测温仪与热像仪设计

测温仪

红外测温仪或测温仪通过检测物体发射的红外辐射，实现对物体表面温度的远距离测量。它们通常用于非接触式的单点温度测量。所有测温仪都遵循相似的基本工作原理：光学系统（透镜）收集来自目标物体的热辐射，并将其聚焦到红外探测器上。该探测器对特定的红外波段非常敏感，它将接收到的辐射转换成与目标温度成正比的微弱电信号。随后，该信号被传输至设备的电子线路中进行放大和处理。处理后的信号最终以温度读数的形式输出，既可以直接显示在内置屏幕上，也可以通过模拟/数字接口输出，以便与其他系统进行集成。

图 1 展示了典型的测温仪信号链：目标物体的红外辐射通过透镜聚焦到探测器上，从而产生微弱的电信号。随后，该信号被放大并由模数转换器（ADC）进行数字化处理。微处理器利用校准数据和线性化算法，将数字化信号转换成准确的温度值，该值可用于显示或作为输出信号进行传输。此外，还有一个辅助的环境传感器用于监测测温仪自身的温度，以进行温度补偿。整个测量过程几乎在瞬间完成，并可以持续进行实时更新。

现代测温仪在内部主要执行以下三个处理步骤：

1 . 红外-电信号转换：探测器将接收到的红外辐射转换成电信号。

2. 背景补偿：利用参考传感器或校准算法，对背景影响（如设备自身温度或环境辐射）进行修正。

3. 线性化与输出：原始信号（通常随温度呈非线性变化）根据已知校准曲线进行线性化处理，从而产生准确的温度读数。最终结果以所需的格式（数字读数、模拟电压/电流等）输出。

测温仪通常配备辅助功能，以帮助精准对准目标区域，并兼顾目标尺寸与测量距离。许多设备利用内置的激光瞄准功能来指示测量视场。例如，双激光可在目标上形成十字准星，从而标记出测量区域的中心和边界。这在远距离测量时尤为实用，能确保操作员准确知晓传感器所取平均值的具体区域。先进的系统则采用两个带有线形发生器的激光二极管，呈 90° 夹角排列，以投射出不受距离影响的精准十字准星，从而清晰地指示出光斑的尺寸和位置。某些高端测温仪甚至采用摄像机模块取代了传统的光学瞄准镜，以实现对目标的精确对准。

测温仪通常分为定焦和变焦（调焦）两种光学系统。定焦测温仪的焦距在出厂时针对特定距离进行了预设（在该特定距离下可提供最佳焦距和最小光斑尺寸）。它也可以在其他距离下进行测量，但光学分辨率会降低（即相对于测量距离，其光斑尺寸会变大）。相比之下，变焦测温仪允许用户根据实际测量距离连续调节焦距。这确保了在任何距离下都能获得尽可能小的光斑和最佳的光学分辨率，在测量不同尺寸或位于不同距离的目标时极具优势。通过调节焦距，设备可以在选定的距离下保持其标称的距离系数比（D:S 比），从而提高了测量微小目标或远距离目标时的准确性。

现代红外测温仪涵盖了广泛的光谱波段、温度范围和响应速度，以满足各种工业应用的需求。其中既有紧凑且具高性价比的型号，也有配备先进光学系统和探测器的高性能机型。根据具体型号的不同，其输出接口可包括模拟信号（如 4–20 mA 电流环路或 0–10 V 电压）以及数字现场总线通信，以便集成到过程控制系统中。通过选择合适的滤光片波段和探测器类型，可以针对特定材料或环境对测温仪进行优化配置。

热像仪

热像仪是一种能够生成图像的设备，其图像中的每个像素都代表场景中某个微小区域的温度。与仅提供单个温度读数的点温式测温仪不同，热像仪可以创建整个视场范围内的二维（2D）温度分布图。

热像仪通常分为非制冷型和制冷型两大系统。非制冷型热像仪是通用领域最常见的类型，其采用氧化钒（VOx）或非晶硅（a-Si）材料制成的微热量型红外焦平面探测器（微波罗计），并在接近室温的环境下工作。它们体积更小、无需低温制冷器，且免维护，但与制冷型热像仪相比，其灵敏度通常较低，响应速度也较慢。相反，制冷型红外热像仪则采用锑化铟（InSb）或碲镉汞（HgCdTe）等材料制成的量子探测器，并将其封装在真空杜瓦瓶中，通常需要冷却至低温环境，以实现极高的灵敏度和极快的响应速度。制冷型热像仪能够检测到极其微小的温度差异，并能捕捉快速发生的热事件，但它们的体积更大、价格更昂贵，且其制冷机需要消耗电能并进行定期维护。

