一場突如其來的新冠肺炎疫情，成為了2020開年的頭等大事。全民防疫的舉措讓這場沒有硝煙的戰(zhàn)爭不再猝不及防。飛機(jī)場、火車站、公司、小區(qū)、超市等入口處都能見到防疫工作者的身影。他們是防疫先鋒，是公共健康的衛(wèi)士，是居民區(qū)的守護(hù)者。而他們的必備神器之一——手持測溫儀，也進(jìn)入了公眾的視野，廣為人知。

今天，我們就來聊一聊測溫儀的那些事。

受疫情影響，很多人在家辦公，出門不是去超市買菜，就是門口取快遞。當(dāng)然，還有不少人在硬核上班。無論出入小區(qū)，還是車站進(jìn)站，現(xiàn)階段都要經(jīng)過體溫檢測。相信大家都有經(jīng)歷過，防疫工作者手持測溫儀，對(duì)著額頭一掃，立刻就顯示你的體溫?cái)?shù)據(jù)，非常方便。有很多人對(duì)這測溫儀都深感好奇，想知道它是怎么工作的。也有人擔(dān)心它的準(zhǔn)確性，擔(dān)心把自己體溫測高了。那么，我們就從測溫儀的原理和精確度控制這兩點(diǎn)說起。

地鐵站檢票口的體溫監(jiān)測站 [1]

首先，大家都熟悉傳統(tǒng)體溫計(jì)測溫的方法，而這種方法顯然不適合用于傳染性強(qiáng)的新型冠狀病毒的防護(hù)工作。在這次防疫戰(zhàn)中，小巧便攜，無需身體接觸的手持測溫儀就成了急先鋒。掃一掃，一秒之內(nèi)測出體溫的測溫神器讓人們眼前一亮；更令人印象深刻的，還有車站、機(jī)場等帶有視頻的成像測溫儀，后者能在快速行進(jìn)的人流中，辨別每個(gè)人的體溫，并用保存視頻成像。相信你肯定好奇過它們究竟是怎么做到的。下面，我就為大家聊聊其中的科學(xué)原理。

溫度和光

我們都知道，水銀體溫計(jì)能夠測人體的溫度，是水銀玻璃泡和人體接觸后，經(jīng)過一段時(shí)間的熱量傳遞，最終與人體溫度達(dá)到一致的原理（熱平衡）。而測溫儀并沒有和人體接觸，為何能如此快速采集溫度信息呢？

水銀體溫計(jì) [2]

答案其實(shí)大家也是耳熟能詳，那就是---光！

沒錯(cuò)！就是我們所熟知的那個(gè)光！但是這個(gè)光，并不是人眼能看到的可見光，而是與可見光相鄰的紅外光，需要科普一下，我們平時(shí)所說的可見光實(shí)際上是電磁波的一種，電磁波有連續(xù)的波譜分布，紅外光的波段在紅色光之外，因此得名紅外光。

紅外光

另外簡單提一下，除了可見光和紅外光，很多電磁波都與大家的生活息息相關(guān)，按波長由短到長，有醫(yī)院CT的X射線，防曬霜防的紫外線，太陽光，燈光，微波爐的微波，電臺(tái)的射頻信號(hào)等等，都屬于電磁波。

生活中的電磁波 [3]

說到這里，肯定有人表示，道理我都懂，但是紅外光跟人體溫度有什么關(guān)聯(lián)呢？關(guān)聯(lián)是必然的，因?yàn)槿梭w發(fā)射的光，就是紅外光！沒說錯(cuò)，人體是發(fā)光的，而且是無時(shí)無刻的在發(fā)光。復(fù)雜的原理就不贅述了，大家只要記住，任何溫度高于絕對(duì)零度（零下273.15攝氏度）的物體都會(huì)以電磁波的形式向外輻射能量，至于絕對(duì)零度（-273.15℃）的物體嘛，大家放心，那是不存在的。

紅外光和人體溫度的關(guān)系

那么問題來了，既然每人每時(shí)每刻都在發(fā)射紅外光，儀器憑什么就能辨別出正常溫度和高燒呢？還能準(zhǔn)確讀出每個(gè)人的溫度？這里，我們請(qǐng)一位大佬幫忙解答，他就是與愛因斯坦并稱20世紀(jì)最重要的兩大物理學(xué)家，量子力學(xué)奠基人之一的馬克斯·普朗克，他于1900年提出的普朗克黑體輻射定律，完美詮釋了溫度與輻射的關(guān)系。

馬克斯·普朗克

簡單來講就是，不同溫度的物體發(fā)射的光是不一樣的，如下示意圖， 四條不同的曲線，代表不同溫度下黑體輻射的光譜分布，這里的K是熱力學(xué)溫度，數(shù)值等于攝氏度+273.15。大家可以看到，溫度越高，黑體輻射光的強(qiáng)度就越大，峰值的位置就越靠近紫外區(qū)域。那么，答案就呼之欲出了，如果探測到了人體的輻射強(qiáng)度和波譜分布，就完全可以反推出溫度T！這就是測溫儀測體溫的原理。（人體雖不是黑體，卻也遵循普朗克定律。）

