紅外（IR）或紅外熱成像儀的工作原理

從物理學(xué)角度來說，光波是一種具有一定頻率（波長）范圍的電磁輻射，其波長覆蓋的范圍很廣。其中電磁輻射中只有一小部分能夠引起肉眼的感覺，其波長在350nm-750nm的范圍，如圖1：

圖1 電磁波譜

今天的內(nèi)容是關(guān)于紅外熱成像，一切物體，無論是北極冰川，還是火焰、人體，甚至極寒冷的宇宙深空，只要其溫度高于絕對零度（-273℃）都能輻射電磁波。熱成像主要通過采集熱紅外波段（8μm-14μm）的光，來探測物體的熱輻射。

熱成像把熱輻射轉(zhuǎn)化為灰度值，再利用各物體的灰度值差異來成像，經(jīng)系統(tǒng)處理轉(zhuǎn)變?yōu)槟繕?biāo)物體的熱圖像，以灰度級或偽彩色顯示出來，從而發(fā)現(xiàn)和識別目標(biāo)。熱成像儀是通過非接觸探測紅外能量（熱量），并將其轉(zhuǎn)換為電信號，進(jìn)而在顯示器上生成熱圖像和溫度值，并可以對溫度值進(jìn)行計算的一種檢測設(shè)備。

紅外（IR）或紅外熱成像儀的工作原理是檢測并測量從物體發(fā)出的紅外輻射，即熱信號。為此，必須首先為熱成像儀配備一個可以使紅外頻率通過的鏡頭，該鏡頭可以將紅外頻率聚焦在特殊的傳感器陣列上，從而檢測并讀取這些頻率。

傳感器陣列被構(gòu)造為像素網(wǎng)格，每個像素網(wǎng)格都會對熱輻射產(chǎn)生響應(yīng)，并將它們轉(zhuǎn)換成電信號。然后這些信號將被發(fā)送到熱成像儀主體內(nèi)的處理器，該處理器使用算法將其轉(zhuǎn)換為不同溫度值的彩色圖。這張彩色圖隨后會被發(fā)送到顯示屏上。

由于紅外輻射的特點，探測和成像設(shè)備都比較昂貴。

視頻是通過熱像儀來觀測電冰箱的熱輻射情況，因為冰箱冷凍室在冰箱的下部，明顯輻射強(qiáng)度要大于上部分。

在講授紅外輻射相關(guān)的理論知識時，可以觀測一些熟悉的實際場景，例如使用普通相機(jī)和紅外熱像儀拍攝手的圖片，加以對比

通過手的熱像儀圖片，大家很是容易理解到熱輻射。

使用熱像儀拍攝的圖片，拍攝者身體熱量輻射到窗戶的玻璃上，然后反射回來熱像儀記錄下來。解釋清楚這一個現(xiàn)象并不是很容易的事情，涉及到熱輻射中的基本定律。熱輻射，物體由于具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象。一切溫度高于絕對零度的物體都能產(chǎn)生熱輻射，溫度愈高，輻射出的總能量就愈大，短波成分也愈多。熱輻射的光譜是連續(xù)譜，波長覆蓋范圍理論上可從0直至∞，一般的熱輻射主要靠波長較長的可見光和紅外線傳播。由于電磁波的傳播無需任何介質(zhì)，所以熱輻射是在真空中唯一的傳熱方式。

關(guān)于熱輻射，其重要規(guī)律有4個：基爾霍夫輻射定律、普朗克輻射分布定律、斯蒂藩－玻耳茲曼定律、維恩位移定律。這4個定律，有時統(tǒng)稱為熱輻射定律。熱輻射是以光波形式傳遞熱量就比較容易解釋圖3，人的熱輻射以電磁波的形式傳播到玻璃上，通過反射進(jìn)入到熱像儀的成像系統(tǒng)。

大家都熟悉的冷血動物這個詞語本來就是民間誤讀，不是正式的稱呼。這類動物的正式名稱叫變溫動物或外溫動物，指的是體內(nèi)缺乏溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動物類群，它們沒有恒定體溫，會根據(jù)外界環(huán)境溫度而變化。因此可以利用紅外熱像儀來觀看冷血動物熱輻射的情況，如圖4是觀看烏龜和魚的熱輻射情況：

圖4左圖是烏龜，右圖是魚

圖4可以清清楚楚地看到，烏龜和魚的熱輻射非常的弱，基本就是環(huán)境的溫度。但是人手的熱輻射要比周圍空氣高。為了進(jìn)一步給讀者比較深刻的印象，我們使用了熱像儀同時觀測兩個保溫杯、一個小烏龜和人手熱輻射

兩個保溫杯裝同樣溫度水的情況下，靠右的保溫杯熱輻射比另外一個保溫杯輻射的明顯（也許可以使用這種辦法出一個標(biāo)準(zhǔn)檢測保溫杯的保溫性能），烏龜幾乎觀測不到熱輻射，手的輻射當(dāng)然是最明顯的了。

審核編輯：劉清