紅外溫度計(jì)的原理及使用

摘要：去年以來，新冠疫情突發(fā)，各行業(yè)持續(xù)開展疫情防控工作 ，各類紅外溫度計(jì)的使用量在持續(xù)增加，相關(guān)媒體也在大篇幅的報(bào)道全國各地疫情防控的進(jìn)程及具體措施。通過相關(guān)報(bào)道及在日常生活工作中的所見所聞，發(fā)現(xiàn)該類溫度計(jì)的使用存在著很多問題。本文針對(duì)紅外溫度計(jì)的基本概念、如何選擇以及使用中存在的諸多問題進(jìn)行闡釋。

關(guān)鍵詞：新冠，疫情防控，紅外溫度計(jì)，基本概念

Principle and Application of Infrared Thermometer

GAO Pengfei

（Binzhou Inspection and Testing Center， Binzhou， Shandong Province， 256600 China）

Abstract： Since the outbreak of COVID-19 last year， various industries have continued to carry out epidemic prevention and control work， and the use of all kinds of infrared thermometers has continued to increase. Relevant media are also reporting on the progress and specific measures of epidemic prevention and control throughout the country. Through relevant reports and what we have seen and heard in daily life and work， it is found that there are many problems in the use of this kind of thermometer. This paper explains the basic concept of infrared radiation thermometer， how to select it and many problems existing in its use.

Key Words： COVID-19; Epidemic prevention and control; Infrared thermometers; Basic concepts

近20年來，紅外技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于民用領(lǐng)域，如紅外資源衛(wèi)星、紅外氣象衛(wèi)星、紅外加熱、紅外測溫等[1]?！胺堑洹焙托鹿谝咔榈耐话l(fā)，使得紅外測溫技術(shù)迅猛發(fā)展，越來越多的紅外測溫設(shè)備（一般稱紅外測溫儀、紅外溫度計(jì)或輻射溫度計(jì)）出現(xiàn)在大眾視野?，F(xiàn)在應(yīng)用于測量人體體溫方面的紅外測溫儀器主要有紅外額溫計(jì)、紅外耳溫計(jì)、紅外篩檢儀、紅外成像儀等[2]。該類計(jì)量器具與傳統(tǒng)的人體測溫儀器相比具有測量速度快、非接觸無污染、讀數(shù)直觀等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪袦y量體溫的重要儀器。

1、 輻射測溫的基本概念

在溫度測量中，按照測溫元件和被測物體的空間位置來講，測量方法可以分成兩類：一種是接觸測溫法，一種是非接觸測溫法。接觸測溫法指的是傳統(tǒng)的測溫方法，是利用熱傳遞原理進(jìn)行測量的;非接觸測溫法是近些年興起的，也稱為輻射測溫法，它是通過測量物體的熱輻射來進(jìn)行溫度測量的[3]。

19世紀(jì)各國科學(xué)家致力于發(fā)現(xiàn)各種輻射溫度計(jì)，如基爾霍夫（Kirchhoff）定律、斯忒藩-玻爾茲曼（Stefan-Boltzman）定律、維恩（wein）位移定律、普朗克（Planck）定律等。到了20世紀(jì)，重點(diǎn)主要放在應(yīng)用方面。物體的輻射能量和物體的溫度具有一定的函數(shù)關(guān)系，熱輻射溫度計(jì)就是以此為基礎(chǔ)創(chuàng)立的。任何物體都具有熱輻射，所謂熱輻射就是指從物體表面連續(xù)發(fā)射出來的能量，會(huì)以電磁波的形式被檢測出來。物體的表面溫度決定著物體所能輻射能量的大小，因此只要我們能夠測量物體自身所輻射的紅外能量，就可以準(zhǔn)確的得到物體的表面溫度。由于輻射溫度計(jì)探測的是物體的輻射能量，所以探測元件自身就不必達(dá)到被測溫度，故測溫上限可以根據(jù)所選用的測溫元件的性質(zhì)來決定[4]。

