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測溫儀背後的故事——紅外探測器

儀器信息網 2020/03/18 14:34:58 点击 178 次

一場突如其來的新冠肺炎疫情,成爲了2020開年的頭等大事。全民防疫的舉措讓這場沒有硝煙的戰爭不再猝不及防。飛機場、火車站、公司、小區、超市等入口處都能見到防疫工作者的身影。他們是防疫先鋒,是公共健康的衛士,是居民區的守護者。而他們的必備神器之一——手持測溫儀,也進入了公衆的視野,廣爲人知。今天,我們就來聊一聊測溫儀的那些事。


受疫情影響,很多人在家辦公,出門不是去超市買菜,就是門口取快遞。當然,還有不少人在硬核上班。無論出入小區,還是車站進站,現階段都要經過體溫檢測。相信大家都有經曆過,防疫工作者手持測溫儀,對著額頭一掃,立刻就顯示你的體溫數據,非常方便。有很多人對這測溫儀都深感好奇,想知道它是怎麽工作的。也有人擔心它的准確性,擔心把自己體溫測高了。那麽,我們就從測溫儀的原理和精確度控制這兩點說起。


首先,大家都熟悉传统体温计测温的方法,而这种方法显然不适合用于传染性强的新型冠状病毒的防护工作。在这次防疫战中,小巧便携,无需身体接触的手持测温仪就成了急先锋。扫一扫,一秒之内测出体温的测温神器让人们眼前一亮;更令人印象深刻的,还有车站、机场等带有視頻的成像测温仪,后者能在快速行进的人流中,辨别每个人的体温,并用保存視頻成像。相信你肯定好奇过它们究竟是怎么做到的。接着,我们来一探究竟其中的科学原理。

火车站体温检测.jpg

[1] 地铁站检票口的体温监测站(圖片摘自人民网)


溫度和光

我們都知道,水銀體溫計能夠測人體的溫度,是水銀玻璃泡和人體接觸後,經過一段時間的熱量傳遞,最終與人體溫度達到一致的原理(熱平衡)。而測溫儀並沒有和人體接觸,爲何能如此快速采集溫度信息呢?

thermometer.jpg

[2] 水银温度计(圖片摘自百度网)


答案其實大家也是耳熟能詳,那就是---光!沒錯,就是我們所熟知的那個光!但是這個光,並不是人眼能看到的可見光,而是與可見光相鄰的紅外光,這裏需要科普一下,我們平時所說的可見光實際上是電磁波的一種,電磁波有連續的波譜分布,紅外光的波段在紅色光之外,因此得名紅外光。

溫度和光.jpg

再簡單提一下,除了可見光和紅外光,很多電磁波都與大家的生活息息相關,按波長由短到長,有醫院CT的X射線,防曬霜防的紫外線,太陽光,燈光,微波爐的微波,電台的射頻信號等等,都屬于電磁波。

电磁波.jpg

[3] 生活中的电磁波(圖片摘自NASA Science)


說到這裏,肯定有人表示,道理我都懂,但是紅外光跟人體溫度有什麽關聯呢?關聯是必然的,因爲人體發射的光,就是紅外光!沒說錯,人體是發光的,而且是無時無刻的在發光。複雜的原理就不贅述了,大家只要記住,任何溫度高于絕對零度(零下273.15攝氏度)的物體都會以電磁波的形式向外輻射能量,至于絕對零度(-273.15℃)的物體嘛,大家放心,那是不存在的!


紅外光和人體溫度的關系

那麽問題來了,既然每人每時每刻都在發射紅外光,儀器憑什麽就能辨別出正常溫度和高燒呢?還能准確讀出每個人的溫度?這裏,我們請一位大佬幫忙解答,他就是與愛因斯坦並稱20世紀最重要的兩大物理學家,量子力學奠基人之一的馬克斯·普朗克,他于1900年提出的普朗克黑體輻射定律,完美诠釋了溫度與輻射的關系。

图3.jpg

馬克斯·普朗克


简单来讲就是,不同温度的物体发射的光是不一样的,如下示意图, 四条不同的曲线,代表不同温度下黑体辐射的光谱分布,这里的K是热力学温度,数值等于摄氏度+273.15。大家可以看到,温度越高,黑体辐射光的强度就越大,峰值的位置就越靠近紫外区域。那么,答案就呼之欲出了,如果探测到了人体的辐射强度和波谱分布,就完全可以反推出温度T!这就是测温仪测体温的原理。(人体虽不是黑体,却也遵循普朗克定律)。

图4.jpg


利用紅外光探測人體溫度究竟准不准?

說完測溫儀原理的故事,我們再來說說怎麽確保每個測溫儀都能測得准。


上文中,細心的小夥伴發現,普朗克定律圖示並沒有想象中那麽簡單,圖中展示差異性的譜圖都相差了1000℃,人體怎麽可能差上1000℃呢?沒錯,我們人體的溫度平均值也就在36℃到37℃之間了,高過37℃的,抗疫期間怕是要去隔離觀察了。那麽關鍵點來了,相差幾攝氏度的人體輻射譜圖中,輻射強度和波譜的差異是非常小的,如何確保測溫儀能把握這細小的差異呢?


