地球人研究報告：“測温槍”到底是怎樣測出你的温度的？
【文/你的外星小姨】
當下這些天，大街上最威風的就是公共場所的安保人員和各小區的工作人員了。不管你平時多大派頭，也不管你哪個星球來的，遇見他們咱都得乖乖過去，要麼舉起手來、要麼頭伸過去，捱上一槍。
測温現場1
測温現場2（圖中是測温槍，謝謝）
雖然這幾天大家被檢測的次數不少，但對很多朋友來説，這玩意在之前的生活中還相對比較少見。因為對它的陌生，進而就衍生出了一個個縈繞在腦邊的問題。
測温槍是為何在你腦袋上“打一槍”就知道温度的？它測得到底準不準？以及親戚羣裏最關心的，被這玩意打多了會不會影響健康？
這些問題，其實只要搞懂測温槍的原理，就會一一迎刃而解。原理雖然複雜，但不用擔心，看了小姨的講解，保準咱二舅姥爺瞅了都能理解得明明白白的。
1.被測温槍打多了會不會有損健康
被測温槍打多了會不會有損健康？——這個問題很經典。
測温槍，學名是“紅外線測温儀”或者“紅外線輻射測温儀”。很多人一聽到“紅外”“輻射”這類的詞就一哆嗦，直接嚇尿。
説起來，歷來包含“紅外”“輻射”的設備科普起來總是一件麻煩事。要知道在“親戚羣”裏，才沒有人信你説的“任何物體都有輻射”；更不會有人跟你談什麼劑量。他們只知道只要“有輻射”，就應該“寧可信其有”。
遺憾的是，測温槍這玩意雖然名頭上冠着“輻射”和“紅外”，但不會對你的身體施加任何哪怕一丁點的影響。
因為它是個接收器，不是發射器。
籠統地説，紅外測温儀的原理是：被動吸收目標的紅外輻射能量，從而獲得物體温度數值。
意思就是，你的身體無時無刻在向外擴散輻射能量，而測温槍的作用，是接收你身體某區域的輻射能量。如果真的説這個過程有什麼危害的話，那麼應該擔心被輻射的也是測温槍，沒準萬一哪天測到個1000℃的腦門自己就憋了。
所以這玩意雖然長着一副槍的樣子，但只有被動挨打的份。
好了，説明白這個問題，也許有些小夥伴就想搶答了——是不是這就意味着，測温槍的工作過程就是像温度計一樣，直接隔空感受你散發的“温度信號”呢？——這樣的説法其實也不太對。
紅外測温槍能接收到的，只是各種波段的電磁波，絕不是直接的温度傳導。而其中最關鍵的，從“電磁波信息”到“温度信息”的這一轉換過程，就要提到今天要説的真正的重點了——黑體輻射定律。
2.黑體輻射定律
當你試圖在中文媒體平台上搜索任何科技產品的原理時，除了會找到一些假裝科普的複製粘貼怪，就是一些讀理論、貼公式的讀課本式的天書。
小姨喜歡把這種不負責任的科普稱為“懶科普”。具體到這次的“測温槍原理”就是——他們幾乎只會煞有介事地搬出基於黑體輻射定律的那段話：
自然界中一切高於絕對零度（-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的分佈與它的表面温度有着十分密切的聯繫，物體的温度越高，所發出的紅外輻射能力越強。
誠然，這句話是一切的基礎，但是我相信如果不對裏面的句子進行拆解，不解釋黑體輻射的理論，幾乎沒有人能沉下心來去理解這話到底説了個什麼意思。
哎，這事其實很簡單。
這個黑體輻射定律是幹啥用的呢，説白了就是物理學家想搞懂“電磁波信息”到“温度（能量）信息”的轉換關係。
於是他們假想出了“黑體”這個東西。
這個時候我們繼續派出小姨的老朋友卡比出場。假設“黑卡比”就是一個標準的“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。
體現到卡比身上就是，吃掉的食物從來不吐出去，沒有浪費地全部自己消化掉。
那麼，消化掉的東西，最後就變成了卡比體內的熱量，也就是熱輻射（我們可以把它通俗地理解為温度）
於是這個從“電磁輻射”（光）到“熱輻射”（熱）的過程，就叫黑體輻射。
好了，知道了這個原理，現在新的問題來了——我們該怎麼知道黑體吸進去的“光”到底轉化成了多少“熱”呢？
這個問題自從17世紀牛頓發現三稜鏡光色散現象的時候就開始研究了，科學家們一直鑽研了數百年，終於在1900年的時候，馬克思·普朗克在德國物理學會上公佈了靠譜的“黑體輻射定律公式”。
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”概念，順道成為了現代物理學的兩大基本支柱之一。
人類得到這個公式多不容易，看看它是用多少顏值換來的就知道了：
所以，為了讓這消耗掉的顏值不被辜負，我們現在就瞭解一下這個公式，別看寫起來複雜，其實都是紙老虎，它所揭示的無非是光與温度的關係——
