紅外測(cè)溫的原理

原理

任何物體只要它的溫度高于絕對(duì)零度（-273.15℃），就會(huì)向外部發(fā)射熱輻射，同時(shí)也吸收其他物體發(fā)射的熱輻射，物體溫度不同，其輻射出的能量也不同，且輻射波的波長(zhǎng)也不同，但總是包含著紅外輻射在內(nèi)。1000℃度以下的物體，其熱輻射中最強(qiáng)的電磁波是紅外波，所以對(duì)物體自身紅外輻射的測(cè)量，便能準(zhǔn)確測(cè)定它的表面溫度。

基爾霍夫定律(熱輻射定律)認(rèn)為：在熱平衡狀態(tài)的物體所輻射的能量與吸收率之比與物體本身物性無關(guān)，只與波長(zhǎng)和溫度有關(guān)。

黑體

如果有一個(gè)物體，已知他的輻射能量和吸收能量之比，那用這個(gè)物體做標(biāo)準(zhǔn)，探測(cè)出附近目標(biāo)物體輻射的熱量，我們就能反推出他的表面溫度（反推的過程，方法有很多）。這個(gè)作為標(biāo)準(zhǔn)的物體被稱為絕對(duì)黑體，簡(jiǎn)稱黑體。

黑體是這樣定義的：它能夠在任何溫度下將輻射到它表面上的任何波長(zhǎng)的能量全部吸收。這意味著黑體的輻射熱量和吸收熱量的比值為1。

因?yàn)楹隗w的這個(gè)特性，在實(shí)際測(cè)溫中，可以把黑體用來作為標(biāo)準(zhǔn)，來測(cè)量其他物體溫度。

黑體的標(biāo)定可以在生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行，也可以在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中在線標(biāo)定。但這僅僅是理論上，在實(shí)際環(huán)節(jié)中，有多方面原因會(huì)影響到溫度測(cè)量的精確度。

影響人體測(cè)溫準(zhǔn)確性的因素

通過以上分析，如果測(cè)量一個(gè)人的體溫，會(huì)有以下三個(gè)方面影響測(cè)量溫度的準(zhǔn)確性：人體本身，熱量傳輸過程，紅外探測(cè)器。

人體本身溫度

環(huán)境溫度會(huì)影響人體體溫。

不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)影響人的體溫，比如剛跑完步，人的體溫會(huì)偏高。

人體早晚會(huì)有溫差，凌晨最低，下午達(dá)到最高，然后又逐漸下降。女性體溫一般略高于男性體溫。

人體體表不同地方溫度不一樣。額頭的表面無遮擋、毛細(xì)血管分布密集、溫度分布比較均勻，是較好的測(cè)溫點(diǎn)。
上面說到黑體的輻射率是1，用黑體做標(biāo)準(zhǔn)，人體的大約是0.98，近似于黑體（實(shí)際黑體也很難達(dá)到1），所以有些實(shí)際測(cè)溫中，直接把人當(dāng)黑體來處理。這種辦法也未嘗不可。

熱量傳輸過程

物體發(fā)射的熱能只同溫度和波長(zhǎng)有關(guān)，同時(shí)紅外波段集中了絕大部分的輻射能量。要探測(cè)溫度，我們無需探測(cè)全波段的能量，只用研究紅外波段。

物體的紅外輻射與大氣的穿透性和波長(zhǎng)有很大關(guān)系。很幸運(yùn)，上帝給我們開了幾扇窗（學(xué)名：紅外大氣窗口），主要的大氣窗口包括包括 2μm -2.6μm，3μm～ 6μm 和 8μm～14μm。紅外熱成像技術(shù)就是在利用紅外輻射的“大氣窗口”。（很多紅外探測(cè)器選擇鍺玻璃鏡頭就是因?yàn)?，鍺玻璃在2-16μm波段具有很好的透光性能，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。）

雖然是窗口，但透射比還是沒有達(dá)到1，所以熱輻射受距離影響會(huì)有一定的衰減。距離近時(shí)，我們把問題簡(jiǎn)化，忽略掉影響；距離遠(yuǎn)時(shí)，紅外電磁波在空氣中傳播會(huì)受到二氧化碳等氣體的吸收，造成能量衰減，需要考慮相應(yīng)的溫度補(bǔ)償。

紅外探測(cè)器

將熱輻射轉(zhuǎn)換為電信號(hào)常用的有兩類探測(cè)器：A 基于熱電堆（熱電偶）的探測(cè)器；B 基于電阻微測(cè)輻射原理的探測(cè)器。

基于電阻微測(cè)輻射原理的探測(cè)器

熱敏電阻受紅外輻射影響，會(huì)產(chǎn)生溫度改變，進(jìn)而改變電阻阻值，讀出由電阻阻值改變?cè)斐傻碾妷鹤兓纯色@得紅外輻射的數(shù)值。

熱成像儀多采用這種原理，一般工業(yè)和醫(yī)用的多為非制冷型，軍事領(lǐng)域一般多用制冷型。按熱敏電阻材料不同，又有采用氧化釩(VOx)的方案和非晶硅(α-Si))的方案。

考慮的問題

從熱成像探測(cè)器得到的信號(hào)和物體溫度不是線性關(guān)系，所以問題很復(fù)雜，我們很難得到比較準(zhǔn)確的人體溫度。但是我們可以從以下幾個(gè)方面去努力：

把人當(dāng)黑體，通過AI算法，做好測(cè)溫區(qū)域的選擇，確定好實(shí)時(shí)在線標(biāo)定的策略，有些AI測(cè)溫?cái)z像機(jī)采用這種做法。

把黑體加入到應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)時(shí)在線定標(biāo)。這種辦法雖然麻煩，成本大，但是測(cè)量的數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，實(shí)際精度能達(dá)到±0.3℃。

目前廣州地鐵有部分出入口采用的是這種方式。這是比較負(fù)責(zé)的做法。