一、物理基礎(chǔ)：黑體輻射定律

紅外測溫的核心依據(jù)是熱輻射理論——任何溫度高于絕對(duì)零度（-273.15℃）的物體均會(huì)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(duì)溫度的四次方成正比：
  $M=\sigma ?T^4$
  （$\sigma$：斯特藩常數(shù) 5.67×10?? W·m?2·K??；$T$：絕對(duì)溫度）

• 實(shí)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$\lambda_{\max}$與溫度$T$成反比：
  ${\lambda }_{\max }=\frac{b}{T}(b=2898\mu m?K)$

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

3. 普朗克輻射定律

• 描述黑體在特定波長$\lambda$下的輻射強(qiáng)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(shù)價(jià)值：為紅外傳感器波長選擇提供理論依據(jù)。

 關(guān)鍵結(jié)論：紅外測溫儀通過捕捉目標(biāo)物體的紅外輻射能量→分析輻射波長分布→計(jì)算實(shí)際溫度。

二、儀器結(jié)構(gòu)與工作流程

1. 光學(xué)系統(tǒng)

• 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(biāo)紅外輻射至探測器，視場角（FOV）決定測量區(qū)域大小（常見1°–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(hào)處理系統(tǒng)

• 放大電路：將探測器輸出的μV級(jí)電壓信號(hào)放大1000倍以上。

• 環(huán)境溫度補(bǔ)償：

• 內(nèi)置熱敏電阻實(shí)時(shí)監(jiān)測儀器內(nèi)部溫度。

• 根據(jù)修正公式消除環(huán)境溫差影響：
  $T_{\text{真實(shí)}}={\left(\frac{V_{\text{輸出}}}{K?\epsilon }\right)}^{1\mathrm{/}4}+T_{\text{環(huán)境}}$
  （$K$：校準(zhǔn)系數(shù)；$\varepsilon$：發(fā)射率）

• A/D轉(zhuǎn)換：將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)供處理器計(jì)算。

4. 溫度計(jì)算與輸出

• 發(fā)射率校正：用戶輸入目標(biāo)材質(zhì)發(fā)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(jié)合環(huán)境參數(shù)校準(zhǔn)。

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

三、關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)與解決方案

1. 發(fā)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(duì)策：

• 高發(fā)射率涂料（如測溫貼紙）覆蓋被測物。

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

2. 環(huán)境干擾

• 大氣吸收：水蒸氣/CO?吸收特定紅外波段（2.7μm, 4.3μm）。

• 對(duì)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(duì)策：調(diào)整測量角度，使用遮光罩。

3. 測量距離限制

• 距離系數(shù)比（D:S）：如20:1表示距目標(biāo)20cm時(shí)可測直徑1cm的區(qū)域。

• 對(duì)策：高D:S比鏡頭（可達(dá)300:1）用于遠(yuǎn)距離小目標(biāo)測量（高壓電線接頭）。

四、典型應(yīng)用場景

五、技術(shù)演進(jìn)趨勢

1. 多光譜測溫：同時(shí)分析3個(gè)以上波段，顯著提升復(fù)雜環(huán)境精度。

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

3. MEMS微型化：手機(jī)集成紅外測溫模組（如FLIR One）。

4. 無發(fā)射率測量：基于深度學(xué)習(xí)算法自適應(yīng)校正材質(zhì)差異。

總結(jié)：紅外測溫儀的本質(zhì)是“輻射能→溫度”的高效轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其精度取決于光學(xué)設(shè)計(jì)、探測器性能、環(huán)境補(bǔ)償算法三者的協(xié)同優(yōu)化。隨著材料與芯片技術(shù)的進(jìn)步，非接觸測溫正向微型化、智能化、多維度感知方向快速發(fā)展。