科學(xué)家開發(fā)非接觸式溫度計成功改進(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)隊基于光催化中熱效應(yīng)與非熱效應(yīng)（熱電子）面臨的熱點問題，提出一種準(zhǔn)確且具有實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。

這項技術(shù)的優(yōu)勢在于它不依賴單一的黑體發(fā)射強度，因此規(guī)避了溫度依賴發(fā)射率及紅外攝像機或溫度計常見的誤差問題。近紅外溫度計在200攝氏度及以上時，可實現(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度下，近紅外溫度計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)由計算機記錄，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)用價值。

這項新技術(shù)有望在光熱反應(yīng)中實現(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，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)實現(xiàn)精準(zhǔn)的溫度測量；同時，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，紅外照相機明顯低估了光熱催化劑的表面溫度。這種近紅外溫度計的原理可以擴(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)）。

但是因為催化劑的溫度測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)致錯誤的活化能。基于此，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。