科普丨帶你3分鐘了解紅外測溫儀

近期，新型冠狀病毒感染的肺炎疫情嚴(yán)峻，測量體溫成為防控疫情的必要手段。體溫測量設(shè)備主要分為接觸式和非接觸式，兩者最大的區(qū)別為是否接觸被測者的皮膚，非接觸式的主要有紅外額溫計、紅外耳溫計及紅外篩檢儀，均是利用物體熱輻射與物體溫度之間的關(guān)系來測量溫度。

而在這次疫情中人體紅外測溫儀因其非接觸、效率高、使用方便的特點在人流密集的各交通關(guān)口、醫(yī)院、住宅小區(qū)、企事業(yè)單位廣泛用。

要想知道紅外測溫儀為什么這樣神奇，首先還得從它的工作原理說起。

紅外熱成像儀的發(fā)展歷程

1800年，英國天文學(xué)家F.W.赫歇爾發(fā)現(xiàn)了紅外線。

上世紀(jì)70年代，熱成像系統(tǒng)和電荷耦合器件被成功應(yīng)用。

上世紀(jì)末，以焦平面陣列（FPA）為代表的紅外器件被成功應(yīng)用。

紅外技術(shù)的核心是紅外探測器，紅外探測器按其特點可分為四代：

第一代（1970s－80s）：主要是以單元、多元器件進行光機串/并掃描成像；

第二代（1990s－2000s）：是以4x288為代表的掃描型焦平面；

第三代：凝視型焦平面；

第四代：目前正在發(fā)展的以大面陣、高分辨率、多波段、智能靈巧型為主要特點的系統(tǒng)芯片，具有高性能數(shù)字信號處理功能，甚至具備單片多波段探測與識別能力。

目前非制冷焦平面探測器的主流技術(shù)為熱敏電阻式微輻射熱計，根據(jù)使用的熱敏電阻材料的不同可以分為氧化釩探測器和非晶硅探測器兩種。

非制冷焦平面陣列探測器的發(fā)展，其性能可以滿足部分的軍事用途和幾乎所有的民用領(lǐng)域，真正實現(xiàn)了小型化、低價格和高可靠性，成為紅外探測成像領(lǐng)域中極具前途和市場潛力的發(fā)展方向。

紅外熱成像儀的原理

在自然界中，一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量。根據(jù)基爾霍夫定律、普朗克定律、維恩公式這三大輻射定律，物體的紅外輻射能量的大小及其按波長的分布與其表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準(zhǔn)確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。

三大輻射定律均是以“黑體”作為研究對象分析得出的。黑體輻射定律以及發(fā)射率黑體是一種理想化的輻射體，它吸收所有波長的輻射能量，沒有能量的反射和透過，其表面的發(fā)射率為1。但是，自然界中并不存在真正的黑體，為了弄清和獲得紅外輻射分布規(guī)律，在理論研究中必須選擇合適的模型，這就是普朗克提出的體腔輻射的量子化振子模型，從而導(dǎo)出了普朗克黑體輻射的定律，即以波長表示的黑體光譜輻射度，這是一切紅外輻射理論的出發(fā)點，故稱黑體輻射定律。

所有實際物體的輻射量除依賴于輻射波長及物體的溫度之外，還與構(gòu)成物體的材料種類、制備方法、熱過程以及表面狀態(tài)和環(huán)境條件等因素有關(guān)。因此，為使黑體輻射定律適用于所有實際物體，必須引入1個與材料性質(zhì)及表面狀態(tài)有關(guān)的比例系數(shù)，即發(fā)射率。

該系數(shù)表示實際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，其值在0～＜1之間。根據(jù)輻射定律，只要知道了材料的發(fā)射率，就知道了任何物體的紅外輻射特性。

紅外熱成像儀的工作原理

紅外熱成像儀測量目標(biāo)的溫度時，首先是測量出目標(biāo)在其波段范圍內(nèi)的紅外輻射量，然后由測溫儀計算出被測目標(biāo)的溫度。紅外測溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量；紅外能量聚焦在光電探測器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號；該信號經(jīng)過放大器和信號處理電路，并按照儀器內(nèi)的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標(biāo)的溫度值或熱像圖。

這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應(yīng)，但實際被測目標(biāo)物體各部分紅外輻射的熱像分布圖由于信號非常弱，與可見光圖像相比，缺少層次和立體感，因此，在實際過程中為更有效地判斷被測目標(biāo)的紅外熱分場，常采用一些輔助措施來增加儀器的實用功能，如圖像亮度、對比度的控制，實標(biāo)校正，偽色彩描繪等高線和直方進行數(shù)學(xué)運算和處理等。

