图1 红外测温图像
据麦姆斯咨询报道，近日，来自美国休斯敦大学（University of Houston）和云南大学的研究团队开发了一种利用近红外（NIR）光谱仪来测量连续光谱的新方法，这种方法旨在改善红外热成像测温技术，用于非接触式温度测量和可视化温度分布。这项研究成果以“Non-contact thermometer for measuring surface temperature of photothermal catalysts using near-infrared black-body radiation spectrum”为题发表在Device期刊上。
由于热像仪和红外测温仪具有高灵敏度，能够实现远距离温度测量，因此成为军事和医疗诊断等诸多领域的通用且有价值的工具。热像仪可探测到人眼不可见的红外辐射，并将其转换成可见图像。图像上的不同颜色代表不同温度，用户可直观地看到温度分布和差异。热像仪的应用领域多种多样，主要包括医学诊断（如识别炎症和血流不畅）、建筑检查（如探测热损失、绝缘问题以及漏水）、军事&安全&监控（如在低能见度条件下发现人或动物）以及机械检查（如检查机器过热或电气故障）。
热成像技术主要依赖于黑体辐射原理（黑体是一种理论上的完美辐射体），物体会根据其温度发出红外辐射。通过捕获辐射，热成像技术可以为了解各种物体和环境的热辐射特性及行为提供有价值的信息。
但热成像技术无法提供准确的读数（如图2），这是因为该技术主要依赖于发射率来确定温度。发射率是衡量真实物体发射热辐射有效程度的指标，而发射率随温度的变化而变化。多光谱技术可以通过测量多个波长的红外强度来解决这个问题，但其准确性取决于发射率模型。
图2 热像仪难以准确测量银加热台的温度
该项研究通讯作者Jiming Bao教授表示，“我们设计了一种利用近红外光谱仪测量连续光谱的技术（如图3A），并将其与理想黑体辐射公式进行拟合。这项技术包括简单的校准步骤，用于消除基于温度和波长的发射率的影响。”
图3 利用近红外光谱仪测量加热台表面温度
Jiming Bao教授通过测量加热台的温度（误差小于2℃）以及测量激光加热下催化剂粉末的表面温度梯度来展示该技术。利用近红外光谱仪，通过光纤收集热目标物体的热辐射，并由计算机记录。所采集的光谱使用系统校准响应曲线进行归一化处理，并通过拟合确定温度，相关结果如图4所示。
图4 利用近红外光谱仪测量催化剂表面温度
为了验证并更好地理解光照下的温度梯度变化，研究人员利用COMSOL Multiphysics进行了传热仿真，相关结果如图5所示。
图5 激光器功率、热导率和光穿透深度等因素对催化剂温度影响的仿真
Jiming Bao教授表示，“这项技术克服了传统热像仪和红外测温仪因目标物体发射率未知而面临的挑战，并且通过实验证明了光热催化剂的表面温度远高于埋入式热电偶在强光照射下测量的表面温度。相比之下，传统的热像仪低估了目标物体表面温度。”
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100467
延伸阅读：
《新兴图像传感器技术及市场-2024版》
《光谱成像市场和趋势-2022版》
《小型、微型和芯片级光谱仪技术及市场-2020版》