在60年以前，輻射測溫主要應(yīng)用在800℃以上，也即高溫測量。隨著輻射測溫理論不斷發(fā)展，測溫技術(shù)也穩(wěn)步提高，中常溫、低溫測量也已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)。電子技術(shù)與輻射測溫技術(shù)的結(jié)合，大大提高了輻射測溫的應(yīng)用水平，快速測溫與動(dòng)態(tài)測量，毫秒級(jí)甚至微秒級(jí)的輻射溫度計(jì)的問世，在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、國防應(yīng)用等的進(jìn)步和發(fā)展中起到了極大的推動(dòng)作用。

理論上來說，物體在任意溫度下都存在熱輻射，并不是只有灼熱物體才存在熱輻射，只是它們的輻射光譜范圍不同罷了。低溫時(shí)，輻射能量非常小，而且主要是發(fā)射波長較長的紅外線。隨著物體溫度越來越高，其所輻射出的能量急劇增加，同時(shí)輻射的光譜漸漸往短波方向偏移。

為了研究利用熱輻射，創(chuàng)造了黑體的概念。黑體的吸收率和發(fā)射率都為1，即黑體可以將外部輻射的能量全部吸收，并且可以全部輻射出與物體自身溫度相當(dāng)?shù)哪芰俊Ｒ话銇碇v，自然界中的實(shí)際物體，幾乎都不是黑體，實(shí)際物體輻射的能量，除了與輻射波長有關(guān)，還與物體自身溫度有關(guān)，另外，物體的材質(zhì)、表面形狀以及物體所處的環(huán)境條件等因素也會(huì)影響物體輻射出的能量。所以，引入了一個(gè)概念—發(fā)射率，發(fā)射率是一個(gè)介于0和1之間的數(shù)值，表征物體實(shí)際的熱輻射與黑體輻射的接近程度。發(fā)射率越接近于1，說明物體的特性越接近于黑體，它與物體的材質(zhì)和表面狀態(tài)有關(guān)。這樣黑體輻射定律的應(yīng)用就得到了推廣，根據(jù)輻射定律，了解材料的發(fā)射率，我們就可以獲知物體的輻射特性。

輻射測溫的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的：測量時(shí)不接觸被測物體，不會(huì)對(duì)被測物體的溫場、熱平衡狀態(tài)產(chǎn)生干擾和破壞;并且在測溫上限上，沒有限制，它可以進(jìn)行超高溫測量;動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，易于快速測量和動(dòng)態(tài)測量;在一定的條件下，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)測量、自動(dòng)記錄和自動(dòng)控制。它的主要缺點(diǎn)測得的是物體輻射溫度，而不是物體的真實(shí)溫度，如要準(zhǔn)確測量物體的真實(shí)溫度，需要對(duì)材料發(fā)射率進(jìn)行修正，這往往是一個(gè)非常困難的事情[5]。輻射測溫技術(shù)原理上來說相對(duì)復(fù)雜，且輻射溫度計(jì)的設(shè)計(jì)要求各不相同，如比色溫度計(jì)測值精度較高，接近真實(shí)溫度，但價(jià)格相對(duì)比較昂貴，不能被廣泛采用。另外輻射溫度計(jì)在測量過程中通常會(huì)受到中間介質(zhì)的影響，因此對(duì)波長范圍的選擇是很重要的，這些都限制了輻射溫度計(jì)在某些方面的使用。

2、 如何選擇紅外測溫儀

由于紅外測溫儀機(jī)構(gòu)復(fù)雜，影響測量效果的原因有很多，因此，如何選擇合適的測溫儀顯得尤為重要，一般主要考慮溫度范圍、工作波長、光斑直徑、響應(yīng)時(shí)間、目標(biāo)尺寸等性能指標(biāo)，另外使用環(huán)境也是重點(diǎn)考慮的方面。

2.1、測溫范圍

測溫范圍是紅外測溫儀最重要的技術(shù)指標(biāo)。不同廠家、型號(hào)的測溫儀，測溫范圍通常不同。因此，用戶在選擇紅外測溫儀時(shí)，首先看測溫范圍是不是符合要求，做到既不能過大，也不能過小。根據(jù)黑體輻射定律，在光譜的短波段由溫度引起的輻射能量的變化將超過由發(fā)射率誤差所引起的輻射能量的變化，因此，用于人體測溫時(shí)應(yīng)盡可能的選用短波段，范圍也不要太寬，一般從20℃左右到45℃左右就可以了。

