紅外溫度計的原理及使用

摘要：去年以來，新冠疫情突發，各行業持續開展疫情防控工作 ，各類紅外溫度計的使用量在持續增加，相關媒體也在大篇幅的報道全國各地疫情防控的進程及具體措施。通過相關報道及在日常生活工作中的所見所聞，發現該類溫度計的使用存在著很多問題。本文針對紅外溫度計的基本概念、如何選擇以及使用中存在的諸多問題進行闡釋。

關鍵詞：新冠，疫情防控，紅外溫度計，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，紅外技術已經廣泛的應用于民用領域，如紅外資源衛星、紅外氣象衛星、紅外加熱、紅外測溫等[1]。“非典”和新冠疫情的突發，使得紅外測溫技術迅猛發展，越來越多的紅外測溫設備（一般稱紅外測溫儀、紅外溫度計或輻射溫度計）出現在大眾視野。現在應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、紅外耳溫計、紅外篩檢儀、紅外成像儀等[2]。該類計量器具與傳統的人體測溫儀器相比具有測量速度快、非接觸無污染、讀數直觀等優點，已經成為人們日常生活中測量體溫的重要儀器。

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的測溫方法，是利用熱傳遞原理進行測量的;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行溫度測量的[3]。

19世紀各國科學家致力于發現各種輻射溫度計，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，重點主要放在應用方面。物體的輻射能量和物體的溫度具有一定的函數關系，熱輻射溫度計就是以此為基礎創立的。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發射出來的能量，會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，就可以準確的得到物體的表面溫度。由于輻射溫度計探測的是物體的輻射能量，所以探測元件自身就不必達到被測溫度，故測溫上限可以根據所選用的測溫元件的性質來決定[4]。

在60年以前，輻射測溫主要應用在800℃以上，也即高溫測量。隨著輻射測溫理論不斷發展，測溫技術也穩步提高，中常溫、低溫測量也已經可以實現。電子技術與輻射測溫技術的結合，大大提高了輻射測溫的應用水平，快速測溫與動態測量，毫秒級甚至微秒級的輻射溫度計的問世，在工業生產、科學研究、國防應用等的進步和發展中起到了極大的推動作用。

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，輻射能量非常小，而且主要是發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，同時輻射的光譜漸漸往短波方向偏移。

為了研究利用熱輻射，創造了黑體的概念。黑體的吸收率和發射率都為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的能量。一般來講，自然界中的實際物體，幾乎都不是黑體，實際物體輻射的能量，除了與輻射波長有關，還與物體自身溫度有關，另外，物體的材質、表面形狀以及物體所處的環境條件等因素也會影響物體輻射出的能量。所以，引入了一個概念—發射率，發射率是一個介于0和1之間的數值，表征物體實際的熱輻射與黑體輻射的接近程度。發射率越接近于1，說明物體的特性越接近于黑體，它與物體的材質和表面狀態有關。這樣黑體輻射定律的應用就得到了推廣，根據輻射定律，了解材料的發射率，我們就可以獲知物體的輻射特性。

輻射測溫的優點是顯而易見的：測量時不接觸被測物體，不會對被測物體的溫場、熱平衡狀態產生干擾和破壞;并且在測溫上限上，沒有限制，它可以進行超高溫測量;動態響應好，易于快速測量和動態測量;在一定的條件下，可以實現連續測量、自動記錄和自動控制。它的主要缺點測得的是物體輻射溫度，而不是物體的真實溫度，如要準確測量物體的真實溫度，需要對材料發射率進行修正，這往往是一個非常困難的事情[5]。輻射測溫技術原理上來說相對復雜，且輻射溫度計的設計要求各不相同，如比色溫度計測值精度較高，接近真實溫度，但價格相對比較昂貴，不能被廣泛采用。另外輻射溫度計在測量過程中通常會受到中間介質的影響，因此對波長范圍的選擇是很重要的，這些都限制了輻射溫度計在某些方面的使用。

2、 如何選擇紅外測溫儀

由于紅外測溫儀機構復雜，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、響應時間、目標尺寸等性能指標，另外使用環境也是重點考慮的方面。

2.1、測溫范圍

測溫范圍是紅外測溫儀最重要的技術指標。不同廠家、型號的測溫儀，測溫范圍通常不同。因此，用戶在選擇紅外測溫儀時，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射率誤差所引起的輻射能量的變化，因此，用于人體測溫時應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，通常受到材料的發射率和目標物體的表面特性的影響。如果目標物體材料為高反射率合金材料，那么其發射率較低，一般會發生一定的變化。測量高溫范圍時，近紅外波長范圍是測量金屬材質的最佳波段，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。但是對于有些材料來講，在一定波長下紅外能量不會產生輻射，而是會穿透這些材料，因此，測量這種材料的物體，應該選擇特殊的波長。