你看如果把它畫成圖，是不是就好懂一些了！（並沒有）
怎麼理解這個圖呢，這幾條線的走勢反映的是某個固定温度（單位K/國際標準温度單位）下，不同波長的熱輻射強度。
比如裏面的6000K（5727°C），這是太陽的温度——於是根據黑體輻射定律公式，我們就能分別算出太陽光中不同波長（比如紅色、綠色、藍色、某段紅外線、某段紫外線……）的熱輻射能量（強度/I）是多少。
同理，如果我們知道某段光的熱輻射強度和光線波長，也可以算出其代表的“温度”是多少了。
好的，我知道説到這很多同學還是想説“依然看不懂”，沒關係，這會兒看睡着的同學可以醒醒了，咱把理解難度繼續降維，下面才是重點。
我們只要看懂一點，就是——高温度下的黑體輻射強度，在任何一個波長範圍內，都高於低温度下的黑體輻射。
反映到圖裏就是，1500℃的紅色高温曲線，在每段波長上強度都比1200℃的黃色曲線高：
紅外測温儀就是根據這一特性設計出來的。
在這個理論基礎下，根據工程應用所需的測量精度不同，紅外測温儀有三種主要的設計方向。
其一，單色測温法：利用單一波長下的單色輻射強度比值來判斷温度；
其二，雙色測温法：測量被測物體在兩個波長下的輻射強度比值的強度變化來判斷，這種方法比前者受外界影響更小，誤差也更小；
前面這兩種能不能理解看個人造化，我們詳細説一下第三種——
其三，全輻射測温法。
全輻射測温法名字聽起來最牛逼，但其實是三種方法裏精度相對最差的一種，不過優勢就在於結構簡單，成本較低。
原因就在於其“大力出奇跡”式的設計思路——全輻射測温法，是通過測量輻射物體的全波長的熱輻射總強度，來確定物體的輻射温度的。
我們怎麼理解這個概念呢，就是好比把一個温度下的全波段輻射強度圖比做一個米山，現在讓卡比把整個米山全部吃掉，我們來測它吃掉後轉化的熱輻射能量總共有多少，最終推導出當時的温度值。
全輻射測温法過程
現在小區門口給你測體温的紅外線測温槍，基本都是這一思路設計的。
所以思路縷清後，我們只需把一個這樣的卡比放在測温槍中，測量出它吸收輻射後釋放的熱輻射量，就能換算出被測物對應的温度了。
這個能將接收到的“紅外電磁波輻射”轉換為“熱輻射”（黑體輻射過程），進而把“熱輻射”轉化為電信號（熱電轉化過程）的東西就是：熱釋電紅外傳感器（簡稱：PIR）
簡單列一下這東西的工作原理：
順便説一下，這玩意還真不貴：
3.測温槍到底準不準
好了，原理搞明白，又可以回到接地氣的問題上了。所以另一個大家很關心的問題，就是這玩意測得準不準呢？
影響測量結果的原因是多方面的。
其一，客觀物理因素：
由於“黑體輻射定律”是在工作物質是理論黑體的情況下演算的，而生活中物質因為材質關係都是屬於不同“純度”的黑體，這個純度用“發射率”來表示。
理論黑體的發射率是1，平時我們測温槍用的大多數都是0.95的發射率，這適用於生活中大多數的情況。所以你可以觀察一下，你能見到的測温槍顯示屏基本上都會寫着“0.95”的字樣。
但這個0.95畢竟是根據被測物的材質而定的浮動值，這是測温槍很難絕對準確的原因之一。
其二，污染因素：
由於信息是通過電磁輻射（光）傳導的，這不可避免地會受到煙塵和水蒸氣等外界因素的影響；另外，機器入射口處的透鏡污染也是干擾項的一環。
其三，機器精度：
因為成本原因，我們平時所用的測温槍大多沒有用更精確的雙色測温法技術，內部元件的精細度也參差不齊；再有就是使用時的距離誤差導致的數值波動了。
但是，這些有限的缺點還是很難成為我們拒絕測温槍的理由。
現在我們正在使用的紅外測温槍，比傳統的熱傳導測温方式還是優秀太多了——響應時間短、測温效率高，不用接觸被測物體依然可以有着相對可靠的準確度，同時製作成本低廉，操作起來也足夠方便。
所以反過來想想，有這麼多客觀因素的影響，紅外測温槍依然能保證測量温度維持在相對精確的範圍內，這本身就是一種很厲害的事。它沒有那麼完美，但依然是一種有限範圍內，可以選擇到的好產品。
至少在今天來看，我已經很難想像，這次防疫戰中如果沒有類似的科技產品的存在，僅僅是測體温這項一項，就會給防控工作帶來多大的困難了。
而對小姨來説，這次能藉此機會説明白測温槍的原理，能傳遞出多少知識倒是其次，最在意的，還是能有幸和大家再次從世界的一個角度，見證科學的力量吧。
（本文轉載自微信公眾號“地球人研究報告”，外星小姨給你講述地球上的迷惑人類和怪奇科學。）