红外温度计的原理及使用

摘要：去年以来，新冠疫情突发，各行业持续开展疫情防控工作 ，各类红外温度计的使用量在持续增加，相关媒体也在大篇幅的报道全国各地疫情防控的进程及具体措施。通过相关报道及在日常生活工作中的所见所闻，发现该类温度计的使用存在着很多问题。本文针对红外温度计的基本概念、如何选择以及使用中存在的诸多问题进行阐释。

关键词：新冠，疫情防控，红外温度计，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年来，红外技术已经广泛的应用于民用领域，如红外资源卫星、红外气象卫星、红外加热、红外测温等[1]。“非典”和新冠疫情的突发，使得红外测温技术迅猛发展，越来越多的红外测温设备（一般称红外测温仪、红外温度计或辐射温度计）出现在大众视野。现在应用于测量人体体温方面的红外测温仪器主要有红外额温计、红外耳温计、红外筛检仪、红外成像仪等[2]。该类计量器具与传统的人体测温仪器相比具有测量速度快、非接触无污染、读数直观等优点，已经成为人们日常生活中测量体温的重要仪器。

1、 辐射测温的基本概念

在温度测量中，按照测温元件和被测物体的空间位置来讲，测量方法可以分成两类：一种是接触测温法，一种是非接触测温法。接触测温法指的是传统的测温方法，是利用热传递原理进行测量的;非接触测温法是近些年兴起的，也称为辐射测温法，它是通过测量物体的热辐射来进行温度测量的[3]。

19世纪各国科学家致力于发现各种辐射温度计，如基尔霍夫（Kirchhoff）定律、斯忒藩-玻尔兹曼（Stefan-Boltzman）定律、维恩（wein）位移定律、普朗克（Planck）定律等。到了20世纪，重点主要放在应用方面。物体的辐射能量和物体的温度具有一定的函数关系，热辐射温度计就是以此为基础创立的。任何物体都具有热辐射，所谓热辐射就是指从物体表面连续发射出来的能量，会以电磁波的形式被检测出来。物体的表面温度决定着物体所能辐射能量的大小，因此只要我们能够测量物体自身所辐射的红外能量，就可以准确的得到物体的表面温度。由于辐射温度计探测的是物体的辐射能量，所以探测元件自身就不必达到被测温度，故测温上限可以根据所选用的测温元件的性质来决定[4]。

在60年以前，辐射测温主要应用在800℃以上，也即高温测量。随着辐射测温理论不断发展，测温技术也稳步提高，中常温、低温测量也已经可以实现。电子技术与辐射测温技术的结合，大大提高了辐射测温的应用水平，快速测温与动态测量，毫秒级甚至微秒级的辐射温度计的问世，在工业生产、科学研究、国防应用等的进步和发展中起到了极大的推动作用。

理论上来说，物体在任意温度下都存在热辐射，并不是只有灼热物体才存在热辐射，只是它们的辐射光谱范围不同罢了。低温时，辐射能量非常小，而且主要是发射波长较长的红外线。随着物体温度越来越高，其所辐射出的能量急剧增加，同时辐射的光谱渐渐往短波方向偏移。

为了研究利用热辐射，创造了黑体的概念。黑体的吸收率和发射率都为1，即黑体可以将外部辐射的能量全部吸收，并且可以全部辐射出与物体自身温度相当的能量。一般来讲，自然界中的实际物体，几乎都不是黑体，实际物体辐射的能量，除了与辐射波长有关，还与物体自身温度有關，另外，物体的材质、表面形状以及物体所处的环境条件等因素也会影响物体辐射出的能量。所以，引入了一个概念—发射率，发射率是一个介于0和1之间的数值，表征物体实际的热辐射与黑体辐射的接近程度。发射率越接近于1，说明物体的特性越接近于黑体，它与物体的材质和表面状态有关。这样黑体辐射定律的应用就得到了推广，根据辐射定律，了解材料的发射率，我们就可以获知物体的辐射特性。

