紅外測溫儀及其他

韓吉辰

甲型H1N1流感疫情在全球呈蔓延之勢，許多國家紛紛采取預(yù)防措施，避免疫情入境，包括在入境通道啟用“紅外熱成像體溫視頻監(jiān)測系統(tǒng)”，對旅客進(jìn)行體溫監(jiān)測。這不禁令人想起，在抗擊“非典”的戰(zhàn)斗中，紅外測溫儀曾經(jīng)大顯身手。使用它在1秒鐘內(nèi)就能鑒別旅客是否發(fā)燒。由于不接觸皮膚，因此對人體無任何害處。紅外測溫儀技術(shù)先進(jìn)，結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜，但它的測溫原理并不深奧。要說清它的原理，先要從紅外線說起。

看不見的“光線”——紅外線

17世紀(jì)，牛頓用棱鏡作了太陽光的色散實(shí)驗(yàn)，1672年，他在《關(guān)于光和色的新理論》一文中，把實(shí)驗(yàn)中呈現(xiàn)在白屏上的類似天空中彩虹的紅橙黃綠藍(lán)靛紫七色光帶稱為光譜，他認(rèn)為太陽光是由這七色光組成的。

1800年，曾發(fā)現(xiàn)天王星的英國天文學(xué)家威廉·赫歇耳，用靈敏溫度計(jì)研究各種色光的熱作用，他把溫度計(jì)移到光譜中紅光外側(cè)的區(qū)域時，驚奇地發(fā)現(xiàn)溫度升得更高，說明有看不見的射線照射到溫度計(jì)上。這種波長大于紅光的不可見光線，就是神通廣大的“紅外線”。后來，有人又在太陽光譜中紫光外側(cè)的區(qū)域發(fā)現(xiàn)了另一種看不見的光線——紫外線。我們知道，人耳只能聽到很小的頻率范圍內(nèi)的聲音，超聲波和次聲波人們都聽不到，而紅橙黃綠藍(lán)靛紫是人所能看到的光，超出光譜上這一范圍的光，人們同樣是看不見的。

大家對看不見的光并不陌生，照X光，做手術(shù)的γ刀中的γ射線，人們都看不見。原來光實(shí)際上就是電磁波，不同顏色的光具有不同的頻率，而光的頻率在不同介質(zhì)中會發(fā)生改變。為了研究方便，人們就用光的一個不變的量——波長來表示它。打個形象的比方，不同的波長，就相當(dāng)于賽跑時運(yùn)動員大小不同的步幅。在光譜上，紅外線區(qū)域是比可見光還要寬的波段，而所謂近紅外，就是靠近紅光區(qū)域?qū)?yīng)的紅外線，遠(yuǎn)紅外就是遠(yuǎn)離紅光區(qū)域?qū)?yīng)的紅外線。它們的波長各不相同。

紅外線也是一種電磁波，波長在無線電波與可見光波之間，約為0.75～1000微米。電磁波家族按波長順序是這樣排列的：長波、短波、超短波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線……其中長波的波長最長，X射線的波長一般不超過1納米。

產(chǎn)生紅外線的光源極多，任何物體只要處在絕對零度即-273.15℃以上，都會輻射紅外線?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，紅外線與熱的關(guān)系最密切，比如太陽既可以輻射可見光，也可以輻射紫外線和紅外線，其中紅外線部分占了太陽總輻射量的一半左右。一般說來，物體的溫度與輻射的紅外線有關(guān)，物體溫度越高，輻射紅外線的波長越短，輻射強(qiáng)度越大?？紤]到紅外線與熱的緊密關(guān)系，也有人把紅外線叫做“熱線”。在工業(yè)上，高溫物體的測溫早就使用了“紅外測溫儀”。

紅外測溫儀的原理和結(jié)構(gòu)

我們知道，人體的體溫一般保持在36.5℃左右，是一個天然的生物紅外輻射源。人體能量的45％是以紅外輻射的形式散發(fā)的。醫(yī)生們發(fā)現(xiàn)，人的健康和人的體溫之間有一定的聯(lián)系，測量人體溫度的儀器主要使用水銀體溫計(jì)，需要放在舌下或腋下，必須嚴(yán)格消毒，而且不能立即得到結(jié)果。

近30年來，非接觸紅外測溫儀在技術(shù)上得到迅速發(fā)展，性能不斷完善，功能不斷增強(qiáng)，品種不斷增多，適用范圍也不斷擴(kuò)大。比起接觸式測溫方法，紅外測溫有著響應(yīng)時間快、非接觸、使用安全及使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。非接觸紅外測溫儀包括便攜式、在線式和掃描式三大系列。便攜式紅外測溫儀應(yīng)用普遍，對準(zhǔn)額頭或耳朵，1秒鐘時間內(nèi)就可測出人體的溫度。用紅外測溫儀檢測體溫，通常只有33℃上下，原來這是檢測人體表(皮膚)的溫度。體表的溫度比體溫低，而且隨著體溫的升高而升高，若人體表溫度超過35℃，這人體溫就較高了。所以嚴(yán)格地說，紅外測溫儀不是用來檢測人的體溫，而是快速鑒別人是否發(fā)燒。一般人體表溫度超過35.5℃，儀器就會發(fā)出鳴叫聲。

