紅外測溫儀的工作原理

一、物理基礎：黑體輻射定律

紅外測溫的核心依據是熱輻射理論——任何溫度高于絕對零度（-273.15℃）的物體均會向外輻射電磁波，其波長主要集中在紅外波段（0.7μm–1000μm）。

三大核心定律

1. 斯蒂芬-玻爾茲曼定律

• 黑體單位面積輻射功率與其絕對溫度的四次方成正比：
  $M=\sigma ?T^4$
  （$\sigma$：斯特藩常數 5.67×10?? W·m?2·K??；$T$：絕對溫度）

• 實踐意義：通過測量總輻射能量反推物體溫度。

2. 維恩位移定律

• 峰值輻射波長$\lambda_$與溫度$T$成反比：
  ${\lambda }_{\max }=\frac{b}{T}(b=2898\mu m?K)$

• 例：人體37℃時$\lambda_=9.35\ \mu m$，熔鐵（1500℃）$\lambda_=1.7\ \mu m$。

3. 普朗克輻射定律

• 描述黑體在特定波長$\lambda$下的輻射強度：
  $M_{\lambda }=\frac{C_1}{{\lambda }^5}?\frac{1}{e^{C_2\mathrm{/}(\lambda T)}?1}(C_1=3.74\times {10}^{?16}W?m^2,C_2=1.44\times {10}^{?2}m?K)$

• 技術價值：為紅外傳感器波長選擇提供理論依據。

 關鍵結論：紅外測溫儀通過捕捉目標物體的紅外輻射能量→分析輻射波長分布→計算實際溫度。

二、儀器結構與工作流程

1. 光學系統

• 物鏡組件：

• 材料：鍺（Ge）、硒化鋅（ZnSe）等紅外透射材料（8–14μm波段透過率>90%）。

• 功能：聚焦目標紅外輻射至探測器，視場角（FOV）決定測量區域大?。ǔＲ?°–30°）。

• 孔徑光闌：控制入射光通量，避免探測器飽和。

2. 紅外探測器（核心傳感器）

3. 信號處理系統

• 放大電路：將探測器輸出的μV級電壓信號放大1000倍以上。

• 環境溫度補償：

• 內置熱敏電阻實時監測儀器內部溫度。

• 根據修正公式消除環境溫差影響：
  $T_{\text{真實}}={\left(\frac{V_{\text{輸出}}}{K?\epsilon }\right)}^{1\mathrm{/}4}+T_{\text{環境}}$
  （$K$：校準系數；$\varepsilon$：發射率）

• A/D轉換：將模擬信號轉為數字信號供處理器計算。

4. 溫度計算與輸出

• 發射率校正：用戶輸入目標材質發射率$\varepsilon$（常見值：人體皮膚0.98，鋁箔0.05，陶瓷0.92）。

• 算法處理：基于普朗克公式反演溫度值，結合環境參數校準。

• 顯示/輸出：LCD屏幕顯示溫度，支持4–20mA/RS485等工業接口。

三、關鍵技術挑戰與解決方案

1. 發射率誤差（主要誤差源）

• 問題：非黑體（$\varepsilon<1$）輻射能量低于同溫度黑體。

• 對策：

• 高發射率涂料（如測溫貼紙）覆蓋被測物。

• 雙色測溫法：測量兩個波段輻射比，降低對$\varepsilon$的依賴（適用熔融金屬）。

2. 環境干擾

• 大氣吸收：水蒸氣/CO?吸收特定紅外波段（2.7μm, 4.3μm）。

• 對策：選用“大氣窗口"波段（3–5μm, 8–14μm）。

• 背景輻射：高溫物體反射周邊熱源輻射。

• 對策：調整測量角度，使用遮光罩。

3. 測量距離限制

• 距離系數比（D:S）：如20:1表示距目標20cm時可測直徑1cm的區域。

• 對策：高D:S比鏡頭（可達300:1）用于遠距離小目標測量（高壓電線接頭）。

四、典型應用場景

五、技術演進趨勢

1. 多光譜測溫：同時分析3個以上波段，顯著提升復雜環境精度。

2. AI圖像融合：紅外熱像儀+可見光攝像頭，自動識別過熱點（如光伏板故障定位）。

3. MEMS微型化：手機集成紅外測溫模組（如FLIR One）。

4. 無發射率測量：基于深度學習算法自適應校正材質差異。

總結：紅外測溫儀的本質是“輻射能→溫度"的高效轉換系統，其精度取決于光學設計、探測器性能、環境補償算法三者的協同優化。隨著材料與芯片技術的進步，非接觸測溫正向微型化、智能化、多維度感知方向快速發展。