辐射测温的优点是显而易见的：测量时不接触被测物体，不会对被测物体的温场、热平衡状态产生干扰和破坏;并且在测温上限上，没有限制，它可以进行超高温测量;动态响应好，易于快速测量和动态测量;在一定的条件下，可以实现连续测量、自动记录和自动控制。它的主要缺点测得的是物体辐射温度，而不是物体的真实温度，如要准确测量物体的真实温度，需要对材料发射率进行修正，这往往是一个非常困难的事情[5]。辐射测温技术原理上来说相对复杂，且辐射温度计的设计要求各不相同，如比色温度计测值精度较高，接近真实温度，但价格相对比较昂贵，不能被广泛采用。另外辐射温度计在测量过程中通常会受到中间介质的影响，因此对波长范围的选择是很重要的，这些都限制了辐射温度计在某些方面的使用。

2、 如何选择红外测温仪

由于红外测温仪机构复杂，影响测量效果的原因有很多，因此，如何选择合适的测温仪显得尤为重要，一般主要考虑温度范围、工作波长、光斑直径、响应时间、目标尺寸等性能指标，另外使用环境也是重点考虑的方面。

2.1、测温范围

测温范围是红外测温仪最重要的技术指标。不同厂家、型号的测温仪，测温范围通常不同。因此，用户在选择红外测温仪时，首先看测温范围是不是符合要求，做到既不能过大，也不能过小。根据黑体辐射定律，在光谱的短波段由温度引起的辐射能量的变化将超过由发射率误差所引起的辐射能量的变化，因此，用于人体测温时应尽可能的选用短波段，范围也不要太宽，一般从20℃左右到45℃左右就可以了。

2.2、波长范围

红外测温仪的光谱响应，通常受到材料的发射率和目标物体的表面特性的影响。如果目标物体材料为高反射率合金材料，那么其发射率较低，一般会发生一定的变化。测量高温范围时，近红外波长范围是测量金属材质的最佳波段，一般可选择（0.18-1.0）μm波长。其他温度范围可选用（1.6-3.9）μm波长。但是对于有些材料来讲，在一定波长下红外能量不会产生辐射，而是会穿透这些材料，因此，测量这种材料的物体，应该选择特殊的波长。

2.3、光学分辨率

通过辐射测温理论我们可以知道，红外测温仪到目标物体之间的距离称为D，光斑直径称为S，那么光学分辨率就是D与S的比值。如果被测目标尺寸较小，因为环境条件的限制，又必须将测温仪安装在与被测目标较远处，此时就应该选择光学分辨率较高的测温仪。一般光学分辨率越高，测温仪的成本也越高，因此在选择测温仪时，要根据需要选择合适的光学分辨率。

2.4、目标尺寸

根据测温原理的不同，红外测温仪可以分为两种：单色测温仪、双色测温仪。不同的测温仪在测量时有不同的要求。如果选择单色测温仪测量被测目标，被测目标的面积应该充满红外测温仪的视场，一般要求被测目标的尺寸要大于测温仪视场的一半。如果被测目标尺寸比测温仪的视场小，就会产生背景辐射能量干扰，影响测量的准确性。

2.5、响应时间

响应时间表征了测温仪对被测物体温度变化而产生相应变化的反应速度。雷泰（Reytek）新型红外测温仪响应时间可达1ms，这要比传统的接触式测温方法快得多。如果被测物体是快速移动的，或者需要测量急速骤热的目标时，就要选用响应时间较小的测温仪;如果被测物体是静止的，或者有充足的稳定时间时，响应时间就可以不用那么严格了。因此，要根据被测物体具体情况，来选择响应时间。

2.6、使用环境

测量时的环境条件也会很大程度上影响测量结果。如果测量环境处在噪声比较大、电磁场比较强、震动剧烈或其他恶劣条件下，最好选择光纤双色测温仪。此时，可以选择测温传感器和显示设备分开的仪器，方便分别安装和配置，并且能够选择与现行控制设备相匹配的信号输出形式。

