#众志成城战疫有我#防疫科普作品选登——“红外测温仪”的秘密

近来新型肺炎蔓延,红外线测温仪大显身手。使用它不接触皮肤,因此对人体无任何害处。红外线测温仪技术先进,结构也较复杂,但它的测温原理并不深奥。要说清它的原理,先要从红外线说起。

看不见的“光线”——红外线

17世纪,牛顿用棱镜作了太阳光的色散实验,1672年,他在《关于光和色的新理论》一文中,把实验中呈现在白屏上的类似天空中彩虹的红橙黄绿蓝靛紫的光带,称为光谱,他认为太阳光是由这七色光组成的。之后,人们对太阳光谱进行了深入的研究,有了很多新发现。

1800年,曾发现天王星的英国天文学家威廉·赫歇耳,用灵敏温度计研究各种色光的热作用,他把温度计移到光谱中红光外侧的区域时,惊奇地发现温度升得更高,说明有看不见的射线照射到温度计上。这种波长大于红光的不可见光线,就是神通广大的“红外线”。后来,有人又在太阳光谱中紫光外侧的区域发现了另一种看不见的射线——紫外线。这就像声音一样,人耳只能听到很小的频率范围内的声音,超声和次声人们都听不到。红橙黄绿蓝靛紫是人所能看到的光,超出光谱上这一范围的光,人们就看不见了。

大家对看不见的光并不陌生,照X光,做手术的γ刀中的γ射线,人们都看不见。原来,光本质上就是电磁波,不同颜色的光具有不同的频率。红外线也是一种电磁波,波长在无线电波与可见光波之间,约为0.75 ~ 1000微米。电磁波家族按波长顺序是这样排列的:长波、短波、超短波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线等。其中长波的波长最长,顺序越来越短,X射线的波长一般不超过1纳米。

产生红外线的光源极多,任何物体只要处在绝对零度以上,即-273.15℃以上,都会辐射红外线。红外线与热的关系最密切,比如太阳既可以辐射可见光,也可以辐射紫外线和红外线,其中红外线部分占了太阳总辐射量的一半左右。红外线的发现是人类对自然认识的一次飞跃,对研究、利用和发展红外技术领域开辟了一条全新的广阔道路。考虑到红外线与热的紧密关系,也有人把红外线叫做“热线”。在工业上“高温”物体的测温,早就使用了“红外线测温仪”。


红外线测温仪的原理

我们知道,人体的体温一般保持在36.5℃左右,也是一个天然的生物红外辐射源,要知道,人体能量的45 %是以红外辐射的形式散发到周围的。医生们发现,人的健康和人的温度之间有一定的联系,测量人体温度的仪器主要使用水银体温计,需要放在舌下或腋下,必须严格消毒,还等待几分钟。

近30年来,非接触红外测温仪在技术上得到迅速发展,性能不断完善,功能不断增强,品种不断增多,适用范围也不断扩大。比起接触式测温方法,红外测温有着响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点。红外测温仪一般由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。

便携式红外测温仪应用普遍,对准额头或手腕,1秒钟时间内就可测出人体的表面温度,严格地说,用红外线测温仪不是检测人的体温,而是快速鉴别人是否发烧。一般人体表温度超过35.5℃,仪器就会发出鸣叫声。

还有一种带有红外线发射器的测温仪,就是主动式红外线测温仪。红外线经被测人反射,由测温仪接收。由于体温不同的人吸收不同波长的红外线,这样就能根据接收红外线的波长和强度测出发热者。最近推出的“千里眼热力成像体温检测”系统当有人经过安检门时,电脑屏幕的红外影像上会即时显示人员体温,一旦体温过高,系统将自动告警。系统可同时监测视野内多人体温、非接触性的体温,探测精度达±0.5°,相比普通的测温枪,检测效率大大提升。系统一旦发现疑似发烧人员就会自动声光提醒。

红外诊断技术正是通过吸收这种红外辐射能量,可探知发热体表面温度及温度场的分布,从而判断设备发热情况。目前应用红外诊技术的测试设备比较多,如红外测温仪、红外热电视、红外热像仪等等。像红外热电视、红外热像仪等设备将这种看不见的“热像”转变成可见光图像,使测试效果直观,灵敏度高。


热是怎样“成像”的?

公安干警追捕罪犯,赶到房间一看,罪犯刚刚掀开被子逃走。公安干警立即用一种特殊的照相机,对准床铺进行拍照。从照片上可以看到一个白色的身影,可以判断出罪犯的身高、体形和性别……。奇怪,这是什么“照片”呢?原来它是一张“热象”照片,是利用一种看不见的光线——红外线拍摄的。

红外线与可见光一样,都可以用于摄像技术,由于红外线的波长比可见光要长,它不易被天空的微粒所散射,穿透力强。利用红外线可以拍摄被浓雾或烟尘笼罩的景物。

利用红外线扫描技术,还可以随时观察到动态的物象,一般叫做“热象仪”。与一般电视摄象差不多,由光学系统、红外探测器、电子信息处理系统和显示器组成。景物目标发出的红外线,由探测器(一种高灵敏热电传感器)转变成电信号,经过放大处理,最后在显示器上以可见光的形式显示出来。“热象”,可以放大,也可以缩小,还可以保存。

当人生了病,人体的热平衡就遭到破坏,某些局部的温度就会发生变化,这就给红外线“热象”诊病提供了线索。

红外线“热象”技术,可以显示人体的整个“热象”,还可以得到每个时刻体温变化的动态全貌,并且能够拍照和内存。医生可以分析病人全身“热象”图,找出异常温区,根据温区变化的规律,即可以诊断疾病。

比如,人类的大敌“癌症”早期发现极其重要。利用红外“热象”技术可以对一些癌症作出早期诊断,如乳腺癌、甲状腺癌、皮肤癌等。研究表明,有癌变的部位通常要比正常部位的温度高,往往要高1~3度,而这种温度差异,在“热象仪”上可以“一目了然”,非常清楚。另外对于一些血管病变,如血栓形成闭塞性动脉硬化严重血管狭窄等作出明确诊断。热象技术在医学上的应用方兴未艾,大有用武之地啊。


红外成象技术是在20世纪60年代发展起来的一门新技术,现在正沿着两个方向努力,一个是高精度,一个是高速度。目前,高精度热象仪可以分辨零点几度甚至零点零几度的温度变化;而高速度热象仪则可以每秒钟成象几十幅,多用于活动目标的连续显示,比如在入境通道,启用“红外热成像体温监测系统”,对旅客进行体温监测。

红外线技术发展很快,进入各个领域。你可以认真观察一下,看看在我们周围以及生产科研中,看不见的光线——红外线还有哪些重要的贡献啊!