热辐射公式(“测温枪”是怎样测出温度的？)

Posted 2023-06-02

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热辐射公式(“测温枪”是怎样测出温度的？)

测温枪，学名是“红外线测温仪”或者“红外线辐射测温仪”。它的原理是：被动吸收目标的红外辐射能量，从而获得物体温度数值。

你的身体无时无刻在向外扩散辐射能量，而测温枪的作用，是接收你身体某区域的辐射能量。

红外测温枪能接收到的，只是各种波段的电磁波，绝不是直接的温度传导。而其中最关键的，从“电磁波信息”到“温度信息”的这一转换过程，就要提到黑体辐射定律。

黑体辐射定律

自然界中一切高于绝对零度（-273.15℃）的物体都在不停向外辐射能量，物体的向外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的联系，物体的温度越高，所发出的红外辐射能力越强。

这个黑体辐射定律是干啥用的呢，说白了就是物理学家想搞懂“电磁波信息”到“温度（能量）信息”的转换关系。

于是他们假想出了“黑体”这个东西。

这个时候我们派出卡比出场。假设“黑卡比”就是一个标准的“黑体”，它的特性是：入射的电磁波全部被吸收，既没有反射，也没有透射。

体现到卡比身上就是，吃掉的食物从来不吐出去，没有浪费地全部自己消化掉。

那么，消化掉的东西，最后就变成了卡比体内的热量，也就是热辐射（我们可以把它通俗地理解为温度）

于是这个从“电磁辐射”（光）到“热辐射”（热）的过程，就叫黑体辐射。

好了，知道了这个原理，现在新的问题来了——我们该怎么知道黑体吸进去的“光”到底转化成了多少“热”呢？

这个问题自从17世纪牛顿发现三棱镜光色散现象的时候就开始研究了，科学家们一直钻研了数百年，终于在1900年的时候，马克思·普朗克在德国物理学会上公布了靠谱的“黑体辐射定律公式”。

黑体辐射定律公式

其中为了证明这一公式而引出的衍生品“量子力学”概念，顺道成为了现代物理学的两大基本支柱之一。

人类得到这个公式多不容易，看看它是用多少颜值换来的就知道了：

所以，为了让这消耗掉的颜值不被辜负，我们现在就了解一下这个公式，别看写起来复杂，其实都是纸老虎，它所揭示的无非是光与温度的关系——

你看如果把它画成图，是不是就好懂一些了！（并没有）

怎么理解这个图呢，这几条线的走势反映的是某个固定温度（单位K/国际标准温度单位）下，不同波长的热辐射强度。

比如里面的6000K（5727°C），这是太阳的温度——于是根据黑体辐射定律公式，我们就能分别算出太阳光中不同波长（比如红色、绿色、蓝色、某段红外线、某段紫外线……）的热辐射能量（强度/I）是多少。

同理，如果我们知道某段光的热辐射强度和光线波长，也可以算出其代表的“温度”是多少了。

好的，我知道说到这很多同学还是想说“依然看不懂”，没关系，这会儿看睡着的同学可以醒醒了，咱把理解难度继续降维，下面才是重点。

我们只要看懂一点，就是——高温度下的黑体辐射强度，在任何一个波长范围内，都高于低温度下的黑体辐射。

反映到图里就是，1500℃的红色高温曲线，在每段波长上强度都比1200℃的黄色曲线高：

红外测温仪就是根据这一特性设计出来的。

在这个理论基础下，根据工程应用所需的测量精度不同，红外测温仪有三种主要的设计方向。

其一，单色测温法：利用单一波长下的单色辐射强度比值来判断温度；

其二，双色测温法：测量被测物体在两个波长下的辐射强度比值的强度变化来判断，这种方法比前者受外界影响更小，误差也更小；

前面这两种能不能理解看个人造化，我们详细说一下第三种——

其三，全辐射测温法。

全辐射测温法名字听起来最牛逼，但其实是三种方法里精度相对最差的一种，不过优势就在于结构简单，成本较低。

原因就在于其“大力出奇迹”式的设计思路——全辐射测温法，是通过测量辐射物体的全波长的热辐射总强度，来确定物体的辐射温度的。

我们怎么理解这个概念呢，就是好比把一个温度下的全波段辐射强度图比做一个米山，现在让卡比把整个米山全部吃掉，我们来测它吃掉后转化的热辐射能量总共有多少，最终推导出当时的温度值。

全辐射测温法过程

现在小区门口给你测体温的红外线测温枪，基本都是这一思路设计的。

所以思路缕清后，我们只需把一个这样的卡比放在测温枪中，测量出它吸收辐射后释放的热辐射量，就能换算出被测物对应的温度了。

这个能将接收到的“红外电磁波辐射”转换为“热辐射”（黑体辐射过程），进而把“热辐射”转化为电信号（热电转化过程）的东西就是：热释电红外传感器（简称：PIR）

简单列一下这东西的工作原理：

那这样测温的方式，真得靠谱吗？

就笔者每天测温来说，利用红外测温枪来测温是不准的，我每天上班需要骑行5km的路程来到公司，如今北方的早晨还是存在一定的严寒，经过一路的冷风侵袭，体表温度相对较低，而此时采用红外测温枪所测得的体温保持在33℃左右，比起水银温度计，还是相差甚远的。

事实证明，脱离了使用方法和测试环境去谈靠不靠谱，本身就是件不靠谱的事。

1、从负责测量的人来说，第一是红外测温枪与额头不能距离太远，不然的测温枪的红外探测器能够收集到的红外幅射能量会变小，从而影响测量的结果。最理想的情况下是距离额头大概5cm至8cm左右。

2、红外测温枪需要尽可能的与额头保持垂直，这样可以确保收集的红外幅射能量是从目标测量区域散发出的。

3、与额头无关，因为暴露在空气中的额头温度可能会比实际的人体温度要低，例如说当走在寒风里，温度越低红外辐射能量也就越少。

4、不要让红外测温枪处在温差相差20度或更高的环境下，不然的话测出来的数据将会是不准确的。而作为被测量的我们，也可以在测量前的20分钟至半小时内不要做剧烈的运动或者吃过热或过冷的东西，让测量的结果尽量准确。

总体来说，尽管红外测温枪没有水银温度计那么精准，但是在便捷上略胜一筹，而且只要使用得当，其测量出来的结果也是可以采纳的。

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