2.3、光學分辨率

通過輻射測溫理論我們可以知道，紅外測溫儀到目標物體之間的距離稱為D，光斑直徑稱為S，那么光學分辨率就是D與S的比值。如果被測目標尺寸較小，因為環境條件的限制，又必須將測溫儀安裝在與被測目標較遠處，此時就應該選擇光學分辨率較高的測溫儀。一般光學分辨率越高，測溫儀的成本也越高，因此在選擇測溫儀時，要根據需要選擇合適的光學分辨率。

2.4、目標尺寸

根據測溫原理的不同，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有不同的要求。如果選擇單色測溫儀測量被測目標，被測目標的面積應該充滿紅外測溫儀的視場，一般要求被測目標的尺寸要大于測溫儀視場的一半。如果被測目標尺寸比測溫儀的視場小，就會產生背景輻射能量干擾，影響測量的準確性。

2.5、響應時間

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

2.6、使用環境

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

3、 紅外體溫計在使用過程中的注意事項

本人從事溫度計量工作，疫情期間，去各大超市、車站、醫院等公共場所巡查，經常碰到這種現象。測溫人員使用的測溫儀器是一款手持式紅外輻射溫度計，外觀上看，與醫用紅外測溫儀相差無幾，但實際上它是一款工業用紅外輻射溫度計，因為其測溫上限較高，主要用于工業測溫，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，儀器距離被測人員的額頭忽遠忽近、忽正忽偏，根本沒有一個具體的測試距離和位置，這也將導致出現較大的讀數誤差，因為紅外輻射溫度計的示值跟其光學分辨率有著很大關系，具體的說就是目標直徑與測量距離的關系，每款紅外輻射溫度計都有自己的光學分辨率，應該確定該款儀器的確切使用距離。

就目前來看，現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、紅外耳溫計、紅外額溫計、紅外篩選儀等，該類計量器具與傳統的人體測溫儀器（比如水銀體溫計、電子體溫計等）相比具有攜帶使用方便、無污染隱患、讀數直觀、方便操作等優點，已經逐步成為我們日常生活中用于人體測溫的重要計量器具[6]。根據使用行業不同，其選擇的類型、型號也存在著些許差異：比如檢驗檢疫、醫院、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、耳溫計等;學校、超市、企業主要選用的是紅外額溫計、耳溫計等，而這些紅外測溫儀的使用中出現最多問題的應該就是紅外額溫計了[7]。

目前，紅外篩檢儀的準確度可以達到±0.3℃，紅外耳溫計計能達到±0.2℃。可以說在準確性上紅外體溫計是可以滿足測量要求的。但是在實際使用中應該注意以下幾點。首先，新購買的紅外體溫計在使用之前需要進行校準，以確定其修正值。對于使用頻繁的紅外體溫計或者對測溫結果有疑問時，也應當進行校準。黑體輻射源在有效發射率、控溫穩定性方面有較好的性能，一般選其作為標準器進行紅外測溫儀的校準。其次，絕對不可以選用工業輻射溫度計測量人體溫度。因為工業輻射溫度計測溫范圍較廣，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，紅外體溫計一般在室內使用，如果測量剛在室外進來的人時，由于測量的是體表的溫度，往往出現測量不準確的情況。此時，最好使被測人在室內呆一段時間，使人體達到熱平衡后，再進行測量。

在我們的日常生產生活中還有很多行業、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，有必要引起各監管部門和使用部門的重視，只有全社會都重視、了解了該類儀器，才能發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，比傳統測溫方法有著無可比擬的優勢。隨著技術的發展，紅外測溫儀在溫度測量方面必將得到越來越廣泛的應用。只要我們了解紅外測溫的基本原理、操作方法和注意事項，就可以最大限度的保障其測量可靠性。

參考文獻：

[1]人體紅外測溫儀的科普小知識[J].計量與測試技術，2020，47（02）：117-119

[2]劉曉英. 精密光電高溫測量系統的研究[D].中北大學，2020：8-9

[3]劉雨薇，龔仁蓉，許瑞華，李遠霞，李卡.人體不同部位紅外溫度計體溫測量值的比較研究[J].護理學雜志，2020，35（16）：59-62

[4]葛澤勛. 醫用紅外測溫儀及其關鍵技術研究[D].長春理工大學，2019：12-13

[5]周四清，吳雙雙，張莉群，鄒軼.人體紅外溫度計校準裝置設計與驗證[J].中國計量，2016（12）：71-72

[6]王偉，羅小金，黃鋒.人體常用測溫方法的比較分析[J].中國計量，2021（07）：63-66.

[7]謝鵬.檢定輻射溫度計過程中應該注意的問題[J].工業計量，2013，23（02）：17-18

高朋飛，男，1988年9月生，碩士研究生，工程師，研究方向為溫度計量。