热辐射波长与温度关系(测量体温原理)

Posted 2023-06-02

篇首语：夜暗方显万颗星，灯明始见一缕尘。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了热辐射波长与温度关系(测量体温原理)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

新型冠状病毒感染的肺炎疫情使得今年农历新年相对比较冷清，在中央主楼值班的门卫师傅却不清闲。来往的人员不仅需要登记，还有一项重要的过程，就是使用手持红外测温仪测量体温。

人的体温会因为很多状况（病症）而发生变化，测量体温可以来发现和记录异常情况。

正常体温是大多数人在正常情况下的平均体温，大约在37°C（98.6°F）。每个人体温会在此正常值上下浮动1°F(0.6°C)。

正常体温的变化与你的活动量和一天的时间有关系，也和体内荷尔蒙激素的分泌有关系。比如当女人排卵或者来例假时体温会有更大的升高和降低。

人体内的温度也各不相同。直肠或者耳朵鼓膜温度要比口腔温度高0.3~0.6°C，而腋窝处温度要低0.3~0.6°C。

使用普通的水银体温计一般需要在口腔、腋窝保持3~5分钟。通过红外方法测量体温相对比较快捷，测量前额、耳朵鼓膜温度则只需几秒钟时间。

使用红外测温传感器测量温度似乎很简单。对准、按动按钮、读出温度数值。然而，如果不掌握测量原理和方法，测出的温度结果则会出现很大偏差。

测量温度方法可以分为接触式和非接触式两大类。接触式的传感器包括热电偶、热敏电阻、RTDs和半导体温度传感器等。这类传感器输出的信号实际上是反映了它们自身温度的变化，需要将它们与被测温物体充分接触，使得它们温度达到一致。

在有些情况下，使用接触式温度传感器会遇到麻烦，比如：被测物体或者媒介在远处，或者危险环境，不容易接触到；被测物体在运动过程中；被测物体很小，温度会受到传感器的影响。使用非接触式测温方法可以解决这些问题。

红外温度计属于非接触式测温，它是利用物体热辐射与物体温度之间的关系来工作的。

热量通常由热传导、对流、热辐射三种方式来进行传递。热辐射本质上是一定波长的电磁波，波长范围在0.7~1000微米。实际使用红外温度计测量热辐射波长范围在0.7~14微米，大多数物体在这个范围内辐射最强。

物体吸收能量（包括热能）会引起温度上升，从而也会辐射热能。在热平衡时，吸收的热能(Wa)等于发送的热能(We)。物体温度会通过两种形式反映在辐射热能上。

一种方式就是热能总量与物体绝对温度呈现四次方的关系：

We：热辐射能力；E：物体辐射系数; σ：Stefan-Boltzmann常数。T:物体绝对温度；A：发射面积。

通常情况下，被测物体的E,A,σ都是常量，所以可以通过测量We反过来求得物体温度。这种方法需要事先通过标定确定E、A等参数。

第二种影响方式是物体辐射能量密度与红外波长关系会受到温度影响。温度越高，辐射能量曲线峰值就越短。下图显示了黑体相对辐射能量在两种温度下的频率曲线。

红外测温仪测量两个不同波段辐射能量，通过计算获得物体的温度。这种方法简便，但会受到物体表面辐射系数影响。

红外测温仪可以基于上述两种原理来测量物体的温度。通常包括有光学透镜、红外检测器，信号放大和调理、ADC、结果显示和操作界面等部分。其中红外线传感器是传感器的核心。它分为两大类：一类是温度检测；一类是光电检测。

吸收红外线引起传感器的温度变化，进而影响检测器的电学性能。比如热电堆改变极化电压；热电偶产生热电压；热辐射传感器改变电阻等。

基于光电检测的传感器响应速度很快。使用硅半导体制作红外光传感器，受到红外线照射后会产生自由电子，进而改变导电性能。

测量环境中的空气、水蒸气以及其它遮挡物也会改变物体辐射曲线。通常在红外温度计中的光学部分增加不同的滤波片，只选择特定频率红外线进行检测，可以减少这类影响。

在红外温度计中，视野范围（Field of View）是一个很重要的概念。温度计显示的数值反映了在视野范围内的平均温度。

红外温度计一般会给出视测量距离与视野半径之间测比值。这个比值越大，在同样的测温距离下，测温视野越小，反映测温位置也精确。

在测量物体温度时，需要根据距离以及估计出相应的视野范围，保证物体的被测区域大于视野范围。否则就会受到周围环境温度的影响导致测量数值不准确。

手边有一款AR802B红外测温仪，它标注的测量距离与视野大小比D:S=12。在测量距离12厘米的距离，视野的尺寸也就是1厘米左右。

同样有一块半导体制冷片，它的边长为4厘米。施加12V电压之后，表面可以产生-10摄氏度。它可以当做室温环境中的一个温度校验块，测试一下红外测温仪中的测量范围。

使用AR802B在不同的距离对准制冷片进行扫描，可以间接测量得它的测温视野范围。

下图显示了在距离从1厘米到41厘米四种距离下，AR802B对准制冷块方向，水平移动。在不同的横向偏移量情况下，红外测温仪的读数显示的曲线。

在1厘米到20厘米测量范围内，在制冷块边缘处，读数从室温降低低于0 摄氏度，水平位移距离大约是1厘米。这反映了手持测温仪在这个距离内，它的视野尺寸保持恒定，大约是1厘米见方。

由于受到周围环境的影响，在不同的距离所测量得到的最低温度有差异。随着距离的增加，最低温度增大。

当测量距离在41厘米时，AR802B的视野就达到了4厘米左右。此时所读出的制冷片低温温度误差就增加很多。

下图反映测量温度低于不同温度，测温仪水平移动的距离，反映了被测制冷块的宽度。

由于红外测温仪是根据物体辐射来测温，是反映了物体表面的温度，对于物体内部的温度则无法测量。

即使物体是透明的，内部温度和外部辐射温度还是有很大区别。使用AR802B测量热水壶在加热之后温度的变化。同时使用热电偶伸到热水壶内部，直接测量水温。对比一下测量得到的温度结果。

下图显示了加热过程，两种测量方法所得到的温度变化。

通过红外测温仪中读取的温度要比热电偶直接测量结果小五摄氏度左右。

如果是降温，则红外测温仪中所得到的数值比内部要低。

将上面的开水泡方便面，AR802B测量面碗内的温度要比实际热电偶测量内部的温度低30~40°。

使用手持测温仪测量体温时，距离身体需要在20厘米之内。如果需要得到身体的真实温度，最好是靠近耳朵，测量耳蜗内的温度。当然，测量前需要将耳朵掏干净了。