普朗克定律

利用紅外光探測人體溫度究竟準(zhǔn)不準(zhǔn)

測溫儀的“ CPU”元件是什么

我們先從測溫儀的構(gòu)成說起，可以看到下圖中，真正與紅外光直接相關(guān)的，便是紅外探測器，顧名思義，這正是測溫儀利用紅外測溫的核心元件,就好比CPU芯片是手機(jī)電腦的核心。而它的質(zhì)量直接決定了測溫的準(zhǔn)確性。那么，如何判定紅外探測器的質(zhì)量呢？

電子額溫槍 [4]

這就需要了解紅外探測器測紅外的細(xì)節(jié)。簡單來說，紅外探測器也是由材料構(gòu)成，紅外探測器上的特殊光感材料可以接收外界的紅外輻射，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再進(jìn)行分析計(jì)算，最終給出溫度值。因此評(píng)價(jià)紅外探測器的好壞，就是評(píng)判其將光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能力。

在講紅外探測器的評(píng)價(jià)之前，我們插一句，火車站，機(jī)場中帶成像系統(tǒng)的測溫儀，采用的是更高端的焦平面陣列紅外探測器（FPA技術(shù)）。

設(shè)置在火車站的帶成像系統(tǒng)的測溫儀 [5]

這類成像測溫儀就如同照相機(jī)或攝像儀，內(nèi)部感光平面內(nèi)，分布了很多像素點(diǎn)，焦平面上每一個(gè)像素點(diǎn)就是一個(gè)紅外探測器，這種技術(shù)具有二維空間分辨的能力，具備紅外成像功能，可以將發(fā)高燒的人從人群中辨別出來。

紅外FPA檢測器

如何評(píng)價(jià)紅外探測器，確保其準(zhǔn)確性？

紅外探測器是將攜帶溫度信息的紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的元件，評(píng)估光/電信號(hào)轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性就是關(guān)鍵所在。

這里的光信號(hào)，一般是指光的能量強(qiáng)度和譜圖分布（與溫度相關(guān)），而科學(xué)家在研究分析這兩點(diǎn)的方法中，不得不提到紅外光譜法，一種重要的紅外探測器表征方法。實(shí)現(xiàn)該方法的核心設(shè)備就是在科學(xué)研究、檢測分析領(lǐng)域常見的傅里葉變換紅外光譜儀（簡稱FTIR紅外光譜儀）。

FTIR紅外光譜儀 —— 表征紅外探測器

FTIR紅外光譜儀是專門應(yīng)用于紅外光譜研究相關(guān)的科學(xué)儀器，配有標(biāo)準(zhǔn)的紅外光源，所發(fā)射的紅外光經(jīng)過干涉儀后，經(jīng)過照射樣品，最終到達(dá)紅外探測器，解析探測器的電信號(hào)，即可得到包含能量強(qiáng)度和波譜分布的紅外譜圖?？茖W(xué)家們就是把這種檢測技術(shù)應(yīng)用到了評(píng)價(jià)紅外探測器材料好壞的研究中，在對(duì)光敏度、穩(wěn)定性等等復(fù)雜的研究分析之后，才研發(fā)出適合于人體溫度探測的紅外探測器材料，進(jìn)而工廠將其研究的材料轉(zhuǎn)化為探測器并且大量生產(chǎn)而成為真正實(shí)用的商品（紅外測溫儀），發(fā)揮了科學(xué)家研究的作用。

換言之，紅外光譜儀對(duì)于探測器的表征研究，就好比是一把精準(zhǔn)的卡尺，用它來檢驗(yàn)每一根直尺的長度是否達(dá)到科學(xué)家們想要實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)。

iCAN 9傅立葉變換紅外光譜儀

以上就是測溫儀背后故事的小科普，相信大家對(duì)于最近很亮眼的測溫儀會(huì)有更進(jìn)一步的了解，對(duì)紅外探測器精確度的控制也有更深層次的認(rèn)知。大部分的額溫槍分辨能力都在正負(fù)0.3℃，也許在將來科學(xué)家們會(huì)研發(fā)出對(duì)溫度更敏感的紅外探測器材料（0.01℃甚至更低）。

所謂工欲善其事必先利其器，實(shí)際上并不是所有的紅外光譜儀都能做紅外探測器的研究與表征，能作為標(biāo)尺的設(shè)備，當(dāng)然只有技術(shù)過硬，具備特殊技能紅外光譜儀才能實(shí)現(xiàn)！如果您對(duì)紅外技術(shù)感興趣，長按下方二維碼與我們?nèi)〉寐?lián)系。

疫情期間，大家做好防護(hù)，注意安全。一起為祖國加油！為武漢加油！

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