红外测温相关背景知识与原理_红外测温算法

红外测温相关背景知识与原理

红外测温背景

• 色散发现背景：1665-1666年英国伦敦大瘟疫，牛顿在躲避瘟疫期间研究了微积分、色散、万有引力（微积分发现了科学的数学，色散发现了科学的光学、万有引力发现了科学的力学）
• 色散发现原理：由三棱镜发现可以将白光色散为7色光，色散后的光的经过凸透镜与三棱镜能再次回到白色的光，说明白色的光是由多种光组成
• 红外线发现：1800年英国天文学家的赫胥尔发现了色散的光的不同部分能量不同，红光外仍然有能量存在，且该部分热量最高，将该部分人眼不可见的带有热量的光线命名为红外线

红外线性质

• 波长
  • 可见光波长：400nm-760nm；红外线波长：760nm-1mm
• 红外线功能
  • 遥控器（用手机镜头可以看到红外线：需使用不带过滤红外的镜头）
  • 遥感：太空拍照片，红外线波长长，所以不容易被散射（瑞利散射），更容易透过大气层
    • btw：天空呈现蓝色是因为蓝色光波长短，根据瑞利散射原理，蓝色光在大气层中被反射使得天空呈现蓝色
  • 夜视仪
  • 测温
  • 透视
    

红外线测温原理

黑体辐射

• 只要比绝对零度高，都在辐射电磁波，
• 黑体：只吸收和辐射电磁波，不反射电磁波
• 约瑟夫·斯特藩和玻尔兹曼各自独立研究出黑体辐射规律，叫做斯特藩·玻尔兹曼定律
• $P=\sigma \ast T^4$
  • P：单位面积辐射功率
  • $\sigma$：斯特藩·玻尔兹曼常数$-5.67\ast 10^{-8}$
  • T：绝对温度（t+273.15）
• 太阳温度计算方法：
  • 测量得到P=$6\ast 10^{7}W/m^2$，计算出温度：5700K
• 人额头温度计算方法：
  • 测量得到P=$530W/m^2$，计算出太阳温度：T=311K=37.8°C

维恩位移定律

• 主要基于实验获得规律
• 峰值波长等于一个常数除以温度：$\gamma =b/T$
• 波长短的光和波长长的光辐射较弱，波长中等的辐射较强
• 对于人的辐射：T=311K，计算出峰值波长9300nm，位于红外范围内，所以人的辐射主要在红外波段
  

瑞利-金斯公式

• 希望从理论上解释上述维恩位移定律
• 卡文迪许实验室主任第三代瑞利男爵提出瑞利金斯公式：计算一小段波长内的辐射功率
• 紫外灾难：有一个问题是当波长趋向于0的时候，辐射功率趋向于无穷大
  

普朗克公式：

• 解决紫外灾难问题
• 振动的带电粒子的能量不是连续的，是一份一份，每一份能量就叫一个能量子（爱因斯坦研究光电效应才使物理学界相信能量是离散的，普朗克和爱因斯坦共轭诺贝尔奖）
  
• 普朗克公式很完美，跟黑体辐射的实验规律非常吻合，当波长非常长的时候近似与瑞利金斯公式，同时能够导出维恩位移定律

Thought

• 简单的温度测量问题也是需要很丰富的物理学研究进行支撑
• 从简单的黑体辐射到量子力学，很高深的研究往往也是从简单的现象开启的研究
• 现有的红外模组是否直接基于斯特藩·玻尔兹曼定律进行测量不太确定？这中间如何通过所采集到的模拟信号估计出P(单位面积辐射功率)应该是个比较难的问题
• 人体测温时，距离、环境温度、空气湿度等对与红外模组估计P的影响是否有公式等用于定量分析与补偿还不清楚

参考资料：https://www.youtube.com/watch?v=WW5gis6_YRM