最近新冠肺炎的疫情持續升溫,全世界都在認真量體溫,耳溫槍、額溫槍是很常見的測量體溫的工具,但你知道這些非接觸式的體溫測量技術嗎?中科機器人自造基地於2020年3月20日辦理額溫槍實作課程,從了解電路板、撰寫程式到自行組裝完成,獲得現場大小朋友們的熱烈迴響,就讓我們為你揭秘其中體溫測量的技術吧!

學童體驗自製額溫槍測量體溫

黑體輻射

  黑體輻射是一種自然現象,任何物體只要溫度在絕對零度(−273.15℃)以上,就會發射出電磁輻射,而它所發射出來的電磁波頻譜和它本身的溫度有關。人類其實從史前時代就已經觀察到這個現象,當我們進入青銅時代、鐵器時代,開始冶煉金屬時,被高溫熔融的金屬隨著溫度的不同,會發出紅色、橙色、黃色的光,這就是典型的黑體輻射。其實在室溫之下,所有的物體也都會發出這樣的電磁波,只是因爲溫度低,黑體輻射的波長很長,落在紅外線的範圍內,因此人眼看不到。

黑體輻射頻譜,圖片來源:Bird 提供

上圖是很典型的黑體輻射頻譜,可以看到物體的溫度在絕對溫度3000度、4000度、5000度、6000度時的發射頻譜變化。黑體輻射是個連續光譜,但它的頻譜會有一個高峰,隨著溫度上升,這個高峰的頻率會漸漸往短波長(也就是高頻率)的方向移動,藉由偵測這個頻譜的高峰,我們可以得知發射物體的溫度。

  如果有一種感測器,可以感應這個範圍的遠紅外線,就可以用它來測量溫度。非接觸式的溫度計與熱像儀就是利用這種原理設計的,我們常用的測量範圍大概在絕對溫度兩百多度到六、七百度左右,這個範圍的黑體輻射落在數千到一萬多 nm 的遠紅外線(與一般紅外線遙控器 800-900 nm 的波長不同),稱之爲 far infrared(FIR)或是 long-wavelength infrared(LWIR)。

發射率

利用黑體輻射來測量溫度時,有一個很重要的參數叫做「發射率(ε)」,這個參數大概介於 0 到 1 之間,代表物體發射電磁波的能力與理想黑體之間的比值。理想的黑體發射率是 1,而所有其它的物質發射率都小於 1,一般來說,金屬的發射率很低,非金屬的發射率較高。金屬與非金屬之間的黑體輻射發射率有非常大的差異,以銀來說,它的發射率只有理想黑體的五十分之一,因此在同樣溫度之下,它所輻射出來的黑體輻射就只有理想黑體的五十分之一。

  在使用各種利用黑體輻射測量溫度的非接觸式溫度計時,如果你想要得到準確的溫度讀數,發射率的設定非常重要,用黑體輻射來看溫度時,我們測量的是物體表面的溫度,更精確一點來說,我們看的是物體表面的材質所造成的黑體輻射,至於它裡面是什麼材質,一點都不重要,因此當我們要用黑體輻射測量金屬的溫度時,如果不想大幅校正發射率,有一個很簡單的做法—貼膠帶。

  一般電工常用的 PVC 絕緣膠帶的發射率大概是 0.97,相較於金屬的發射率,膠帶顯然更接近黑體;由於膠帶很薄,將它貼在待測金屬上時,它和待測物幾乎不會有什麼溫差,因此膠帶上的輻射就會非常接近待測物體的溫度。

結論

  利用黑體輻射來測量溫度的另一個好處就是可以遠距測量,而且測量的結果與距離無關。由於我們看的是黑體輻射的頻率峰值,換句話說,我們是在看它的顏色,當距離遠時,你會看不清楚,但不會看到不正確的顏色,因此在發射率設定正確的情況下,我們可以從很遠的距離得到正確的溫度測量,這對一些惡劣環境下(像是鍊鋼爐)的溫度測量非常方便。

由此可見,溫度量測有諸多應用,大至鍋爐控溫、或是額溫槍體溫測量技術的實作課程,是國中小學童都能理解的物理現象,在新冠病毒肆虐的此刻,除了關注疫情狀況外,防疫之中也有許多可學習之處,深入了解後,Maker的電子學,其實就藏在你我身邊的日用品之中!

(轉載自中科智慧機器人自造基地原文連結

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