其基本工作原理类似于传统的数码相机，但它使用的不是可见光，而是物体发射的红外辐射。在热像仪中，红外透镜将入射的红外光聚焦到探测器的焦平面阵列（FPA）上。该探测器阵列是由许多微小的红外敏感元件（像素）组成的网格；常见的分辨率包括 160×120、320×240，最高可达 640×480 像素或更高。每个像素探测器都会产生一个与场景中对应点红外辐射强度成正比的电信号。由于所有高于绝对零度的物体都会发射热辐射，因此即使在完全黑暗的环境中，热像仪也能捕捉到温度差异。

探测器阵列输出的信号随后经由热像仪的电子线路进行放大、数字化和处理，从而生成一幅清晰连贯的图像。在使用微热量型红外焦平面探测器（微波罗计）的非制冷型热像仪中，通常会配备一个机械挡板（快门）或类似的校准机构，定期在探测器阵列前闭合。当挡板闭合时，它为所有像素提供了一个均匀的温度参考；此时，热像仪会记录下探测器的偏移量，以消除传感器的漂移和非均匀性，并利用这些数据对后续的图像进行修正。同时，一个环境传感器会监测热像仪自身的温度以进行温度补偿。这一过程被称为非均匀性校正（NUC），它能确保最大程度地减少固定图案噪声（条纹噪声），并保证整幅图像中温度读数的准确性与一致性。快门可以根据设定的时间间隔或在热像仪内部温度发生变化时自动激活。在完成校准和数字化之后，热像仪的软件会结合校准曲线对每个像素的数据进行分析解读，从而计算出具体的温度值。

最终生成的红外热像图可以通过伪彩色调色板进行显示，将不同的温度映射为特定的颜色。例如，温度较高的区域可能显示为白色或黄色，中等温度显示为红色或绿色，而温度较低的区域则显示为蓝色。这种伪彩色呈现方式使用户能够快速且直观地识别场景中的热点、冷区或温度梯度。许多热像仪还支持对特定点或区域进行温度读数，并在温度超过设定阈值时发出警报。

在用于工业检测的非制冷型热像仪中，通常会采用电动对焦机构来实现焦平面的精确调节。尽管自动对焦功能在便携手持式热像仪中得到了广泛应用——因为用户需要频繁变换设备位置并能从中受益——但在固定安装式工业系统中，通常会避免使用自动对焦。这是因为固定式热像仪通常只监测一个固定的视场，这使得手动或远程控制的电动对焦更加适用且可靠。此外，与依赖可见光光谱中的清晰边缘和高对比度的可见光相机不同，热成像场景往往缺乏足够的温度对比度，特别是在检测温度均匀或材质单一的表面时。自动对焦算法可能无法识别出有效的对焦评价指标，从而导致图像清晰度欠佳。在这些情况下，基于信号清晰度或预设位置的手动或软件辅助对焦调节，能够为关键的温度监测任务提供更可靠的结果。 红外热像仪具有多种不同的性能级别，其光谱范围、灵敏度（噪声等效温差，NETD）、帧率以及分辨率各有不同，以适应不同的应用需

红外探测器

测温仪和热像仪的性能都取决于它们的红外探测器——即把热辐射转换成电信号的器件。根据工作原理的不同，红外探测器主要分为两大类：热探测器和量子探测器（光电探测器）。每一大类又包含多种子类型，并具备独特的性能特点。这两类探测器在实际应用中都至关重要。值得注意的是，尽管量子探测器在响应速度上表现优异，但热探测器凭借其可靠性、可在室温下工作以及宽广的光谱覆盖范围，在许多应用场景中依然具有极高的实用价值。

热电堆

热电堆探测器本质上是由一系列串联或并联的热电偶组成，用以放大由温差引起的电压。它利用了热电效应：当两种不同金属的接点受热时，由于塞贝克效应会产生电压。在热电堆红外探测器中，芯片上制造有许多微小的热电偶接点阵列，例如铋/锑对，并与红外吸收区域形成热连接。当该区域吸收红外辐射时，接点温度上升，从而产生与入射辐射成正比的可测量电压输出。热电堆中的多个热电偶能够提供比单个热电偶更大的输出信号，从而提高了灵敏度。
几十年以来，热电堆探测器一直被用于非接触式温度测量。它们不需要斩波器或调制，能够直接测量稳定的辐射水平，因此非常适合用于测量物体的绝对温度。经过校准后，其输出的是与目标温度成正比的直流电压。它们具有良好的稳定性，且可以在室温下工作，但其响应时间通常在几十毫秒的范围内。

