红外测温这些事(热成像科普系列第二篇)

上一篇讲到了影响测温准确性的3个因素。感兴趣的朋友可以点击《红外测温这些事(热成像科普系列第一篇)》阅读。

 

这次我们先从人体的热辐射说起。

 

人体的体表温度

人体的体表温度容易受其他因素的影响。进出小区的时候,测温枪一打,测的是人的体表温度。与相对稳定的体内温度相比,人的体表温度往往会因为其他因素的变化而产生变化。

测量体表温度的影响因素

环境温度:比如你在寒风凌厉的东北,体表温度会是多少?

运动状态:刚刚进行过跑步后,整个人也会跟着“火热”起来,这时你的体表温度又会是多少?

生理差异:人与人之间的体温本身就是不同的。比如女性体温一般略高于较男性体温,儿童体温一般略高于成年人。正常情况下,即使是你本尊不变,根据昼夜节律,体温也会在一天中波动循环,通常在凌晨最低,起床活动后逐渐升高,至下午达到高峰,以后又逐渐下降。

测温点的选择:目前大多数人会选择将人的前额作为红外测温的测温点,因为在人体皮肤表面,额头的表面无遮挡、毛细血管分布密集、温度分布比较均匀,是较好的测温点。

基于上述原因,建议测温场所选择环境稳定的室内。在室内静止片刻后再进行额温测量,即可大大提升准确度哦~当然如果测出发烧了,先不要惊慌,多等等,再试一次。

还有一些厂家描述能适应冬天室外测温的就不要信了,冬天室外额温很低的。

人体的发射率
发射率指物体的辐射能力与相同温度下黑体的辐射能力之比,是一个小于1的数,和物体的材质有关。如下图中被缠上了一圈胶带的水杯,我们可以看到相同温度、不同发射率的物体发出的红外辐射是不一样的。那人体的发射率是多少呢?
相同温度下,不同发射率的物体经测量人体皮肤的发射率为0.98,接近1,可近似黑体处理。一般我们用来标定的黑体,实际的发射率也在0.995这种水平。如何测得物体的发射率也有很多方法,不在此冗述。

常见物体发射率

物体发射的热辐射,在空气中传播,是否会受到影响呢?答案是肯定的,但我们也有解决问题的办法。

依据基尔霍夫定律,物体发射的热能只和温度和波长有关,要探测温度,我们无需探测全波段的能量,红外波段集中了大量的辐射能量,所以测温的探测器都集中对红外波段做研究。

物体的红外辐射与大气的穿透性和波长有很大关系。很幸运,上帝给我们开了几扇窗(学名:红外大气窗口),主要的大气窗口包括包括 2μm -2.6μm,3μm~ 6μm 和 8μm~14μm。如下图所示,红外热成像技术就是在利用红外辐射的“大气窗口”。(很多红外探测器选择锗玻璃镜头就是因为,锗玻璃在2-16μm波段具有很好的透光性能,且化学性质稳定。)

大气透射光谱

虽然是窗口,但透射比还是没有达到1,所以热辐射受距离影响会有一定的衰减。距离近时,我们把问题简化,忽略掉影响;距离远时,需要考虑相应的温度补偿。近似是很多工程学上常用的方法,问题通过近似被简化,逼近误差的控制范围。

一代一代的工程师们为了解决一个又一个的工程难题,探究物理世界的奥秘,观测各种现象,挖掘各种材料的属性,找到工程上和商业上的最优解,不过回头看时才发现,这些只是上帝留下的一个个题目,等着我们求解,解完之后还得感慨你大爷终究是你大爷。

下面就是最关键的一环了——探测器。虽然将热辐射转换为电信号有很多种方式,但目前工业界常用的有两类探测器:A 基于热电堆(热电偶)的探测器;B 基于电阻微测辐射原理的探测器。

基于热电堆(热电偶)的探测器

额温枪、人脸测温平板多采用这种方案。

 

基于热电堆(热电偶)的探测器

 

热电堆就是根据塞贝克效应机理,当热结点受到入射辐射照射时,温度升高,就会和参考结点形成温度差,并产生温差电势。通过标定不同的温差电势对应的温度,就可以得到物体的温度。由于温差电势比较微弱,一般还会接上功率放大器来对信号进行放大。

热电堆芯片多采用硅基微(MEMS)加工工艺制成。国内的产能有限,所以这段时间需求量一来,全行业缺货,芯片的价格成倍增长,短时间也解决不了。这里面比较知名的厂商有国外的迈来芯、海曼、安费诺,台湾的众智以及大陆的上海烨映等。

在评测完多款国内外知名芯片的情况下,我们得到如下结论:同一厂家医用级的芯片优于工业级的芯片,在人体测温领域,请认准医用级的方案(当然工业测温可以选择工业级方案)。比如mlx 90614的bci版本和dci版本比起来,误差大了一倍。

同一厂家单点式的测温精度优于阵列式,比如迈来芯的mlx90614就优于90640。这个道理比较简单,同样的传感器尺寸工艺条件下,更多的电偶对捕获的电势差来表征温度会更精准。当加入透镜,感知一个点的温度的电偶对减少时,精度也很难提升。

同样的问题也出现在其它厂商的面阵芯片。在实验室条件下,相对黑体,很多面阵芯片也只能达到±1℃或±2℃的误差控制水平。但我们也看到有这样的产品在市面上流通,这种产品测量出来的温度如何甄别发热人员?

做的比较好的芯片,会把热电堆和功率运放单元集成到一个模块,这样的工艺在标定的时候能更好的控制误差。目前国内芯片的这么做的还比较少,精度也还不够。但相信这次疫情会进一步提升国内公司在这一领域的竞争力。

基于电阻微测辐射原理的探测器
另一类探测器是基于电阻微测辐射原理。

基于电阻微测辐射原理的探测器

 

热敏电阻受红外辐射影响,会产生温度改变,进而改变电阻阻值,读出由电阻阻值改变造成的电压变化即可获得红外辐射的数值。

热成像仪多采用这种原理,按热敏电阻材料不同,又有采用氧化钒的方案和多晶硅的方案。这里领军的企业有国际上的FLIR(行业绝对老大) 、ULIS(多晶硅独树一帜),国内的高德红外、大立科技、睿创微纳、海康微影(海康威视子公司)。

国内的企业这几年发展迅速,特别是烟台的睿创微纳和海康。睿创微纳的军工和中高端出货量可观,海康也在低分辨率上采用他们惯用的价格战,拿下了大块的份额,整个探测器的价格也逐年下降。

热成像相机,在这次疫情中大放异彩,各种集成方案五花八门,但这些集成方案不能脱离热成像测温的核心原理和逻辑。

下一篇文章我们会一层层抽丝剥茧,讲清楚这些方案的来龙去脉(包括传统的热成像测温、环境中加入黑体的测温、AI测温)。

 

—  【 To Be Continued 】  —

 

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