红外测温仪与黑体辐射定律

陈伟孟 苏明义

(1. 中国人民大学附属中学,北京 100080; 2. 海淀区教师进修学校,北京 100195)

1 红外测温理论依据

200多年前,物理学家赫胥尔首次发现了红外线,自此打开了人类利用红外线的大门．现在,如图1所示的这些红外线测温枪具有响应时间短、操作简便等特点,不用接触被测人就能获得相对可靠的体温值,在日常生活中被普遍使用．测温枪开启后,内置传感器通过接收红外线,将红外线信号转变为电信号而迅速给出温度值．“测温枪”等仪器的基本原理是基于黑体辐射定律:自然界中一切高于绝对零度(-273.15℃)的物体都在不停地向外辐射电磁波,物体的向外辐射能量的大小及其按波长的分布与其表面温度有着密切关系,物体的温度越高,所发出的电磁波辐射能力越强．人体的正常温度在36～37℃之间,相应辐射的红外波长范围主要集中在9～13μm．因此,通过对物体自身辐射的红外能量的测量,便能准确地测定它的表面温度,这就是红外辐射测温所依据的客观基础．

图1 测温枪

什么是黑体呢?黑体是能够完全吸收入射的各种波长的电磁波而不发生反射的物体．如图2所示,在空腔壁上开一个很小的孔,射入小孔的电磁波在空腔内表面会发生多次反射和吸收,最终不能从空腔射出,这个小孔就可以近似看作一个绝对黑体．黑体虽然不反射电磁波,却可以向外辐射电磁波,这样的辐射叫做黑体辐射．因此,一个温度恒定的黑体就对应一个能量吸收和辐射的动态平衡．

图2 黑体模型

黑体是一种理想化的辐射体,它吸收所有波长的辐射能量,没有能量的反射和透射,其表面的发射率为1．研究表明,对于一般材料的物体,辐射电磁波的情况除了与温度有关,还与材料种类及表面颜色和粗糙程度等有关,而对于理想黑体,辐射电磁波的强度按波长的分布只与黑体的温度有关．由图3可知,高温的黑体辐射强度,在任何一个波长范围内,都高于低温的黑体辐射．随着温度的升高,一方面,各种波长的辐射强度都在增加,另一方面,辐射强度的峰值向波长较短的方向移动．

图3 黑体辐射规律

黑体辐射定律给出了辐射测温方法的理论依据,一般指的是普朗克定律、维恩位移定律和斯特潘——玻尔兹曼定律,这3个定律揭示了物体温度与辐射能量的关系．首先,如图3所示,普朗克定律就是通过理论公式描述了黑体在不同温度下的光谱辐射强度与波长的关系实验规律,普朗克公式参数比较复杂．其次,斯特潘——玻尔兹曼定律为:从零到无穷大的波长范围内对普朗克黑体辐射定律进行积分,就会得到温度为T的绝对黑体,单位面积内所发射的全部波长范围的辐射通量,它与温度T的四次方成比例关系,即M0(T)=σT4,揭示了黑体全波积分辐射出射度与其温度T之间的关系．另外,维恩位移定律表示为:在某温度T时,黑体的辐射最大亮度对应的波长λm与T成反比关系:λmT=b．如图3所示,黑体温度越高峰值波长越小,黑体温度越低则峰值波长越大．

2 红外测温的具体办法

红外线测温仪主要由显示输出电路、光学系统、光电探测器、信号放大处理放大器等部分组成,被测物辐射的红外能量,通过一定距离的传输被红外测温仪接收到,大气中的很多气体分子对红外辐射有一定的吸收作用,在正常体温测量的短距情况下,在仪器规定范围之内的气体影响则可忽略不计．

以人体为例,人在一定情况下可视为恒温的热辐射体,人体的皮肤发射率很高,正常的体温约为36.5℃,其绝对温度值约为T=309.6K．正常人体的辐射出射度根据斯特潘——玻尔兹曼定律可计算出约为M=509.9W/m2,由维恩位移定律可得人体辐射峰值的波长约为λm=9.36μm．由于人体温度在小范围内变化,辐射波长也会在其峰值附近波动．红外测温仪器就是根据黑体辐射的特性制作出来的,根据应用所需的测量精度的不同,红外测温仪主要有全辐射测温法、单色测温法和双色测温法3种设计方向．

(1) 全辐射测温法.

