红外测温这些事(热成像科普系列第一篇)

红外测温这些事(热成像科普系列第一篇)

新型冠状病毒引起的疫情,牵动着万千人的心。

防疫抗疫之战从未停止,自疫情爆发以来,每个人出门都是一次挑战,全副武装,考验重重。每次进出小区都感觉自己是天台上的刘德华,小区保安会拿出额温枪对准你的额头,坚定地问出那三个直击灵魂深处的终极哲学问题——你是谁?你从哪里来?你要到哪里去?

电影《无间道》

记得多年前,我们测体温的方法是将温度计塞到腋下,老老实实夹够五分钟再读数。而现在衍生出各种各样的测温方式,有额温枪、门禁测温、热成像相机。

现在的测温方式

但随之而来的,却是越来越多的质疑:它真的测的准确吗?为什么我测出的温度只有30度?我只出去了五分钟,怎么就突然涨了3度?

对这些问题,小编心里也充满了疑惑。作为新时代求知若渴的有志青年,当然不甘于只是作为被测温的对象。在我们工程师同学一遍一遍苦口婆心的讲解下,总算理清了其中的玄机。下面,我们就先来说说红外测温这些事。

现代所有的科技产物,都不能脱离底层的物理学原理。构建起红外测温的底层理论有哪些呢?离不开几位杰出的物理学家——基尔霍夫、斯特藩、玻尔兹曼、维恩、普朗克的贡献。接下来,我们尽量用不带公式的方式讲讲相关的理论。

物理学家基尔霍夫、斯特藩、玻尔兹曼、维恩、普朗克(年轻时最帅的)

一切物质的分子都包含带电粒子,分子的热运动导致物体不断向外发射电磁波,我们称它为热辐射,一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射。

1859年,基尔霍夫做了用灯焰烧灼食盐的实验。在对这一实验现象的研究过程中,得出了关于热辐射的定律,后被称为基尔霍夫定律(Kirchoff's law)。

这个定律是这么说的:在热平衡状态的物体所辐射的能量与吸收率之比与物体本身物性无关,只与波长和温度有关

这里还有一个关键概念:黑体

任何物体在发出辐射能的同时,也不断吸收周围物体发来的辐射能。一物体辐射出的能量与吸收的能量之差,就是它传递出去的净能量。当到达该物体表面的热辐射的能量完全被吸收,此物体称为绝对黑体,简称黑体。

绝对黑体能完全吸收到达其表面的热辐射的能量

按照基尔霍夫辐射定律,在一定温度下,黑体必然是辐射本领最大的物体。

1879年,斯特藩根据实验曲线总结出一个定律:黑体的辐射出射度与黑体的绝对温度四次方成正比。1894年玻尔兹曼从理论上证明了该结论,称为斯特藩-玻尔兹曼定律。

八卦一段:这里的玻尔兹曼不是别人,正是最早从科学理论上阐述原子概念的人,不过在那个时代,大家普遍不相信原子论,所以玻尔兹曼有一大批学术上的反对者,他曾感慨“自己是一个软弱无力的与时代潮流抗争的人”。不过他并非孤军奋战,有一个年轻的德国科学家也站在他这边。但玻尔兹曼心高气傲,觉得支持他的是个无名小卒,根本看不上眼。然而,这个德国科学家不是别人,正是后来被称为“量子论之父”的普朗克,下文我们也会提到。(玻尔兹曼一生极为固执,他一生专注于分子运动论的研究,对于自己的理论无法得到科学界的认可感到极为沮丧,再加上饱受躁郁症以及哲学上的困扰,最终在1906年结束了自己的生命)。

1893年,维恩也总结得到了一个规律,即绝对黑体的温度与辐射本领最大值相对应的波长λ的乘积为一常数,称为维恩位移定律。它表明热辐射的峰值波长随着温度的增加而向着短波方向移动。

但在实验中,维恩公式只在短波段与实验结果相符合,在长波段则出现明显偏差。虽然后来瑞利提出了长波段的假设,但始终和实验冲突。

辐射本领与波长的关系

物理学果然是一门以实验为基础的科学(只是近些年来低矮的果实都被摘得差不多了,实验越来越难做了)。

这个时候普朗克横空出世。1900年12月14日,在德国物理学会的例会上,普朗克作了《论正常光谱中的能量分布》的报告。在这个报告中,他激动地阐述了自己最惊人的发现。他说,为了从理论上得出正确的辐射公式,必须假定物质辐射(或吸收)的能量不是连续的,而是一份一份进行的,只能取某个最小数值的整数倍。这个最小数值就叫能量子,辐射频率是ν的能量的最小数值ε=hν。其中h,普朗克当时把它叫做基本作用量子,后来被命名为普朗克常数,它标志着物理学从“经典幼虫”变成“现代蝴蝶”。

物质辐射(或吸收)的能量不是连续的,而是一份一份进行的

普朗克死后,他的墓志铭就是一行字:h=6.63×10^-34J·S

根据上述理论,我们如果探测到物体释放出来的热辐射,通过黑体的标定参考,就可以反推出来温度(当然,反推的过程也有很多方法)。

黑体的标定可以在生产环节进行,也可以设置在现场环境中在线标定。但这仅仅是理论上,在实际环节中,有多方面原因会影响到温度测量的精确度。

影响测温精确度的因素

所以要测准人的体温,就需要上面三步,任何一步有问题,都会影响到最后测温的精度。

这篇文章就写到这里,后续我们会将这三个环节慢慢展开。


— 【 To Be Continued 】 —

发布于 02-27