近日，出于疫情防控的需要，進(jìn)出小區(qū)、地鐵、公交等公共場(chǎng)合，都少不了測(cè)量體溫這個(gè)環(huán)節(jié)。紅外測(cè)溫儀（測(cè)溫槍）頻繁打在腦門上，網(wǎng)上也流傳著各種調(diào)侃的段子。
測(cè)溫槍到底是怎樣測(cè)出你的溫度的？
為何測(cè)溫槍在你腦袋上“打一槍”就知道溫度的；它測(cè)得到底準(zhǔn)不準(zhǔn)；以及親戚群里最關(guān)心的，被這玩意打多了會(huì)不會(huì)影響健康？被測(cè)溫槍打多了會(huì)不會(huì)有損健康？——這個(gè)問(wèn)題很經(jīng)典。這些問(wèn)題，其實(shí)只要搞懂測(cè)溫槍的原理，就會(huì)一一迎刃而解。
測(cè)溫槍，學(xué)名是“紅外線測(cè)溫儀”或者“紅外線輻射測(cè)溫儀”。很多人一聽到“紅外”“輻射”這類的詞就一哆嗦，直接嚇尿。
說(shuō)起來(lái)，歷來(lái)包含“紅外”“輻射”的設(shè)備科普起來(lái)總是一件麻煩事。要知道在“親戚群”里，才沒有人信你說(shuō)的“任何物體都輻射”；更不會(huì)有人跟你談什么劑量。他們只知道只要“有輻射”，就應(yīng)該“寧可信其有”。
遺憾的是，測(cè)溫槍這玩意雖然名頭上冠著“輻射”和“紅外”，但不會(huì)對(duì)你的身體施加任何哪怕一丁點(diǎn)的影響。因?yàn)樗莻€(gè)接收器，不是發(fā)射器。
籠統(tǒng)的說(shuō)，紅外測(cè)溫儀的原理是：被動(dòng)吸收目標(biāo)的紅外輻射能量，從而獲得物體溫度數(shù)值。
意思就是，你的身體無(wú)時(shí)無(wú)刻在向外擴(kuò)散輻射能量，而測(cè)溫槍的作用，是接收你身體某區(qū)域的輻射能量。如果真的說(shuō)這個(gè)過(guò)程有什么危害的話，那么應(yīng)該擔(dān)心被輻射的也是測(cè)溫槍，沒準(zhǔn)萬(wàn)一哪天測(cè)到個(gè)1000℃的腦門自己就憋了。
所以這玩意雖然長(zhǎng)著一副槍的樣子，但只有被動(dòng)挨打的份。
好了，說(shuō)明白這個(gè)問(wèn)題，也許有些小伙伴就想搶答了——是不是這就意味著，測(cè)溫槍的工作過(guò)程就是像溫度計(jì)一樣，直接隔空感受你散發(fā)的“溫度信號(hào)”呢？——這樣的說(shuō)法其實(shí)也不太對(duì)。
紅外測(cè)溫槍能接收到的，只是各種波段的電磁波，絕不是直接的溫度傳導(dǎo)。而其中最關(guān)鍵的，從“電磁波信息”到“溫度信息”的這一轉(zhuǎn)換過(guò)程，就要提到今天要說(shuō)的真正的重點(diǎn)了——黑體輻射定律。
黑體輻射定律
當(dāng)你試圖在中文媒體平臺(tái)上搜索任何科技產(chǎn)品的原理時(shí)，除了會(huì)找到一些假裝科普的復(fù)制粘貼怪，就是一些讀理論、貼公式的讀課本式的天書。
這種不負(fù)責(zé)任的科普稱為“懶科普”。具體到這次的“測(cè)溫槍原理”就是——他們幾乎只會(huì)煞有介事地搬出基于黑體輻射定律的那段話：
自然界中一切高于絕對(duì)零度（-273.15℃）的物體都在不停向外輻射能量，物體的向外輻射能量的大小及其按波長(zhǎng)的分布與它的表面溫度有著十分密切的聯(lián)系，物體的溫度越高，所發(fā)出的紅外輻射能力越強(qiáng)。
誠(chéng)然，這句話是一切的基礎(chǔ)，但是我相信如果不對(duì)里面的句子進(jìn)行拆解，不解釋黑體輻射的理論，幾乎沒有人能沉下心來(lái)去理解這話到底說(shuō)了個(gè)什么意思。
這個(gè)黑體輻射定律是干啥用的呢，說(shuō)白了就是物理學(xué)家想搞懂“電磁波信息”到“溫度（能量）信息”的轉(zhuǎn)換關(guān)系。
于是他們假想出了“黑體”這個(gè)東西。