由斯特潘——玻尔兹曼定律可知,黑体辐射能量仅与黑体的全辐射温度有关,且正比于绝对温度的四次方．全辐射测温法是根据测量物体整个光谱范围内的所有波长辐射的总能量,如图4所示黑体在各个温度的辐射规律,然后与标准黑体标定的实验进行比较来确定物体的温度．在给定的温度下,物体的辐射出射度在不同波长上是不同的．由图4所示的典型辐射可知,任何温度黑体的辐射电磁波的波长分布范围都很大,全辐射测温法实际上受限于实际中没有能够吸收所有波长范围的光电探测器,所以可以说都是部分波长辐射测温法,即测量高温物体光谱辐射出射度在一定波长范围内的积分,计算出有相同辐射出射度积分的黑体温度并作为被测物体的辐射温度．由于一般设备的光学接收系统无法全部接收到被测物体所辐射的红外线,所以我们只能把被测物体辐射的大概96%的能量接收,忽略那4%的损失,压缩吸收红外线的波段来简化光学系统,来测量物体的温度．另外,理想黑体的发射率为1,而对于一般的物体,发射率是要小于1的．不同物体发射率和其组成材料成分、表面状态、温度等有关,发射率的影响是全辐射测量误差的重要影响因素,也是实际应用需要考虑的．

图4 典型辐射

(2)单色测温法.

分析图4的典型辐射,结合维恩公式λmT=b可知,只要测知某辐射黑体的峰值波长λm,即可算出其温度．但λm会随着物体温度变化而变化,实际测温仪一般只能将某一波段的光转化为电信号,因此λm难以测定．

同一波段在不同温度下,物体辐射的能量也是不同的,单色测温仪就是通过这个原理来研制的．与我们在做双缝干涉实验时的操作类似,加上某个滤光片之后,白光就会变成红光或绿光,复色光就会变成单色光．我们通过选用单色滤光片来选择实验所需的波长,如图5所示,选定a或者b这样的某一特殊波长,在给定波长左右的窄光谱范围的辐射能量积分所计算的温度,将被测物体的辐射能量换算成温度值．同时,在实际测温时,被测物体不可能是理想黑体,会影响光谱发射率的大小,要得到物体的真实温度,就需要对测得的温度进行修正．单色测温依据被测波段的范围,还可以分为两种更为具体的测温方法——窄带单色测温和宽带单色测温,高温测量一般用短波长区,宽带测温多用于低温测量,多是长波区．

图5 单色和双色测温原理

(3) 比色测温法.

发射率的确定是测温的重点,在实际中受很多因素的影响,一般方法获得的物体发射率都有较大的误差．单色测温容易被发射率和环境温度干扰,以至于测量误差较大,精度降低,而双色或多色测量等比色测量正好可以弥补这一点．在同一温度下,发射率与波长有很密切的关系,如果能使得所选择的波长的发射率近似相等,那么它们对比色温度的影响就可以忽略了．如图5所示,选定a和b这样的不同波长,比色测温是收集被测物体在相同时间内的不同波段的辐射能量,进行比较计算出物体温度信息．我们可以使用两个能滤过特定光谱的窄带滤光片滤出两个波长相近的窄波段,而其发射率也近似相等．即根据测量a和b两个给定的不同波长的辐射功率的比值,结合理想黑体辐射规律,设计黑体定标通过曲线拟合来确定物体的温度．例如,测定波长为λ1和λ2的辐射亮度,所选择的波长参数已知,根据不同波长发射率之比就可算出两者的比值而比对定温．