮肤上，根据不同研究需要每位受试者布置测点数有21点、17点、14点等[3,7-9]，再通过各部分皮肤温度取权重系数算得平均皮肤温度。在之前的实验中，常采用热电偶作为测皮肤温度传感器，热电偶可选用K型、E型、T型，偶丝的截面积一般小于0.5mm2。为了提高测量精度减小热电偶偶丝导热对测温的影响还可以采用热电偶测量端与导热性能良好的集热片(一般采

用铜片)焊在一起，然后再与表面接触，集热片厚度一般为0.15～0.3mm的铜片。这种表面测温传感器的特点是用热电偶焊接集热片前后，其性能基本相同。热电偶焊接前后，热-电特性变化小于1℃，响应时间方面非常接近。但是热电偶作为皮肤温度测量传感器仍存在以下缺点：

1）受热电偶本身性能制约，稳定性较差，精度较低；

2）如果不焊接集热片，热电偶偶丝导热损失会产生较大误差。如果焊接集热片又会带来焊接工艺对表面测温准确性带来的较大影响，以及铜片热阻的影响；

3）Guadagni[10]实验中观察到当热敏电阻直接暴露测量恒温壁面时受空气温度波动的影响测温结果产生较大浮动。如果不在空气和热电偶之间设置适当的热阻周围热环境的温度浮动对热电偶测温结果的影响也是存在。同时，如果设置了过大的热阻势必又会对皮肤正常的散热产生影响，因此空气和传感器之间存在一个最佳的热阻值，如果不考虑势必导致较大的误差。

2 新的皮肤温度测量方法的提出

针对热电偶皮肤温度测量中存在的问题，本文提出了一种新的皮肤温度测量方法，它主要是由薄膜铂电阻温度传感器组成。

2.1 新型温度计的组成和结构

（1）薄膜铂电阻（Pt1000）传感器

薄膜铂电阻在表面温度测量领域由于其具有和表面铂热电阻同样好的稳定性和快速响应时间以及对被测物体的温场影响更小和越来越廉价等优点，应用越来越广泛。在提高皮肤温度测量精度方面的两个突出优点是：1）准确度高，标定前A级精度产品在皮肤温度范围误差小于0.25°C；2）由于薄膜铂电阻的尺寸极小，可近乎―点‖的温度测量。因此，新皮肤温度测量温度计采用A级精度薄膜铂电阻（Pt1000）作为皮肤表面温度测量温度计的传感器，它采用由一层传感铂箔淀积于瓷模表面而形成，尺寸为2.08×1.32×0.36mm。

（2）温度计结构

新皮肤温度测量温度计结构如图1所示，它主要由薄膜铂电阻、聚酰亚胺基板、外接导线组成。薄膜铂电阻被焊接在聚酰亚胺基板上，通过基板上的电镀导线与外接引线间接连接。为了测量过程中防止汗水等整个温度计外部涂抹一层普通绝缘胶。使用中，通过透气性好（对皮肤潜热散热影响很小）的医用胶带把薄膜铂电阻温度传感器粘帖在皮肤上，保证接触良好，不脱离皮肤。

图1 新皮肤温度测量温度计结构示意图

1 薄膜铂电阻2聚酰亚胺基板 3 电镀导线 4 电极 5 外接引线

2.2 优点

这种新温度计结构上具有以下优点：1）在结构上增加基板可以防止传感器与引线连接处的损害；2）通过电镀导线间接连接外接导线，从引线的导热损失造成的误差可以忽略；3）在皮肤温度测量时，温度计的基板表面贴紧皮肤，厚度为0.36mm的薄膜铂电阻完全陷入皮肤内与皮肤形成良好接触，与皮肤之间的接触压力易于控制；4）基板作为传感器与空气之间的热阻可以防止外接热环境的影响。

3误差分析

对这种新的皮肤温度测量温度计皮肤温度测量特性进行分析发现测量过程中存在的测量误差来源可概括为两方面：1）传热误差，测量中粘帖温度计直接接触皮肤会阻碍皮肤正常散热对原有皮肤温度场产生影响，以及如果薄膜铂电阻传感器与周围空气热环境之间热阻不够时可能受空气温度影响；2）检定误差，温度计本身存在一定测量误差。前者可以通过传热分析来分析起误差，后者可以通过检定来估计误差大小。

3.1 传热误差分析

为了使薄膜铂电阻传感器在皮肤温度测量过程中不受到周围热环境的影响，必须在传感器和空气之间设置足够的热阻，在确定了基板材料和胶带粘帖方式后主要是选择合适基板的厚度。但是这样又不可避免的造成原有皮肤温度场的破坏，因此下面通过建立一个稳态传热模型来找出一个合适的基板厚度，既可以隔断周围空气对皮肤温度测量的结果，同时对原有温度场影响又最小。皮肤、温度计和空气之间的传热示意图见图2。

图2 传热分析示意图

考虑到模型的研究目的不是研究皮肤表面和皮肤组织温度的准确分布，稳态传热模型做了如下简化和假设：

1）在中性热环境下人体主要通过血管收缩来控制与环境之间的热交换，这个过程可以被看作绝热层的厚度改变而导致皮肤组织纵向温度梯度的改变[10]。因此模型假设皮肤是一块平板，一面暴露在空气中，另一面输入一个恒热流作为人体皮肤散热量。分析发现粘帖温度计不会对50×50mm以外周围皮肤温度产生显著影响，皮肤平板取50×50mm尺寸。

2）皮肤由表皮、真皮和皮下组织组成[11]。表皮层厚度一般为80×10-6m在模型中忽略。另外，研究表明皮肤表面温度主要受皮肤组织10mm以下的传热影响，其次是10mm皮肤组织内与血管间的换热，而受浅表皮肤内代谢影响很小[12,13]。因此，模型只考虑真皮层（平均厚度为2mm）。假设皮肤散热量全部从皮下组织传入，真皮层内只有热传导，无与血管的热交换和代谢产热。当温度计被粘帖在皮肤上时，接触面积非常小对人体的体温调节几乎不产生影响，因此散热量可以看成恒定。

3）皮肤和空气之间以及基板与空气之间的热交换被简化到一个综合换热系数；

4）皮肤组织密度ρ，比热容C和热传导系数K均设为常数；

5）忽略了薄膜铂电阻对皮肤的压力影响以及各表面间的接触热阻。检定电流为0.5mA，而且测量时间