新冠肺炎疫情當前,測體溫就成了常態,只要有大門的地方,小區、校園、實驗室、寫字樓、超市等等都要測。
雖然場合不同,但測定方式大致一致,安保人員會掏出一把類似手槍的東西,對著額頭或手腕扣動扳機「打」一下。
說實話,這東西不僅樣子長得像手槍,而且名字也稱為 「紅外測溫槍」。
說到槍,我們首先想到的就是士兵手中的那件東西。不管是在冷兵器時代還是熱兵器時代,槍都是士兵手中最基本的戰鬥武器,都是具有致命殺傷力的。
所以,許多人看到這種類似槍而且名字也叫槍的東西,不免心生疑問,這樣測體溫對人體有傷害嗎,會不會影響健康?
實際上,它只是一個接收器,而不是發射器。這東西正式的稱謂叫做「紅外線測溫儀」 ,只是外形酷似手槍而已,在原理上與手槍沒有半毛錢關係。
通過這種方式測體溫,與我們用體溫計測量是非常不同的。
體溫計測體溫是必須接觸到人的身體,必須用人的身體將體溫計加熱到與其的溫度一致,不管是醫用玻璃水銀體溫計還是電子體溫計都一樣。
所以,我們用醫用玻璃水銀體溫計就必須等待5分鐘以上,用電子體溫計就必須等待它發出嗶嗶嗶的叫聲,整個測量過程是比較慢的,因為加熱過程需要時間。
不僅慢,而且因為是接觸式的,所以在大疫當前,是不合適使用的。因此,採用非接觸性溫度計,將你的溫度隔空傳遞過去就是非常有必要的。
那麼,其原理是什麼呢?
簡單地說,就是收集被測物體發射的紅外能量,並將其匯集聚於檢測器上,檢測器把這些能量轉化為電壓信號,電壓信號經過數據處理及曲線擬合,推算出被測溫度,以數字方式顯示出來。
自然界中的一切物體,只要它的溫度高於絕對零度(-273℃),就存在分子和原子的無規則運動,其表面就不斷有輻射。
我們的太陽光,就是各種電磁波的輻射組合,其中也包括我們人眼能看到的可見光。之所以叫可見光,那就是針對我們的人眼來說。
但很可惜,我們人眼能看到的電磁波的範圍非常有限,僅佔整個電磁波譜一個非常小的範圍。
在可見光範圍之外,還有許多電磁波是可以反映物質的某些特殊屬性的。溫度就是其中一個非常重要的屬性。
不同的溫度輻射出去的電磁波在各個波段是不同的,也就是具有一定的譜分布範圍。
這種譜分布與物體本身的特性,特別是溫度極其相關。溫度越高,輻射出的總能量就越大。這張圖上顯示的,就是在不同溫度下各種電磁波的譜分布範圍。
而且不同溫度下的輻射曲線還相互不重疊,整個波長範圍內的輻射能量,也就是每條曲線下的區域,其大小與溫度四次方相關,所以我們可以從輻射信號中測出對應的溫度。隨著被測物體溫度升高,最大輻射量逐漸向波長較短的區域移動。
大家可以看到,我們人眼能看到的最大輻射量的溫度,必須是物體達到好幾千度,所以我們一般只能用人眼感知高溫。
據說一些經驗豐富的鋼鐵工人還可以從顏色估算出煉爐的溫度,就是這個道理。
但是,在大多數情況下,我們需要測定的是常溫附近的,那麼溫度越低,最大輻射量逐漸向波長較長的區域移動,對應於紅外波段的波長。
這就是為什麼我們要選用紅外波段來測定我們常溫附近的溫度了。
這裡,我其實特意沒有講黑體輻射,也沒有講維恩位移定律,也不準備講基爾霍夫定律,但我相信你肯定是聽懂了。我如果先講這些概念,估計大多數人都看不下去了。
我們現在再來看看,在技術上如何分離這些電磁波,特別是紅外光。
17世紀70年代,人們就發現太陽光是由各種顏色的光複合而成的。我們熟悉的科學巨匠牛頓還用分光稜鏡分離出了紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等各色單色光。
當時,另外一位英國科學家赫胥爾,就想測定不同顏色的光所含的熱量。
本來,他想測一些光帶外的溫度來作為環境溫度的對照,可惜他失敗了,總有一支溫度計要高於其他的溫度,反覆測試都是一樣的結果。
這個時候他才想到,是不是有一種人眼看不到的光線存在呀?而且這個區域總是位於光帶邊緣外側靠近紅光的位置,所以就命名為紅外線。
這不得不說是人類對自然認識的一次飛躍。
二戰中,德國人用紅外變像管作為光電轉換器件,研製出了夜視儀和紅外通信設備,為紅外技術的發展奠定了基礎。
在實際生活中,利用紅外線進行的測定已經非常豐富了,可以掃描成像生成熱像圖、可用於比較物體表面的溫度分布和變化情況,這有許多的應用場景。
在醫學上,可以用來監測體溫,或者人體某些部位的病變;安裝在攝像頭上,可以在夜間監測動物或者人類的活動;如果安裝在衛星上,那就是衛星遙感,可用於監測地面的溫度變化情況,特別是感知森林溫度異常變化而用於防火。
所以,我們這裡測體溫,與遙感衛星監測地表溫度的變化,在原理上是一樣的。
遙感一詞,來源於英語Remote Sensing。從字面上看,就是遙遠的感知,但實際上可以泛指一切無接觸的探測,正如Remote Control翻譯為遙控,實際上距離並不是那麼遠一樣。
所以,從原理上講,其實這種非接觸式的測定方式,我們都可以稱為廣義的遙感。
那麼現在大家看到,遙感原來也不是我們想像的那麼神秘,只不過是安裝在太空中的一架照相機而已,與我們在小區門口進行的測定差不多。
我們前面一直在說紅外線,但其實這麼籠統地說,並不準確。
任何高於絕對零度的物質都可以產生紅外線,太陽的熱量也主要是通過紅外線傳到地球。
紅外線的波長介於760納米到1毫米之間,跨越了好幾個數量級,是一個非常寬的範圍,所以一般還分為近紅外(0.7~2.5μm)、中紅外(2.5~25μm)和遠紅外(25~1000μm)。
而人體溫度對應的紅外輻射峰值,其波長在5~10微米之間,屬於中紅外。大多地球資源衛星,也都有一個熱紅外波段(3~15μm),大致也在中紅外波段,專門用於測定地表溫度的變化。
而我們許多電器的紅外遙控,則是利用近紅外光傳送遙控指令的,波長為0.76um~1.5um。
用近紅外作為遙控光源,是因為紅外發射器件與紅外接收器件的發光與受光峰值波長介於0.8um~0.94um之間,可以獲得較高的傳輸效率及可靠性。由於紅外線不可見,因此不會產生其他幹擾。
說到這裡,我想順便提一個問題。如果所有非接觸式的測定方式都稱為遙感,那麼醫學上的影像學檢查B超是遙感嗎?