近日，出于疫情防控的需要，進(jìn)出小區(qū)、地鐵、公交等公共場合，都少不了測量體溫這個(gè)環(huán)節(jié)。紅外測溫儀（測溫槍）頻繁打在腦門上，網(wǎng)上也流傳著各種調(diào)侃的段子。
測溫槍到底是怎樣測出你的溫度的？
為何測溫槍在你腦袋上“打一槍”就知道溫度的；它測得到底準(zhǔn)不準(zhǔn)；以及親戚群里最關(guān)心的，被這玩意打多了會(huì)不會(huì)影響健康？被測溫槍打多了會(huì)不會(huì)有損健康？——這個(gè)問題很經(jīng)典。這些問題，其實(shí)只要搞懂測溫槍的原理，就會(huì)一一迎刃而解。
測溫槍，學(xué)名是“紅外線測溫儀”或者“紅外線輻射測溫儀”。很多人一聽到“紅外”“輻射”這類的詞就一哆嗦，直接嚇尿。
說起來，歷來包含“紅外”“輻射”的設(shè)備科普起來總是一件麻煩事。要知道在“親戚群”里，才沒有人信你說的“任何物體都輻射”；更不會(huì)有人跟你談什么劑量。他們只知道只要“有輻射”，就應(yīng)該“寧可信其有”。
遺憾的是，測溫槍這玩意雖然名頭上冠著“輻射”和“紅外”，但不會(huì)對你的身體施加任何哪怕一丁點(diǎn)的影響。因?yàn)樗莻€(gè)接收器，不是發(fā)射器。
籠統(tǒng)的說，紅外測溫儀的原理是：被動(dòng)吸收目標(biāo)的紅外輻射能量，從而獲得物體溫度數(shù)值。
意思就是，你的身體無時(shí)無刻在向外擴(kuò)散輻射能量，而測溫槍的作用，是接收你身體某區(qū)域的輻射能量。如果真的說這個(gè)過程有什么危害的話，那么應(yīng)該擔(dān)心被輻射的也是測溫槍，沒準(zhǔn)萬一哪天測到個(gè)1000℃的腦門自己就憋了。
所以這玩意雖然長著一副槍的樣子，但只有被動(dòng)挨打的份。
好了，說明白這個(gè)問題，也許有些小伙伴就想搶答了——是不是這就意味著，測溫槍的工作過程就是像溫度計(jì)一樣，直接隔空感受你散發(fā)的“溫度信號”呢？——這樣的說法其實(shí)也不太對。
紅外測溫槍能接收到的，只是各種波段的電磁波，絕不是直接的溫度傳導(dǎo)。而其中最關(guān)鍵的，從“電磁波信息”到“溫度信息”的這一轉(zhuǎn)換過程，就要提到今天要說的真正的重點(diǎn)了——黑體輻射定律。
黑體輻射定律
當(dāng)你試圖在中文媒體平臺(tái)上搜索任何科技產(chǎn)品的原理時(shí)，除了會(huì)找到一些假裝科普的復(fù)制粘貼怪，就是一些讀理論、貼公式的讀課本式的天書。
這種不負(fù)責(zé)任的科普稱為“懶科普”。具體到這次的“測溫槍原理”就是——他們幾乎只會(huì)煞有介事地搬出基于黑體輻射定律的那段話：
自然界中一切高于絕對零度（-273.15℃）的物體都在不停向外輻射能量，物體的向外輻射能量的大小及其按波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的聯(lián)系，物體的溫度越高，所發(fā)出的紅外輻射能力越強(qiáng)。
誠然，這句話是一切的基礎(chǔ)，但是我相信如果不對里面的句子進(jìn)行拆解，不解釋黑體輻射的理論，幾乎沒有人能沉下心來去理解這話到底說了個(gè)什么意思。
這個(gè)黑體輻射定律是干啥用的呢，說白了就是物理學(xué)家想搞懂“電磁波信息”到“溫度（能量）信息”的轉(zhuǎn)換關(guān)系。