這個(gè)時(shí)候我們繼續(xù)派出小姨的老朋友 卡比 出場(chǎng)。假設(shè)“黑卡比”就是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的“黑體”，它的特性是：入射的電磁波全部被吸收，既沒有反射，也沒有透射。
體現(xiàn)到卡比身上就是，吃掉的食物從來(lái)不吐出去，沒有浪費(fèi)地全部自己消化掉。
那么，消化掉的東西，最后就變成了卡比體內(nèi)的熱量，也就是熱輻射（我們可以把它通俗地理解為溫度）。
于是這個(gè)從“電磁輻射”（光）到“熱輻射”（熱）的過(guò)程，就叫黑體輻射。
好了，知道了這個(gè)原理，現(xiàn)在新的問(wèn)題來(lái)了——我們?cè)撛趺粗篮隗w吸進(jìn)去的“光”到底轉(zhuǎn)化成了多少“熱”呢？
這個(gè)問(wèn)題自從17世紀(jì)牛頓發(fā)現(xiàn)三棱鏡光色散現(xiàn)象的時(shí)候就開始研究了，科學(xué)家們一直鉆研了數(shù)百年，終于在1900年的時(shí)候，馬克思·普朗克在德國(guó)物理學(xué)會(huì)上公布了靠譜的“黑體輻射定律公式”。
其中為了證明這一公式而引出的衍生品“量子力學(xué)”概念，順道成為了現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基本支柱之一。
人類得到這個(gè)公式多不容易，看看它是用多少顏值換來(lái)的就知道了：
所以，為了讓這消耗掉的顏值不被辜負(fù)，我們現(xiàn)在就了解一下這個(gè)公式，別看寫起來(lái)復(fù)雜，其實(shí)都是紙老虎，它所揭示的無(wú)非是光與溫度的關(guān)系——
你看如果把它畫成圖，是不是就好懂一些了？
怎么理解這個(gè)圖呢，這幾條線的走勢(shì)反映的是某個(gè)固定溫度（單位K/國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)溫度單位）下，不同波長(zhǎng)的熱輻射強(qiáng)度。
比如里面的6000K（5727°C），這是太陽(yáng)的溫度——于是根據(jù)黑體輻射定律公式，我們就能分別算出太陽(yáng)光中不同波長(zhǎng)（比如紅色、綠色、藍(lán)色、某段紅外線、某段紫外線……）的熱輻射能量（強(qiáng)度/I）是多少。
同理，如果我們知道某段光的熱輻射強(qiáng)度和光線波長(zhǎng)，也可以算出其代表的“溫度”是多少了。
好的，我知道說(shuō)到這很多同學(xué)還是想說(shuō)“依然看不懂”，沒關(guān)系，這會(huì)兒看睡著的同學(xué)可以醒醒了，咱把理解難度繼續(xù)降維，下面才是重點(diǎn)。
我們只要看懂一點(diǎn)，就是——高溫度下的黑體輻射強(qiáng)度，在任何一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，都高于低溫度下的黑體輻射。
反映到圖里就是，1500℃的紅色高溫曲線，在每段波長(zhǎng)上強(qiáng)度都比1200℃的黃色曲線高：
紅外測(cè)溫儀就是根據(jù)這一特性設(shè)計(jì)出來(lái)的。
在這個(gè)理論基礎(chǔ)下，根據(jù)工程應(yīng)用所需的測(cè)量精度不同，紅外測(cè)溫儀有三種主要的設(shè)計(jì)方向。
其一，單色測(cè)溫法：利用單一波長(zhǎng)下的單色輻射強(qiáng)度比值來(lái)判斷溫度；
其二，雙色測(cè)溫法：測(cè)量被測(cè)物體在兩個(gè)波長(zhǎng)下的輻射強(qiáng)度比值的強(qiáng)度變化來(lái)判斷，這種方法比前者受外界影響更小，誤差也更小；
其三，全輻射測(cè)溫法。
全輻射測(cè)溫法名字聽起來(lái)最牛逼，但其實(shí)是三種方法里精度相對(duì)最差的一種，不過(guò)優(yōu)勢(shì)就在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低。