2.2、波長范圍

紅外測溫儀的光譜響應(yīng)，通常受到材料的發(fā)射率和目標(biāo)物體的表面特性的影響。如果目標(biāo)物體材料為高反射率合金材料，那么其發(fā)射率較低，一般會(huì)發(fā)生一定的變化。測量高溫范圍時(shí)，近紅外波長范圍是測量金屬材質(zhì)的最佳波段，一般可選擇（0.18-1.0）μm波長。其他溫度范圍可選用（1.6-3.9）μm波長。但是對(duì)于有些材料來講，在一定波長下紅外能量不會(huì)產(chǎn)生輻射，而是會(huì)穿透這些材料，因此，測量這種材料的物體，應(yīng)該選擇特殊的波長。

2.3、光學(xué)分辨率

通過輻射測溫理論我們可以知道，紅外測溫儀到目標(biāo)物體之間的距離稱為D，光斑直徑稱為S，那么光學(xué)分辨率就是D與S的比值。如果被測目標(biāo)尺寸較小，因?yàn)榄h(huán)境條件的限制，又必須將測溫儀安裝在與被測目標(biāo)較遠(yuǎn)處，此時(shí)就應(yīng)該選擇光學(xué)分辨率較高的測溫儀。一般光學(xué)分辨率越高，測溫儀的成本也越高，因此在選擇測溫儀時(shí)，要根據(jù)需要選擇合適的光學(xué)分辨率。

2.4、目標(biāo)尺寸

根據(jù)測溫原理的不同，紅外測溫儀可以分為兩種：單色測溫儀、雙色測溫儀。不同的測溫儀在測量時(shí)有不同的要求。如果選擇單色測溫儀測量被測目標(biāo)，被測目標(biāo)的面積應(yīng)該充滿紅外測溫儀的視場，一般要求被測目標(biāo)的尺寸要大于測溫儀視場的一半。如果被測目標(biāo)尺寸比測溫儀的視場小，就會(huì)產(chǎn)生背景輻射能量干擾，影響測量的準(zhǔn)確性。

2.5、響應(yīng)時(shí)間

響應(yīng)時(shí)間表征了測溫儀對(duì)被測物體溫度變化而產(chǎn)生相應(yīng)變化的反應(yīng)速度。雷泰（Reytek）新型紅外測溫儀響應(yīng)時(shí)間可達(dá)1ms，這要比傳統(tǒng)的接觸式測溫方法快得多。如果被測物體是快速移動(dòng)的，或者需要測量急速驟熱的目標(biāo)時(shí)，就要選用響應(yīng)時(shí)間較小的測溫儀;如果被測物體是靜止的，或者有充足的穩(wěn)定時(shí)間時(shí)，響應(yīng)時(shí)間就可以不用那么嚴(yán)格了。因此，要根據(jù)被測物體具體情況，來選擇響應(yīng)時(shí)間。

2.6、使用環(huán)境

測量時(shí)的環(huán)境條件也會(huì)很大程度上影響測量結(jié)果。如果測量環(huán)境處在噪聲比較大、電磁場比較強(qiáng)、震動(dòng)劇烈或其他惡劣條件下，最好選擇光纖雙色測溫儀。此時(shí)，可以選擇測溫傳感器和顯示設(shè)備分開的儀器，方便分別安裝和配置，并且能夠選擇與現(xiàn)行控制設(shè)備相匹配的信號(hào)輸出形式。

3、 紅外體溫計(jì)在使用過程中的注意事項(xiàng)

