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红外热成像仪测量体温的原理与精度限制
发布日期:2020-03-22 15:58

红外成像仪是一种能够利用红外波进行成像的装置。由于红外波与光波波长差别很大,有很多不同的特性,红外热成像仪能够实现许多有用的特性,在工业监测、火灾救援、公共安全和军事等领域发挥着重要的应用。
红外热成像测温系统
 

一般常用的红外热成像仪是通过对 9~14 μm 波段的电磁波来进行成像和探测实现的。根据黑体辐射原理,任何物体都在向外辐射电磁波,温度越高,辐射的电磁波波长越短。太阳的温度很高(高达5700 K左右),所以太阳辐射的电磁波峰在500 nm左右。而对于常温(27℃)的物体,其辐射峰值约在10 μm左右,并且辐射功率与温度正相关。所以如果有一种类似相机的设备,能够探测 9~14 μm 的电磁波,将能够利用物体自身的辐射来进行成像,而不需要外部的照明光源。由于辐射的强弱与温度正相关,因此,成像的亮度也与物体的温度正相关:温度越高,辐射功率越高,探测到的信号越强,对应的成像也就越亮。因此,这种成像设备能够用来测试物体表面的温度分布。由于是利用物体自身的辐射进行成像,不需要额外的照明光源,所以在夜晚等环境下也能够成像,实现类似夜视仪的效果。

 

由于这个波段的电磁波辐射也被称为红外波,所以这种设备就也被称为红外热像仪。

在硬件上来看,红外热像仪与常用的相机结构基本类似,主要包括接收红外波进行红外成像的红外镜头,和对红外波进行探测的红外探测器。

红外热像仪的组成结构
红外镜头与普通光学镜头原理类似,即通过对红外波的折射操控其传输方向,实现成像的目的。但是用的材料是对红外波吸收较小的锗晶体,硅晶体,和硫化物玻璃等。

红外探测器 其中的能够探测电磁波的探测器也有多种技术实现方案,包括非制冷型红外焦平面阵列探测器,制冷型红外探测器等。不过这类探测器技术还不是很成熟,性能还有待提高。如何提升这类探测器的性能也是工业界和学术界研究的课题。在测试体温的应用中,一般用成本较低,同时性能也差一些的非制冷型红外焦平面探测器。

红外热成像仪经常被用于工业测量,监控设备温度变化等应用中起着重要的作用。同时由于中红外波比较容易穿透烟雾,因而红外热成像仪也经常用于火灾救援等任务中。

在这次新冠状病毒疫情中,由于感染的一个明显症状是发热,因而对人体体温进行快速准确的测量对疫情的防控具有重要意义。有不少检测站点用红外热成像仪进行人体温度的测量,其优势包括

  • 测量速度快
  • 非接触式测量减小交叉感染
  • 监控视场较大,便于在人流量较大的场景中进行多人体目标的检测

 

但是应用红外热成像仪测量温度在理论上存在一些限制,使得其测试物体的绝对温度存在一定的误差。这个限制,从本质上讲,是红外热成像仪探测到的红外波的强度不只与物体的温度有关,还与物体的辐射率、物体与红外热像仪的距离有关。

物体辐射率

物体辐射红外波的功率不仅和自身温度有关,还和物体本身的辐射率有关,这是由物体本身的材料特性决定的。同样的温度,不同材料的物体的辐射率不同,在红外热像仪成像结果看来亮度是不同的。因此,红外热像仪只有在用户输入的正确的辐射率来校准后才有可能较为准确的估计出物体的温度。


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