热释电探测器

热释电探测器使用热释电材料的晶体，例如三甘氨酸硫酸盐或钽酸锂，这些材料具有随温度变化而改变的自发电子极化特性。当晶体因吸收红外辐射而导致温度发生变化时，极化的改变会产生暂时的表面电荷。本质上，热释电效应将温度的波动转换成了电信号。该探测器的结构是在晶体表面配置电极以收集这种电荷变化，随后该信号由内置的场效应管（FET）或前置放大器进行放大。
热释电探测器的一个关键特性在于，它们仅对入射辐射的变化做出响应。如果辐射保持恒定，在经历短暂的瞬态过程后，随着晶体达到热平衡且电荷停止移动，其输出将降至零。因此，热释电传感器通常需要配合斩波器使用，或应用在能够提供调制输入的电路中。通过定期中断红外辐射，例如利用旋转快门或电子手段，可以使探测器始终保持在动态状态，从而产生一个可通过交流耦合电子线路进行放大的交流（AC）信号。斩波器的使用和交流放大还有助于降低低频噪声，并提高信噪比。热释电探测器在运动检测器（红外探头）中非常常见，因为移动的热源自身就会引起入射辐射的变化；此外，它们也广泛应用于某些气体分析仪或配有调制红外光源的仪器中。
热释电传感器具有快速的响应时间，并且可以在室温下工作。在红外光谱学等应用中，它们往往能在灵敏度与速度之间取得良好的折中。然而，由于它们需要不断变化的信号，因此不适用于测量静态温度水平——这一职责由热电堆或微测辐射热计来承担更为合适。

微测辐射热计

微测辐射热计是一种依赖温度变化的电阻式探测器。微测辐射热计由一个吸收元件组成，该元件由具有高电阻温度系数的材料制成；当吸收红外辐射时，元件升温，从而导致其电阻发生变化。通过在电路中的电桥电路或带有读出集成电路的电路为该元件提供偏置电压或电流，便可以测量出与电阻变化相对应的电压或电流变化，进而推算出入射辐射的强度。
用于c微测辐射热计的材料包括某些具有高温度系数的金属或半导体。早期的微测辐射热计使用涂黑的金属带；而现代微测辐射热计（特别是用于成像的微测辐射热计）则使用沉积在微桥结构上的氧化钒（VOx）或非晶硅（a-Si）等薄膜材料。这些薄膜测辐射热计是经过热绝缘处理的微结构，它们会因入射的红外光而升温，但向基底的导热极小，从而确保能产生可测量的温升。它们被制造成功率阵列，组成了非制冷型红外热像仪中的微测辐射热计焦平面阵列（Microbolometer FPA）传感器。随着微机电系统（MEMS）技术的进步，微测辐射热计焦平面阵列已在很大程度上取代了旧式的扫描式热像仪，从而实现了全电子化的固态红外热像仪。
微测辐射热计通常在室温下工作（非制冷型），与光子探测器相比，其响应时间通常在数十毫秒级别，但它们在成像应用中能够达到良好的灵敏度。微测辐射热计的性能通常由 NETD（噪声等效温差） 来表征。得益于材料的改良和像素微型化技术的发展，现代微测辐射热计热像仪的 NETD 可以达到几十毫开尔文（mK）。如今，常见的微测辐射热计阵列分辨率包括 160×120、320×240 和 640×480 像素，其像素间距（中心距）已从早期型号的约 35 µm 缩小到近期设计中的 17 µm 甚至 12 µm。它们需要进行校准，并且通常采用内置快门技术，以在长时间运行和多变的环境条件下保持测量准确性。

光子探测器

光子探测器通过在半导体内部的相互作用，将入射光子直接转换成电信号。它们通常分为两个子类：光导探测器（其电导率随光子吸收而改变）和光生伏特探测器（光子吸收会产生电压，如光电二极管）。所用材料通常是能够吸收红外光子的窄带隙半导体。常见的示例包括：用于 3–5 µm 中波红外的锑化铟（InSb）；可通过成分设计用于中波或长波红外的碲镉汞（MCT 或 HgCdTe）；用于近红外到短波红外的砷化铟镓（InGaAs）；以及针对各种红外波段的特殊设计，如量子阱红外光电探测器（QWIP）和II 型超晶格探测器。
当红外光子击中光子探测器时，它会将电子从价带激发到导带，或者在量子阱结构中的允许能级之间进行跃迁。这会产生可测量的电学变化：在光电二极管中，流过的电流与光子通量成正比；在光导探测器中，材料的电阻会随着光照而下降。这些探测器在光子到达时几乎能够瞬间产生输出——它们不依赖于热时间常数，这也是它们的响应速度比热探测器快得多的原因。
然而，由于热激发载流子的存在，它们自身也会产生热噪声。为了达到最佳灵敏度并区分光生载流子与热生载流子，大多数用于长波红外成像的光子探测器都需要进行制冷。例如，长波红外相机中的碲镉汞（MCT）探测器通常需要被冷却至 77 K，或者使用闭式循环制冷器来达到类似的低温。制冷通过抑制暗电流，能够显著提高信噪比。
综上所述，波长特定光学元件、探测器物理学以及信号处理算法在现代红外测温仪和热像仪中的融合，构成了高精度、非接触式温度测量系统的基础，广泛应用于工业温度监测领域；并且，不同的应用场景对探测器类型和系统布局也各有偏好。