影響測量結(jié)果準(zhǔn)確性的各種因素

（1）測溫范圍

它是測溫儀最重要的一個性能指標(biāo)。每種型號的測溫儀都有自己特定的測溫范圍。一般來說，測溫范圍越窄，輸出信號分辨率越高，精度可靠性容易解決；測溫范圍過寬，會降低測溫精度。因此，使用者在選用測溫儀前一定要把被測溫度范圍考慮準(zhǔn)確、周全，既不要過窄，也不要過寬，使測溫儀的測溫范圍在能夠覆蓋被測溫度的前提下盡量小。

（2）目標(biāo)尺寸、測溫儀與測試目標(biāo)之間的距離

為了獲得精確的溫度讀數(shù)，測溫儀與測試目標(biāo)之間的距離必須在合適的范圍之內(nèi)。

（3）光學(xué)分辨率（距離系數(shù)D:S）

距離系數(shù)由D:S確定，即測溫儀探頭到目標(biāo)之間的距離D與被測目標(biāo)直徑S之比。光學(xué)分辨率越高，即D:S比值越大，測溫儀的成本也越高。如果測溫儀由于環(huán)境條件限制必須在遠離目標(biāo)之處使用，而又要測量小的目標(biāo)，就應(yīng)選擇高光學(xué)分辨率的測溫儀。

舉例：機器的距離系數(shù)比為8：1。當(dāng)被測目標(biāo)直徑為1cm時，則紅外測溫儀至被測目標(biāo)的最遠距離為8cm。如果在超過8cm的距離進行測試，則誤差會超過機器的允許范圍，導(dǎo)致測試結(jié)果無意義。

（4）目標(biāo)發(fā)射率

在紅外測溫儀接收來自目標(biāo)紅外輻射功率相同的情況下，因目標(biāo)的表面發(fā)射率不同，將會得到不同的檢測結(jié)果。因此要使用紅外測溫儀準(zhǔn)確地測量物體溫度，必須要知道被測目標(biāo)的發(fā)射率值,并調(diào)整紅外測溫儀的ε值,使之等于被測表面的發(fā)射率值，對所測量的溫度進行發(fā)射率修正。

日常生活中紅外熱成像儀的應(yīng)用及分類

常用的人體紅外測溫儀可分為紅外熱成像體溫快速篩檢儀和紅外體溫計兩類。

紅外熱成像體溫快速篩檢儀，可在人流密集的公共場所進行大面積監(jiān)測，自動跟蹤、報警高溫區(qū)域，與可見光視頻配合，快速找出并追蹤體溫較高的人員。當(dāng)紅外熱成像體溫快速篩檢儀集成人臉識別、手機探針等技術(shù)時，還能掌握體溫較高人員的更多信息。

紅外體溫計又可分為紅外耳溫計和紅外額溫計，紅外體溫計設(shè)備簡單、使用方便、價格實惠，應(yīng)用，可實現(xiàn)對人員的依次、快速測溫。

（紅外耳溫計）

（紅外額溫計）

紅外熱成像體溫快速篩檢儀利用紅外測溫技術(shù)對人體表面溫度進行非接觸式的快速測量，當(dāng)被測溫度達到或超過預(yù)設(shè)警示溫度值時進行警示的儀器。

紅外耳溫計是利用耳道和鼓膜與探測器間的紅外輻射交換測量體溫的儀器，測量的是人體耳部鼓膜部位。

紅外額溫計是利用皮膚與探測器間的紅外輻射交換和適當(dāng)?shù)陌l(fā)射率修正測量皮膚溫度的儀器。

通常在人體溫度37℃附近，紅外熱成像體溫快速篩檢儀的準(zhǔn)確度能達到±0.3℃，紅外體溫計能達到±0.2℃。目前，市面常見紅外測溫儀激光安全符合 FDA 二級標(biāo)準(zhǔn)，屬于 CLASS2 級低輸出激光類別，對人體無害，可以用于測試體溫，但需注意避免直射人眼。

新型冠狀病毒感染的肺炎疫情，牽動著全國人民的心。在這場全國總動員的“防疫戰(zhàn)”中，“防疫神器”紅外測溫儀是防疫人員手中的重要工具。全國紅外體溫檢測儀生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)復(fù)工復(fù)產(chǎn)，希望通過甘丹科技小編的對紅外測溫儀知識的分享，大家對紅外測溫儀有更多的了解。在疫情中保護好自己，眾志成城?共克時艱！