红外测温枪能接收到的,只是各种波段的电磁波,绝不是直接的温度传导.而最关键的一条,从“电磁波信息”到“温度信息”的转换过程,就是要提到今天要说的真正关键点——黑体辐射定律。
黑体辐射定律
当你试图在中文媒体平台上搜索任何科技产品的原理时,都会发现一些伪装成科普的复制粘贴怪兽,也就是一些教科书式的读理论贴公式的天书。
大妈喜欢把这种不负责任的科普叫做“懒科普”。到具体的“测温枪的原理”是——他们几乎只会振振有词地搬出基于黑体辐射定律的一段话:
自然界中,所有高于绝对零度(-273.15)的物体都在不断辐射能量。物体向外辐射能量的大小和波长分布与其表面温度密切相关。物体的温度越高,它发出的红外辐射能力越强。
诚然,这句话是一切的基础,但我相信,如果不把里面的句子拆开来解释黑体辐射的理论,几乎没有人能沉下心来理解这句话的真正含义。
哎,其实很简单。
这个黑体辐射定律是干什么用的?说白了,物理学家想搞清楚“电磁波信息”和“温度(能量)信息”的转换关系。
所以他们想象了“大胆”的事情。
这时候我们继续送阿姨的老朋友卡比出去。假设“黑色出租车司机”是一个标准的“黑体”,具有以下特征:入射的电磁波全部被吸收,既没有反射,也没有透射。.
体现在卡比身上就是吃的东西从来不吐出来,全部自己消化,没有浪费。
然后,被消化的最后变成了卡比体内的热量,也就是热辐射(我们通俗地可以理解为温度)。
所以这个从电磁辐射(光)到热辐射(热)的过程叫做黑体辐射。
好了,知道了这个原理,现在新的问题来了――我们怎么才能知道被黑体吸入的“光”转化成了多少“热”?
这个问题从17世纪牛顿发现三棱镜的光色散现象开始就一直在研究。科学家们已经研究了数百年。终于在1900年,马克思普朗克在德国物理学会发表了可靠的“黑体辐射定律公式”。
黑体辐射定律公式
为了证明这个公式,衍生的“量子力学”概念成为现代物理学的两大基本支柱之一。
人类得到这个配方并不容易。你看看它换了多少面值就知道了:
所以,为了让这个消费的面值不负众望,我们现在来看看这个公式。虽然写起来很复杂,但其实是纸老虎。它揭示的无非是光和温度之间的关系―
看,如果你把它画成图,会更容易理解!(不尽然)
这个图怎么理解?这些线的走向反映了在某一固定温度下不同波长的热辐射强度(单位K/度-天)。
比如其中的6000K(5727C),这是太阳的温度――所以根据黑体辐射定律的公式,我们可以计算出太阳中不同波长(比如红、绿、蓝、某红外线、某紫外线……)的热辐射能量(强度/I)。
同样的道理,
如果我们知道某段光的热辐射强度和光线波长,也可以算出其代表的“温度”是多少了。好的,我知道说到这很多同学还是想说“依然看不懂”,没关系,这会儿看睡着的同学可以醒醒了,咱把理解难度继续降维,下面才是重点。
我们只要看懂一点,就是――高温度下的黑体辐射强度,在任何一个波长范围内,都高于低温度下的黑体辐射。
反映到图里就是,1500℃的红色高温曲线,在每段波长上强度都比1200℃的黄色曲线高:
红外测温仪就是根据这一特性设计出来的。
在这个理论基础下,根据工程应用所需的测量精度不同,红外测温仪有三种主要的设计方向。
其一,单色测温法:利用单一波长下的单色辐射强度比值来判断温度;其二,双色测温法:测量被测物体在两个波长下的辐射强度比值的强度变化来判断,这种方法比前者受外界影响更小,误差也更小;前面这两种能不能理解看个人造化,我们详细说一下第三种――
其三,全辐射测温法。全辐射测温法名字听起来最牛逼,但其实是三种方法里精度相对最差的一种,不过优势就在于结构简单,成本较低。
原因就在于其“大力出奇迹”式的设计思路――全辐射测温法,是通过测量辐射物体的全波长的热辐射总强度,来确定物体的辐射温度的。
我们怎么理解这个概念呢,就是好比把一个温度下的全波段辐射强度图比做一个米山,现在让卡比把整个米山全部吃掉,我们来测它吃掉后转化的热辐射能量总共有多少,最终推导出当时的温度值。
全辐射测温法过程
现在小区门口给你测体温的红外线测温枪,基本都是这一思路设计的。