在疫情期间,我们看到感人的一幕幕。比如杭州等地高速入城的体温检测点,在凌晨的寒风中,坚守在一线的工作人员宁可把暖宝宝给体温仪用,也不给自己用。
把“暖宝宝”留给测温仪。图片来源:安吉卫健局
为什么体温仪到了晚上就没用了呢?还有,为什么体温枪测出来的值变化这么大呢?
要回答这些问题,就要了解一下体温枪的原理。
体温枪到了晚上就需要暖宝宝,这是因为体温枪无法在0摄氏度中工作。
手持式红外测温仪也就是体温枪,它原理是这样的,物体发射的红外线射入后,被内部的热电堆(thermalpile)接收,热电堆会将红外线转化为热能,然后转化为电信号。电信号最终被转化为屏幕上的温度数值。
热电堆,价格很便宜,几十块钱就可以买到
热电堆里面的主要元件,是热电偶。简单来说,热电偶就是两根不同导体制作的电线,这两根电线在一端相连,另一段不相连。
早在1821年,德国物理学家Thomas Johann Seebeck就发现,如果把这两根电线的接头处放在热的地方,不连接的那一端放在冷的地方,那么它们不相连的那两端之间就会产生热电压,这个效应就被称为塞贝克效应(Seebeck effect),或者说第一热电效应。
加热两种不同金属(铜和回形针)制成的导线连接处,电表就有了变化。
当导线连接处冷却,导线两端失去温差,电表就归零了。
根据热电偶导体材料的不同,它们也被标准化命名为 K、R、S、J、K型热电偶。比如最常见的K型热电偶就是用镍铬合金和铝镍合金制造的。
常用于制造体温枪的K型热电偶在0-1000摄氏度的时候,对温度的敏感度不怎么变化,比如温度增加10摄氏度,输出电压就固定增加400微伏。利用输出电压,就可以倒推温度升高了多少,体温就是这么测出来的。
从图上看,这个敏感度,也就是塞贝克系数(单位温度变化带来的电压变化)就是一条水平线。但是到了0摄氏度以下,它就开始疯狂下坠——
K型热电偶(绿色)的塞贝克系数(单位温度变化带来的电压变化)随温度的变化。
体温枪是按照人体温附近的塞贝克系数计算温度的,0摄氏度以下它算出来的值就“瓦特”了,没用了。也因为体温枪容易受到环境温度的影响,它的精度要比普通水银体温计差。体温枪说明书也对此进行了解释,会要求使用前把体温枪保持在稳定的室温内至少30分钟。
第二个问题,为什么体温枪波动这么大?
我们刚才说到,体温枪的是依靠射入的红外线测量温度。更具体来说,材料的发射率,也就是物体吸收和发射热量的能力对温度的计算非常关键。
发射率反映的是物体表面讲真话(真实还原材料内部温度)的性质。一般来说,越粗糙,颜色越深的材料的发射率越接近1,测出来的温度越真实;而越反光的材料,像镜子的发射率就越低,测出来的温度越不准。所以,平面的黑色物体在测量时不需要发射率补偿,而测量具有反射性的物体则需要进行调整。
可是,大多数体温枪的默认发射率只有0.95,遇到强反射的物体,比如光明顶、玻璃,或者痘油脑门的时候测出的温度就偏低。这就是为什么测油脑门还不如测手腕处。
当然,更贵更精准的红外测温仪可以调整发射率,不过每次使用时要和普通温度计校准,十分麻烦。
不过,油皮使体温枪测不准只是一方面,另一方面在于测量距离。
是这样的,体温枪的说明书里会给一个测量距离比(distance to spot ratio),告诉你拿枪时多远的距离能测多大的面积。
比如,测量距离比为12:1的体温枪,可以在12厘米远的地方测量直径为1厘米的圆内的温度。可是,如果把体温枪拿太远,那么实测面积就会超出预期,奇怪的东西就混进来了。
一些非专业人士测量时没有控制好距离,就会导致测出来数值低于真实体温。所以你明白了吧,为什么你的油皮让体温枪的值波动这么大,为什么寒风中体温枪会失灵。
那么,商场、机场,还有火车站这些地方使用的热成像仪又是什么原理呢?
和体温枪一样,热成像仪也是利用红外线测量体温。但是和普通的相机镜头不同,热成像仪的镜头能过滤除红外线以外的电磁波,这样就只有红外线能够通过了。
射入热成像仪的红外线汇聚在探测器上,并在1/30秒内被绘制成热谱。热谱然后被转化为电信号,电信号被信号处理单元分析,然后被绘制成人能看得懂的图像,将红外线的强度和颜色关联起来。