于是他們假想出了“黑體”這個(gè)東西。
這個(gè)時(shí)候我們繼續(xù)派出小姨的老朋友 卡比 出場。假設(shè)“黑卡比”就是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的“黑體”，它的特性是：入射的電磁波全部被吸收，既沒有反射，也沒有透射。
體現(xiàn)到卡比身上就是，吃掉的食物從來不吐出去，沒有浪費(fèi)地全部自己消化掉。
那么，消化掉的東西，最后就變成了卡比體內(nèi)的熱量，也就是熱輻射（我們可以把它通俗地理解為溫度）。
于是這個(gè)從“電磁輻射”（光）到“熱輻射”（熱）的過程，就叫黑體輻射。
好了，知道了這個(gè)原理，現(xiàn)在新的問題來了——我們該怎么知道黑體吸進(jìn)去的“光”到底轉(zhuǎn)化成了多少“熱”呢？
這個(gè)問題自從17世紀(jì)牛頓發(fā)現(xiàn)三棱鏡光色散現(xiàn)象的時(shí)候就開始研究了，科學(xué)家們一直鉆研了數(shù)百年，終于在1900年的時(shí)候，馬克思·普朗克在德國物理學(xué)會(huì)上公布了靠譜的“黑體輻射定律公式”。
其中為了證明這一公式而引出的衍生品“量子力學(xué)”概念，順道成為了現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基本支柱之一。
人類得到這個(gè)公式多不容易，看看它是用多少顏值換來的就知道了：
所以，為了讓這消耗掉的顏值不被辜負(fù)，我們現(xiàn)在就了解一下這個(gè)公式，別看寫起來復(fù)雜，其實(shí)都是紙老虎，它所揭示的無非是光與溫度的關(guān)系——
你看如果把它畫成圖，是不是就好懂一些了？
怎么理解這個(gè)圖呢，這幾條線的走勢反映的是某個(gè)固定溫度（單位K/國際標(biāo)準(zhǔn)溫度單位）下，不同波長的熱輻射強(qiáng)度。
比如里面的6000K（5727°C），這是太陽的溫度——于是根據(jù)黑體輻射定律公式，我們就能分別算出太陽光中不同波長（比如紅色、綠色、藍(lán)色、某段紅外線、某段紫外線……）的熱輻射能量（強(qiáng)度/I）是多少。
同理，如果我們知道某段光的熱輻射強(qiáng)度和光線波長，也可以算出其代表的“溫度”是多少了。
好的，我知道說到這很多同學(xué)還是想說“依然看不懂”，沒關(guān)系，這會(huì)兒看睡著的同學(xué)可以醒醒了，咱把理解難度繼續(xù)降維，下面才是重點(diǎn)。
我們只要看懂一點(diǎn)，就是——高溫度下的黑體輻射強(qiáng)度，在任何一個(gè)波長范圍內(nèi)，都高于低溫度下的黑體輻射。
反映到圖里就是，1500℃的紅色高溫曲線，在每段波長上強(qiáng)度都比1200℃的黃色曲線高：
紅外測溫儀就是根據(jù)這一特性設(shè)計(jì)出來的。
在這個(gè)理論基礎(chǔ)下，根據(jù)工程應(yīng)用所需的測量精度不同，紅外測溫儀有三種主要的設(shè)計(jì)方向。
其一，單色測溫法：利用單一波長下的單色輻射強(qiáng)度比值來判斷溫度；
其二，雙色測溫法：測量被測物體在兩個(gè)波長下的輻射強(qiáng)度比值的強(qiáng)度變化來判斷，這種方法比前者受外界影響更小，誤差也更?。?