原因就在于其“大力出奇跡”式的設(shè)計(jì)思路——全輻射測(cè)溫法，是通過(guò)測(cè)量輻射物體的全波長(zhǎng)的熱輻射總強(qiáng)度，來(lái)確定物體的輻射溫度的。
我們?cè)趺蠢斫膺@個(gè)概念呢，就是好比把一個(gè)溫度下的全波段輻射強(qiáng)度圖比做一個(gè)米山，現(xiàn)在讓卡比把整個(gè)米山全部吃掉，我們來(lái)測(cè)它吃掉后轉(zhuǎn)化的熱輻射能量總共有多少，最終推導(dǎo)出當(dāng)時(shí)的溫度值。
全輻射測(cè)溫法過(guò)程
現(xiàn)在小區(qū)門口給你測(cè)體溫的紅外線測(cè)溫槍，基本都是這一思路設(shè)計(jì)的。
所以思路縷清后，我們只需把一個(gè)這樣的卡比放在測(cè)溫槍中，測(cè)量出它吸收輻射后釋放的熱輻射量，就能換算出被測(cè)物對(duì)應(yīng)的溫度了。
這個(gè)能將接收到的“紅外電磁波輻射”轉(zhuǎn)換為“熱輻射”（黑體輻射過(guò)程），進(jìn)而把“熱輻射”轉(zhuǎn)化為電信號(hào)（熱電轉(zhuǎn)化過(guò)程）的東西就是：熱釋電紅外傳感器（簡(jiǎn)稱：PIR）。
簡(jiǎn)單列一下這東西的工作原理：
順便說(shuō)一下，這玩意還真不貴：
測(cè)溫槍到底準(zhǔn)不準(zhǔn)
好了，原理搞明白，又可以回到接地氣的問(wèn)題上了。所以另一個(gè)大家很關(guān)心的問(wèn)題，就是這玩意測(cè)得準(zhǔn)不準(zhǔn)呢？
影響測(cè)量結(jié)果的原因是多方面的。
其一，客觀物理因素：
由于“黑體輻射定律”是在工作物質(zhì)是理論黑體的情況下演算的，而生活中物質(zhì)因?yàn)椴馁|(zhì)關(guān)系都是屬于不同“純度”的黑體，這個(gè)純度用“發(fā)射率”來(lái)表示。
理論黑體的發(fā)射率是1，平時(shí)我們測(cè)溫槍用的大多數(shù)都是0.95的發(fā)射率，這適用于生活中大多數(shù)的情況。所以你可以觀察一下，你能見到的測(cè)溫槍顯示屏基本上都會(huì)寫著“0.95”的字樣。
但這個(gè)0.95畢竟是根據(jù)被測(cè)物的材質(zhì)而定的浮動(dòng)值，這是測(cè)溫槍很難絕對(duì)準(zhǔn)確的原因之一。
其二，污染因素：
由于信息是通過(guò)電磁輻射（光）傳導(dǎo)的，這不可避免的會(huì)受到煙塵和水蒸氣等外界因素的影響；另外，機(jī)器入射口處的透鏡污染也是干擾項(xiàng)的一環(huán)。
其三，機(jī)器精度：
因?yàn)槌杀驹颍覀兤綍r(shí)所用的測(cè)溫槍大多沒有用更精確的雙色測(cè)溫法技術(shù)，內(nèi)部元件的精細(xì)度也參差不齊；再有就是使用時(shí)的距離誤差導(dǎo)致的數(shù)值波動(dòng)了。
但是，這些有限的缺點(diǎn)還是很難成為我們拒絕測(cè)溫槍的理由。
現(xiàn)在我們正在使用的紅外測(cè)溫槍，比傳統(tǒng)的熱傳導(dǎo)測(cè)溫方式還是優(yōu)秀太多了——響應(yīng)時(shí)間短、測(cè)溫效率高，不用接觸被測(cè)物體依然可以有著相對(duì)可靠的準(zhǔn)確度，同時(shí)制作成本低廉，操作起來(lái)也足夠方便。
所以反過(guò)來(lái)想想，有這么多客觀因素的影響，紅外測(cè)溫槍依然能保證測(cè)量溫度維持在相對(duì)精確的范圍內(nèi)，這本身就是一種很厲害的事。它沒有那么完美，但依然是一種有限范圍內(nèi)，可以選擇到的好產(chǎn)品。
至少在今天來(lái)看，我已經(jīng)很難想像，這次防疫戰(zhàn)中如果沒有類似的科技產(chǎn)品的存在，僅僅是測(cè)體溫這一項(xiàng)，就會(huì)給防控工作帶來(lái)多大的困難了。（資料來(lái)源：微信公眾號(hào)：地球人研究報(bào)告，作者：你的外星小姨）