3、 红外体温计在使用过程中的注意事项

本人从事温度计量工作，疫情期间，去各大超市、车站、医院等公共场所巡查，经常碰到这种現象。测温人员使用的测温仪器是一款手持式红外辐射温度计，外观上看，与医用红外测温仪相差无几，但实际上它是一款工业用红外辐射温度计，因为其测温上限较高，主要用于工业测温，在37℃附近存在着较大的误差，根本不适合测量人体体温。另外工作人员在使用该仪器时，仪器距离被测人员的额头忽远忽近、忽正忽偏，根本没有一个具体的测试距离和位置，这也将导致出现较大的读数误差，因为红外辐射温度计的示值跟其光学分辨率有着很大关系，具体的说就是目标直径与测量距离的关系，每款红外辐射温度计都有自己的光学分辨率，应该确定该款仪器的确切使用距离。

就目前来看，现在使用于测量人体体温方面的红外测温仪器主要有红外成像仪、红外体温计、红外耳温计、红外额温计、红外筛选仪等，该类计量器具与传统的人体测温仪器（比如水银体温计、电子体温计等）相比具有携带使用方便、无污染隐患、读数直观、方便操作等优点，已经逐步成为我们日常生活中用于人体测温的重要计量器具[6]。根据使用行业不同，其选择的类型、型号也存在着些许差异：比如检验检疫、医院、口岸等部门主要选用的是红外热成像仪、红外筛检仪、红外额温计、耳温计等;学校、超市、企业主要选用的是红外额温计、耳温计等，而这些红外测温仪的使用中出现最多问题的应该就是红外额温计了[7]。

目前，红外筛检仪的准确度可以达到±0.3℃，红外耳温计计能达到±0.2℃。可以说在准确性上红外体温计是可以满足测量要求的。但是在实际使用中应该注意以下几点。首先，新购买的红外体温计在使用之前需要进行校准，以确定其修正值。对于使用频繁的红外体温计或者对测温结果有疑问时，也应当进行校准。黑体辐射源在有效发射率、控温稳定性方面有较好的性能，一般选其作为标准器进行红外测温仪的校准。其次，绝对不可以选用工业辐射温度计测量人体温度。因为工业辐射温度计测温范围较广，在人体温度附近有较大的误差，根本不适合测量人体体温。第三，红外体温计一般在室内使用，如果测量刚在室外进来的人时，由于测量的是体表的温度，往往出现测量不准确的情况。此时，最好使被测人在室内呆一段时间，使人体达到热平衡后，再进行测量。

在我们的日常生产生活中还有很多行业、部门也在使用人体用红外测温仪，而且类型繁多、良莠不齐，这些红外测温仪就没有得到很好的管理和控制，有必要引起各监管部门和使用部门的重视，只有全社会都重视、了解了该类仪器，才能发挥其在疫情防控工作中的重要作用。红外测温仪使用方便，测量速度快，无接触测量，比传统测温方法有着无可比拟的优势。随着技术的发展，红外测温仪在温度测量方面必将得到越来越广泛的应用。只要我们了解红外测温的基本原理、操作方法和注意事项，就可以最大限度的保障其测量可靠性。

参考文献：

[1]人体红外测温仪的科普小知识[J].计量与测试技术，2020，47（02）：117-119

[2]刘晓英. 精密光电高温测量系统的研究[D].中北大学，2020：8-9

[3]刘雨薇，龚仁蓉，许瑞华，李远霞，李卡.人体不同部位红外温度计体温测量值的比较研究[J].护理学杂志，2020，35（16）：59-62

[4]葛泽勋. 医用红外测温仪及其关键技术研究[D].长春理工大学，2019：12-13

[5]周四清，吴双双，张莉群，邹轶.人体红外温度计校准装置设计与验证[J].中国计量，2016（12）：71-72

[6]王伟，罗小金，黄锋.人体常用测温方法的比较分析[J].中国计量，2021（07）：63-66.

[7]谢鹏.检定辐射温度计过程中应该注意的问题[J].工业计量，2013，23（02）：17-18

高朋飞，男，1988年9月生，硕士研究生，工程师，研究方向为温度计量。