其三，全輻射測溫法。
全輻射測溫法名字聽起來最牛逼，但其實(shí)是三種方法里精度相對最差的一種，不過優(yōu)勢就在于結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。
原因就在于其“大力出奇跡”式的設(shè)計(jì)思路——全輻射測溫法，是通過測量輻射物體的全波長的熱輻射總強(qiáng)度，來確定物體的輻射溫度的。
我們怎么理解這個(gè)概念呢，就是好比把一個(gè)溫度下的全波段輻射強(qiáng)度圖比做一個(gè)米山，現(xiàn)在讓卡比把整個(gè)米山全部吃掉，我們來測它吃掉后轉(zhuǎn)化的熱輻射能量總共有多少，最終推導(dǎo)出當(dāng)時(shí)的溫度值。
全輻射測溫法過程
現(xiàn)在小區(qū)門口給你測體溫的紅外線測溫槍，基本都是這一思路設(shè)計(jì)的。
所以思路縷清后，我們只需把一個(gè)這樣的卡比放在測溫槍中，測量出它吸收輻射后釋放的熱輻射量，就能換算出被測物對應(yīng)的溫度了。
這個(gè)能將接收到的“紅外電磁波輻射”轉(zhuǎn)換為“熱輻射”（黑體輻射過程），進(jìn)而把“熱輻射”轉(zhuǎn)化為電信號（熱電轉(zhuǎn)化過程）的東西就是：熱釋電紅外傳感器（簡稱：PIR）。
簡單列一下這東西的工作原理：
順便說一下，這玩意還真不貴：
測溫槍到底準(zhǔn)不準(zhǔn)
好了，原理搞明白，又可以回到接地氣的問題上了。所以另一個(gè)大家很關(guān)心的問題，就是這玩意測得準(zhǔn)不準(zhǔn)呢？
影響測量結(jié)果的原因是多方面的。
其一，客觀物理因素：
由于“黑體輻射定律”是在工作物質(zhì)是理論黑體的情況下演算的，而生活中物質(zhì)因?yàn)椴馁|(zhì)關(guān)系都是屬于不同“純度”的黑體，這個(gè)純度用“發(fā)射率”來表示。
理論黑體的發(fā)射率是1，平時(shí)我們測溫槍用的大多數(shù)都是0.95的發(fā)射率，這適用于生活中大多數(shù)的情況。所以你可以觀察一下，你能見到的測溫槍顯示屏基本上都會(huì)寫著“0.95”的字樣。
但這個(gè)0.95畢竟是根據(jù)被測物的材質(zhì)而定的浮動(dòng)值，這是測溫槍很難絕對準(zhǔn)確的原因之一。
其二，污染因素：
由于信息是通過電磁輻射（光）傳導(dǎo)的，這不可避免的會(huì)受到煙塵和水蒸氣等外界因素的影響；另外，機(jī)器入射口處的透鏡污染也是干擾項(xiàng)的一環(huán)。
其三，機(jī)器精度：
因?yàn)槌杀驹?，我們平時(shí)所用的測溫槍大多沒有用更精確的雙色測溫法技術(shù)，內(nèi)部元件的精細(xì)度也參差不齊；再有就是使用時(shí)的距離誤差導(dǎo)致的數(shù)值波動(dòng)了。
但是，這些有限的缺點(diǎn)還是很難成為我們拒絕測溫槍的理由。
現(xiàn)在我們正在使用的紅外測溫槍，比傳統(tǒng)的熱傳導(dǎo)測溫方式還是優(yōu)秀太多了——響應(yīng)時(shí)間短、測溫效率高，不用接觸被測物體依然可以有著相對可靠的準(zhǔn)確度，同時(shí)制作成本低廉，操作起來也足夠方便。
所以反過來想想，有這么多客觀因素的影響，紅外測溫槍依然能保證測量溫度維持在相對精確的范圍內(nèi)，這本身就是一種很厲害的事。它沒有那么完美，但依然是一種有限范圍內(nèi)，可以選擇到的好產(chǎn)品。
至少在今天來看，我已經(jīng)很難想像，這次防疫戰(zhàn)中如果沒有類似的科技產(chǎn)品的存在，僅僅是測體溫這一項(xiàng)，就會(huì)給防控工作帶來多大的困難了。（資料來源：微信公眾號：地球人研究報(bào)告，作者：你的外星小姨）
