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测温枪测体温对人体有害?从测温枪原理说到遥感 精选

已有 5455 次阅读 2020-2-29 12:24 |个人分类:科普荟萃|系统分类:科普集锦

新冠肺炎疫情当前,测体温就成了常态,只要有大门的地方,小区、校园、实验室、写字楼、超市等等都要测,虽然场合不同,但测定方式大致一致,安保人员会掏出一把类似手枪的东西,对着额头或手腕扣动扳机打一下。说实话,这东西不仅样子长得像手枪,而且名字也称为 “红外测温枪”。 

说到枪,我们首先想到的就是士兵手中的那件东西。不管是在冷兵器时代还是热兵器时代枪都是士兵手中最基本的战斗武器,都是具有致命杀伤力的。

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所以,许多人看到这种类似枪而且名字也叫枪的东西,不免心生疑问,这样测体温对人体有伤害吗,会不会影响健康? 

可能大多数人看到枪,以为是这样的

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或者是这样的

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但实际上它是这样的

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哦,原来它只是一个接收器,而不是发射器呀。对呀,这东西正式的称谓叫做“红外线测温仪” ,只是外形酷似手枪而已,在原理上与手枪没有半毛钱关系。实际上,它还可以做成这样的,甚至还可以成像显示。image.png

通过这种方式测体温,与我们用体温计测量是非常不同的。体温计测体温是必须接触到人的身体,必须用人的身体将体温计加热到与其的温度一致,不管是医用玻璃水银体温计还是电子体温计,都一样。所以,我们用医用玻璃水银体温计就必须等待5分钟以上,用电子体温计就必须等待它发出哔哔哔的叫声,整个测量过程是比较慢的,因为加热过程需要时间。不仅慢,而且因为是接触式的,所以在大疫当前,是不合适使用的。因此,采用非接触性温度计,将你的温度隔空传递过去就是非常有必要的。

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那么,其原理是什么呢?简单地说,就是收集被测物体发射的红外能量,并将其汇集聚于检测器上,检测器把这些能量转化为电压信号,电压信号经过数据处理及曲线拟合,推算出被测温度,以数字方式显示出来。 

自然界中的一切物体,只要它的温度高于绝对零度(-273℃),就存在分子和原子的无规则运动,其表面就不断有辐射。我们的太阳光,就是各种电磁波的辐射组合,其中也包括我们人眼能看到的可见光,之所以叫可见光,那是就是针对我们的人眼来说。但很可惜,我们人眼能看到的电磁波的范围非常有限,仅占整个电磁波谱一个非常小的范围。在可见光范围之外,还有许多电磁波是可以反映物质的某些特殊属性的。温度就是其中一个非常重要的属性。

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不同的温度辐射出去的电磁波在各个波段是不同的,也就是具有一定的谱分布范围。这种谱分布与物体本身的特性,特别是温度极其相关。温度越高,辐射出的总能量就越大。这张图上显示的,就是在不同温度下各种电磁波的谱分布范围。而且不同温度下的辐射曲线还相互不重叠,整个波长范围内的辐射能量,也就是每条曲线下的区域,其大小与温度四次方相关,所以我们可以从辐射信号中测出对应的温度。随着被测物体温度升高,最大辐射量逐渐向波长较短的区域移动。大家可以看到,我们人眼能看到的最大辐射量的温度,必须是物体达到好几千度,所以我们一般只能用人眼感知高温。据说,一些经验丰富的钢铁工人还可以从颜色估算出炼炉的温度,就是这个道理。但是,在大多数情况下,我们需要测定的是常温附近的,那么温度越低,最大辐射量逐渐向波长较长的区域移动,对应于红外波段的波长。这就是为什么我们要选用红外波段来测定我们常温附近的温度了。

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这里,我其实特意没有讲黑体辐射,也没有讲维恩位移定律,也不准备讲基尔霍夫定律,但我相信你肯定是听懂了。我如果先讲这些概念,估计大多数人都看不下去了。

我们现在再来看看,在技术上如何分离这些电磁波,特别是红外光。1670年代,人们就发现太阳光是由各种颜色的光复合而成的。我们熟悉的科学巨匠牛顿还用分光棱镜分离出了红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各色单色光。当时,另外一位英国科学家赫胥尔,就想测定不同颜色的光所含的热量。本来,他想测一些光带外的温度来作为环境温度的对照,可惜他失败了,总有一支温度计要高于其他的温度,反复测试都是一样的结果。这个时候他才想到,是不是有一种人眼看不到的光线存在呀?而且这个区域总是位于光带边缘外侧靠近红光的位置,所以就命名为红外线。这不得不说是人类对自然认识的一次飞跃。二战中,德国人用红外变像管作为光电转换器件,研制出了夜视仪和红外通信设备,为红外技术的发展奠定了基础。

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现在在实际生活中,利用红外线进行的测定已经非常丰富了,而且还可以扫描成像,生成热象图,可用于比较物体表面的温度分布和变化情况,这有许多的应用场景。在医学上,可以用来监测体温,或者人体某些部位的病变;安装在摄像头上,可以在夜间监测动物或者人类的活动;如果安装在卫星上,那就是卫星遥感,可用于监测地面的温度变化情况,特别是感知森林温度异常变化而用于防火。所以,我们这里测体温,与遥感卫星监测地表温度的变化,在原理上是一样的。遥感一词,来源于英语Remote Sensing。从字面上看,就是遥远的感知,但实际上可以泛指一切无接触的探测,正如RemoteControl翻译为遥控,实际上距离并不是那么远一样。所以,从原理上讲,其实这种非接触式的测定方式,我们都可以称为广义的遥感。 image.png

那么现在大家看到,遥感原来也不是我们想象的那么神秘,只不过是安装在太空中的一架照相机而已,与我们在小区门口进行的测定差不多。

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我们前面一直在说红外线,但其实这么笼统地说,并不准确。任何高于绝对零度的物质都可以产生红外线,太阳的热量,也主要是通过红外线传到地球。红外线的波长介于760纳米到1毫米之间,跨越了好几个数量级,是一个非常宽的范围,所以一般还分为近红外(0.7~2.5μm)、中红外(2.5~25μm)和远红外(25~1000μm)。而人体温度对应的红外辐射峰值,其波长在5~10微米之间,属于中红外。大多地球资源卫星,也都有一个热红外波段(3~15μm),大致也在中红外波段,专门用于测定地表温度的变化。  

而我们许多电器的红外遥控,则是利用近红外光传送遥控指令的,波长为0.76um~1.5um。用近红外作为遥控光源,是因为红外发射器件与红外接收器件的发光与受光峰值波长介于0.8um~0.94um之间,可以获得较高的传输效率及可靠性。由于红外线不可见,因此不会产生其他干扰。 

说到这里,我想顺便提一个问题。如果所有非接触式的测定方式都称为遥感,那么医学上的影像学检查B超是遥感吗?

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 (图片来自网上)



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