要知道,人体测温的准确性要求是比较高的,特别是在抗疫期间,正常的体温就是大家的通行证。这点上,咱们国家更是不含糊,对于此类测温装置也出台了相应的国家標准来规定精准度。那么,生产厂家是如何确保每台测温仪的准确性呢?下面就让我们来剖析测温仪,探究这里的科学原理。


測溫儀的"CPU"是什麽?

我們先從測溫儀的構成說起,可以看到下圖中,真正與紅外光直接相關的,便是紅外探測器,顧名思義,這正是測溫儀利用紅外測溫的核心元件,就好比CPU芯片是手機電腦的核心。而它的質量直接決定了測溫的准確性。那麽,如何判定紅外探測器的質量呢?

图5.jpg
[4] 额温枪(圖片摘自网络)


這就需要了解紅外探測器測紅外的細節。簡單來說,紅外探測器也是由材料構成,紅外探測器上的特殊光感材料可以接收外界的紅外輻射,並將其轉換爲電信號,再進行分析計算,最終給出溫度值。因此評價紅外探測器的好壞,就是評判其將光轉換爲電信號的能力。


在講紅外探測器的評價之前,我們插一句,火車站,機場中帶成像系統的測溫儀,采用的是更高端的焦平面陣列紅外探測器(FPA技術)。

图6.jpg
[5] 设置在火车站的带成像系统的测温仪(圖片摘自包头新闻网)


這類成像測溫儀就如同照相機或攝像儀,內部感光平面內,分布了很多像素點,焦平面上每一個像素點就是一個紅外探測器,這種技術具有二維空間分辨的能力,具備紅外成像功能,可以將發高燒的人從人群中辨別出來。


如何評價紅外探測器,確保其准確性?

一般來說,無論是采用單點紅外檢測器的耳溫槍還是FPA焦平面檢測器的紅外成像測溫儀都不需要極快的反應時間或極高的空間分辨率,甚至無需光譜分辨率。所以這類紅外檢測器的精確度通常是采用激光功率計或熱敏電阻等方法來評定的。


但是,類似原理的紅外探測器還有很多其他的應用領域,尤其是需要FPA焦平面檢測器的紅外成像儀已經被廣泛的應用于軍需夜視或熱追蹤系統、高速熱成像、質檢或産品研發(針對散熱或熱工特性)、醫療熱成像及紅外顯微鏡等諸多方面。這些應用領域對紅外檢測器件本身以及對由這些器件組成的測量儀器的性能都有更嚴苛的要求,比如,需要微秒甚至納秒級的超短反應時間,需要光譜信息用于化學成像,需要較高的空間分辨率以表征微小物品,需要較高的光譜分辨率,最佳的靈敏度和信噪比,甚至對FPA檢測器中每個像素點的均勻一致性都有要求。爲了研制和開發這些高端的紅外檢測器件,科學家們需要用到一種重要的表征方法---傅立葉紅外光譜法。實現該法的核心設備就是在科學研究、監測分析領域常見的傅立葉紅外光譜儀(簡稱FTIR紅外光譜儀)。

图12.jpg


FTIR紅外光譜儀——表征紅外探測器

FTIR红外光谱仪是专门应用于红外光谱研究相关的科学仪器,配有標准的红外光源,所发射的红外光经过干涉仪后,经过照射样品,最终到达红外探测器,解析探测器的电信号,并进行FT转换计算,即可得到包含能量强度和波谱分布的红外譜圖。科学家们就是把这种检测技术应用到了评价红外探测器材料好坏的研究中,在对光敏度、稳定性等等复杂的研究分析之后,才研发出适合于各种不同应用领域的红外探测器材料,进而工厂将其研究的材料转化为探测器并且大量生产而成为真正实用的商品(包括红外测温仪及其他更为复杂的尖端仪器),发挥了科学家研究的作用

图13.jpg


换言之,红外光谱仪对于探测器的表征研究,就好比是一把精准的卡尺,用它来检验每一根直尺的长度是否达到科学家们想要实现的標准

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傅立葉變換紅外光譜儀


以上就是測溫儀背後故事的小科普,相信大家對于最近很亮眼的測溫儀會有更進一步的了解,對紅外探測器精確度的控制以及紅外探測器的諸多應用領域也有了更深層次的認知。通過科學家們的努力,和我們生活息息相關的大型紅外成像測溫儀的准確度、檢測能力、檢測距離、檢出速度和檢測區域內的均勻性(即精准度)都會越來越好


所謂工欲善其事必先利其器,實際上並不是所有的紅外光譜儀都能做紅外探測器的研究與表征,能作爲標尺的設備,當然只有技術過硬,具備特殊技能紅外光譜儀才能實現!如果您對檢測器表征科研課題感興趣,可以閱讀布魯克的相關應用信息。如果您對紅外整體技術感興趣,長按下方二維碼填寫産品需求信息表,與我們取得聯系。


疫情期間,大家做好防護,注意安全。一起爲祖國加油!爲武漢加油!


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[來源:布魯克光譜]  
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  • 以前用便攜式測溫儀,真不覺得什麽,現在學習了
    03月24日 15:52:57
  • 以前也有同問,學習一下
    03月23日 12:25:53

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