紅外測溫儀結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一般由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。物體的紅外輻射能量的大小與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準(zhǔn)確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據(jù)的原理。

還有一種帶有紅外線發(fā)射器的測溫儀，就是主動式紅外測溫儀。紅外線經(jīng)被測人反射，由測溫儀接收。由于體溫不同的人吸收不同波長的紅外線，這樣就能根據(jù)接收紅外線的波長和強(qiáng)度測出發(fā)熱者。據(jù)報道，在俄羅斯投入使用的大型主動式紅外測溫儀，使用它能快速發(fā)現(xiàn)50米遠(yuǎn)的發(fā)熱者。

紅外“熱象”技術(shù)

公安干警追捕罪犯，趕到房間一看，罪犯剛剛掀開被子逃走。公安干警立即用一種特殊的照相機(jī)，對準(zhǔn)床鋪進(jìn)行拍照。從照片上可以看到一個白色的身影，可以判斷出罪犯的身高、體形和性別等體征。奇怪，這是什么“照片”呢?原來它是一張“熱象”照片，同樣是利用紅外線進(jìn)行成像的。

紅外線與可見光一樣，都可以用于攝像技術(shù)，由于紅外線的波長比可見光要長，它不易被天空的微粒所散射，穿透力強(qiáng)。利用紅外線可以拍攝被濃霧或煙塵籠罩的景物。

利用紅外線掃描技術(shù)，還可以隨時觀察到動態(tài)的物象，一般叫做“熱象儀”。與一般電視攝像差不多，熱象儀由光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測器、電子信息處理系統(tǒng)和顯示器組成。景物目標(biāo)發(fā)出的紅外線，由探測器(一種高靈敏熱電傳感器)轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)過放大處理，最后在顯示器上以可見光的形式顯示出來?！盁嵯蟆?，可以放大，也可以縮小，還可以保存。

當(dāng)人生了病，人體的熱平衡就遭到破壞，某些局部的溫度就會發(fā)生變化，這就給紅外“熱象”診病提供了線索。

紅外“熱象”技術(shù)，可以顯示人體的整個“熱象”，還可以得到每個時刻體溫變化的動態(tài)全貌，并且能夠拍照和存儲。醫(yī)生可以分析病人全身“熱象”圖，找出異常溫區(qū)，根據(jù)溫區(qū)變化的規(guī)律，即可以診斷疾病。

“癌癥”早期發(fā)現(xiàn)極其重要，利用紅外“熱象”技術(shù)就可以對一些癌癥作出早期診斷，如乳腺癌、甲狀腺癌、皮膚癌等。研究表明，有癌變的部位通常要比正常部位的溫度高，而這種溫度差異，在“熱象儀”上可以“一目了然”，非常清楚。另外對于一些血管病變，如血栓形成閉塞性動脈硬化、血管狹窄等也可作出明確診斷。

紅外“熱象”這種在20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一門技術(shù)，現(xiàn)在正沿著兩個方向發(fā)展，一個是高精度，一個是高速度。目前，高精度熱象儀可以分辨零點(diǎn)幾度甚至零點(diǎn)零幾度的溫度變化；而高速度熱象儀則可以每秒鐘成像幾十幅，多用于活動目標(biāo)的連續(xù)顯示。

“夜視”技術(shù)

神奇的“夜視儀”可以在黑暗中看清周圍事物，主要有兩種：微光夜視儀和紅外夜視儀。

夜晚只要有點(diǎn)點(diǎn)星光，微光夜視儀就可以大顯身手，儀器中的“象增管”能夠把從景物發(fā)射回來的微弱光線增強(qiáng)，放大能力可達(dá)100萬倍。這樣，利用“微光夜視儀”完全可以將微光環(huán)境中的景物看得“一清二楚”。

“紅外夜視儀”則可以在絕對黑暗中使用，它又分為“被動型”和“主動型”兩種。由于任何物體都在不斷輻射著紅外線，“紅外夜視儀”可以接收這些紅外線，通過光電轉(zhuǎn)換再加以放大。由于不同的物體輻射紅外線能力是不同的，最后可以將物體顯現(xiàn)出來。就是前面說過的“熱象儀”原理，這是一種被動型“紅外夜視儀”。還有一種主動型“紅外夜視儀”，原理和雷達(dá)一樣：它能夠自己先向一定方向不斷發(fā)射出紅外線，再接收從物體反射回來的紅外線信號，進(jìn)行放大處理，用來區(qū)分物體和背景，不但可以看清物體的大小形狀，以及物體的距離，還可以根據(jù)“多普勒效應(yīng)”，知道被測物體的運(yùn)動方向和速度。

“紅外夜視儀”還能在濃霧中照“看”不誤，因?yàn)榧t外線能傳播很遠(yuǎn)的距離，在軍事偵察、公安消防和環(huán)境保護(hù)方面有著特殊的作用。(文章代碼：1305)

責(zé)任編輯龐云