本人從事溫度計(jì)量工作，疫情期間，去各大超市、車站、醫(yī)院等公共場所巡查，經(jīng)常碰到這種現(xiàn)象。測溫人員使用的測溫儀器是一款手持式紅外輻射溫度計(jì)，外觀上看，與醫(yī)用紅外測溫儀相差無幾，但實(shí)際上它是一款工業(yè)用紅外輻射溫度計(jì)，因?yàn)槠錅y溫上限較高，主要用于工業(yè)測溫，在37℃附近存在著較大的誤差，根本不適合測量人體體溫。另外工作人員在使用該儀器時(shí)，儀器距離被測人員的額頭忽遠(yuǎn)忽近、忽正忽偏，根本沒有一個(gè)具體的測試距離和位置，這也將導(dǎo)致出現(xiàn)較大的讀數(shù)誤差，因?yàn)榧t外輻射溫度計(jì)的示值跟其光學(xué)分辨率有著很大關(guān)系，具體的說就是目標(biāo)直徑與測量距離的關(guān)系，每款紅外輻射溫度計(jì)都有自己的光學(xué)分辨率，應(yīng)該確定該款儀器的確切使用距離。

就目前來看，現(xiàn)在使用于測量人體體溫方面的紅外測溫儀器主要有紅外成像儀、紅外體溫計(jì)、紅外耳溫計(jì)、紅外額溫計(jì)、紅外篩選儀等，該類計(jì)量器具與傳統(tǒng)的人體測溫儀器（比如水銀體溫計(jì)、電子體溫計(jì)等）相比具有攜帶使用方便、無污染隱患、讀數(shù)直觀、方便操作等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐步成為我們?nèi)粘Ｉ钪杏糜谌梭w測溫的重要計(jì)量器具[6]。根據(jù)使用行業(yè)不同，其選擇的類型、型號(hào)也存在著些許差異：比如檢驗(yàn)檢疫、醫(yī)院、口岸等部門主要選用的是紅外熱成像儀、紅外篩檢儀、紅外額溫計(jì)、耳溫計(jì)等;學(xué)校、超市、企業(yè)主要選用的是紅外額溫計(jì)、耳溫計(jì)等，而這些紅外測溫儀的使用中出現(xiàn)最多問題的應(yīng)該就是紅外額溫計(jì)了[7]。

目前，紅外篩檢儀的準(zhǔn)確度可以達(dá)到±0.3℃，紅外耳溫計(jì)計(jì)能達(dá)到±0.2℃?？梢哉f在準(zhǔn)確性上紅外體溫計(jì)是可以滿足測量要求的。但是在實(shí)際使用中應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)。首先，新購買的紅外體溫計(jì)在使用之前需要進(jìn)行校準(zhǔn)，以確定其修正值。對(duì)于使用頻繁的紅外體溫計(jì)或者對(duì)測溫結(jié)果有疑問時(shí)，也應(yīng)當(dāng)進(jìn)行校準(zhǔn)。黑體輻射源在有效發(fā)射率、控溫穩(wěn)定性方面有較好的性能，一般選其作為標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行紅外測溫儀的校準(zhǔn)。其次，絕對(duì)不可以選用工業(yè)輻射溫度計(jì)測量人體溫度。因?yàn)楣I(yè)輻射溫度計(jì)測溫范圍較廣，在人體溫度附近有較大的誤差，根本不適合測量人體體溫。第三，紅外體溫計(jì)一般在室內(nèi)使用，如果測量剛在室外進(jìn)來的人時(shí)，由于測量的是體表的溫度，往往出現(xiàn)測量不準(zhǔn)確的情況。此時(shí)，最好使被測人在室內(nèi)呆一段時(shí)間，使人體達(dá)到熱平衡后，再進(jìn)行測量。

在我們的日常生產(chǎn)生活中還有很多行業(yè)、部門也在使用人體用紅外測溫儀，而且類型繁多、良莠不齊，這些紅外測溫儀就沒有得到很好的管理和控制，有必要引起各監(jiān)管部門和使用部門的重視，只有全社會(huì)都重視、了解了該類儀器，才能發(fā)揮其在疫情防控工作中的重要作用。紅外測溫儀使用方便，測量速度快，無接觸測量，比傳統(tǒng)測溫方法有著無可比擬的優(yōu)勢。隨著技術(shù)的發(fā)展，紅外測溫儀在溫度測量方面必將得到越來越廣泛的應(yīng)用。只要我們了解紅外測溫的基本原理、操作方法和注意事項(xiàng)，就可以最大限度的保障其測量可靠性。

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高朋飛，男，1988年9月生，碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)闇囟扔?jì)量。