科學(xué)家開發(fā)非接觸式溫度計(jì)成功改進(jìn)紅外熱成像技術(shù)

近日，美國休斯頓大學(xué)包吉明教授團(tuán)隊(duì)基于光催化中熱效應(yīng)與非熱效應(yīng)（熱電子）面臨的熱點(diǎn)問題，提出一種準(zhǔn)確且具有實(shí)用性的溫度測量技術(shù)。

且體而言，他們研究了一種通過光譜儀測量催化劑近紅外發(fā)射光譜，并對950～1600納米范圍內(nèi)的光譜進(jìn)行擬合，從而得到表面溫度的非接觸式光學(xué)技術(shù)。

這是一種基于連續(xù)光譜測量的新方法，能夠在不依賴物體發(fā)射率的情況下，提供精準(zhǔn)的非接觸式溫度測量技術(shù)，測量誤差小于2攝氏度，能夠改進(jìn)傳統(tǒng)的紅外熱成像技術(shù)。

本次技術(shù)克服了傳統(tǒng)紅外熱像儀和溫度計(jì)因未知發(fā)射率帶來的測量不準(zhǔn)確的問題，并揭示出在強(qiáng)光照射下，光熱催化劑的表面溫度遠(yuǎn)高于埋置熱電偶所測得的溫度。

這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢在于它不依賴單一的黑體發(fā)射強(qiáng)度，因此規(guī)避了溫度依賴發(fā)射率及紅外攝像機(jī)或溫度計(jì)常見的誤差問題。近紅外溫度計(jì)在200攝氏度及以上時(shí)，可實(shí)現(xiàn)1攝氏度的精度。

以MgO/A1203粉末表面的Ru-Cu等離子體納米粒子作為參考光熱催化劑，在功率密度為10瓦每平方厘米的光照強(qiáng)度下，近紅外溫度計(jì)檢測到表面與其下方100微米處的溫差超過200攝氏度。

本次技術(shù)通過利用全光譜的連續(xù)光譜，而非單一波長或狹窄波段，能夠提供更為精確的溫度測量。通過將采集的光譜與理想的黑體輻射公式擬合，并使用簡單的校準(zhǔn)步驟，有效地消除了對溫度和波長相關(guān)發(fā)射率的依賴。

溫度相關(guān)的發(fā)射率已經(jīng)包含在參數(shù)E中，波長相關(guān)的發(fā)射率則通過校準(zhǔn)中歸一化的光譜響應(yīng)來解決。

該技術(shù)的有效性，也通過測量加熱過程中的溫度（誤差小于2攝氏度）及激光加熱下催化劑粉末表面溫度梯度得到了驗(yàn)證。

近紅外光譜儀通過光纖收集熱目標(biāo)的輻射，數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)記錄，并通過系統(tǒng)校準(zhǔn)的光譜響應(yīng)進(jìn)行歸一化處理，最終擬合以確定溫度。

研究人員相信該技術(shù)在需要精確表面溫度測量的應(yīng)用場景中，尤其是光熱催化領(lǐng)域，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

這項(xiàng)新技術(shù)有望在光熱反應(yīng)中實(shí)現(xiàn)催化劑表面溫度的精準(zhǔn)測量，從而解決相關(guān)爭議并更好地量化熱電子的貢獻(xiàn)。

光纖耦合近紅外溫度計(jì)將成為在惡劣環(huán)境下，或高精度測量條件下進(jìn)行精確溫度檢測的重要工具。由于光纖尖端尺寸小，無論是否附加聚焦光學(xué)器件，通過掃描光纖尖端可以方便地獲得二維空間的溫度分布。

而本次方法擴(kuò)展了傳統(tǒng)的單波長或多光譜處理，基于近紅外連續(xù)全光譜擬合，為驗(yàn)證和理解光熱反應(yīng)中的非熱效應(yīng)提供了有力的工具，同時(shí)也為其他需要精確高表面溫度測量的領(lǐng)域提供了解決方案。

光熱催化研究將能夠廣泛應(yīng)用這一技術(shù)。同時(shí)，不僅限于光催化領(lǐng)域，本次技術(shù)還將在任何需要非接觸式準(zhǔn)確溫度測量的場景中發(fā)揮作用，例如3D打印、煉鐵和發(fā)動機(jī)溫度監(jiān)控等。

此外，該技術(shù)的背后原理也具有廣泛的應(yīng)用潛力，通過更換不同探測器如長波探測器，該技術(shù)有望擴(kuò)展至低溫測量，如實(shí)現(xiàn)室溫及以上的溫度檢測。

日前，相關(guān)論文以《非接觸式溫度計(jì)用于使用近紅外黑體輻射光譜測量光熱催化劑的表面溫度》為題發(fā)表，梅拉巴·奇羅姆是第一作者，包吉明擔(dān)任通訊作者。

總的來說，本次技術(shù)的突出亮點(diǎn)包括突破了單波長和多光譜測溫的局限性；通過簡便的校準(zhǔn)步驟，消除了波長和溫度相關(guān)發(fā)射率對測量的影響；能夠在寬廣的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的溫度測量；同時(shí)，揭示了催化劑粉末在激光加熱過程中存在顯著的溫度梯度。

研究人員表示，在光的照射下，紅外照相機(jī)明顯低估了光熱催化劑的表面溫度。這種近紅外溫度計(jì)的原理可以擴(kuò)展到更長的波長，以便覆蓋較低的溫度。

因此，他們會繼續(xù)深入研究這種熱電子驅(qū)動催化反應(yīng)，例如在二氧化碳加氫、氨合成或分解以及甲烷干重整等反應(yīng)中（這些都是需要明顯電荷轉(zhuǎn)移的大規(guī)模工業(yè)熱反應(yīng)）。

但是因?yàn)榇呋瘎┑臏囟葴y量可能存在很大的不確定性，不準(zhǔn)確的反應(yīng)溫度將導(dǎo)致錯(cuò)誤的活化能?；诖?，他們將根據(jù)本次技術(shù)針對光催化反應(yīng)進(jìn)行更深入的研究。