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【温度传感器】热电偶、热敏电阻、热电阻、热成像仪原理及精度解析

news 2025/7/27 6:22:28

1 引言

2 热电效应

2.1 赛贝克效应原理

2.2 帕尔贴效应原理

2.3 汤姆逊效应原理

2.4 热电效应应用

3 热电偶

3.1 热电偶种类及特征

3.2 热电偶的产品结构

3.3 冷端补偿

3.4 热电偶典型应用

3.4 使用注意事项

4 热敏电阻（Thermistor）

4.1 热敏电阻种类及特征

4.1.1 NTC 热敏电阻温度与电阻公式

4.1.2 PTC 热敏电阻温度与电阻公式

4.3 热敏电阻典型驱动电路

4.4 热敏电阻的产品结构

4.5 热敏电阻典型应用

5 热电阻（RTD）

5.1 热电阻种类及特性

5.1.1 铂热电阻温度和电阻公式

5.1.2 铜热电阻温度和电阻公式

5.1.3 镍热电阻温度和电阻公式

5.2 热电阻典型驱动电路

5.3 热电阻的产品结构

5.4 热电阻典型应用

6 热成像

6.1 热辐射理论

6.2 热成像仪核心组件

6.3 热成像仪精度关键影响因素

6.4 热成像仪典型应用

9 在使用中如何选取温度传感器？

9.1 温度传感器性能参数对比总览

9.2 集成温度检测芯片产品

10 参考资料

10.1 书籍

10.2 期刊

10.3 网页

1 引言

温度传感器（Temperature Sensor）是一种量测物体冷热程度的设备，能感受温度并转换成可用输出信号的传感器又称热电式传感器。在各种热电式传感器中，以把温度转换为电动势和电阻的方法最为普遍。在工业生产和科学研究领域，温度传感器的种类包括热电偶、铂热电阻(RTD)、热敏电阻、红外温度传感器、集成温度芯片等。

2 热电效应

当在材料中存在电位差时会产生电流，存在温度差时会产生热流。从电子论的观点看，在金属和半导体中，无论是电流还是热流，都与电子有关。故温度差、电位差，电流、热流之间存在交叉联系，这就构成了热电效应。

热电效应就是当受热物体中的电子或空穴，因随着温度梯度由高温区往低温区移动时，所产生电流或电荷堆积的一种现象。热电有三大效应，按发现的时间顺序，依次为塞贝克效应、帕尔帖效应和汤姆孙效应。

2.1 赛贝克效应原理

塞贝克效应（Seebeck effect），指在两种不同导电材料构成的闭合回路中，当两个接点温度不同时，回路中产生的电势使热能转变为电能的一种现象。

载流子迁移：温度梯度导致材料中自由电子或空穴（载流子）从高温端向低温端扩散，形成电荷积累。
电势差形成：不同材料的载流子浓度与迁移率差异，使得冷热两端产生电位差（热电动势）。
热电势计算公式：热电动势大小与温度差成正比，见如下公式

根据塞贝克效应，当金属受到外界高温影响时，金属中的电子倾向于向远离热源的方向移动，金属温度较低的一端相对比金属温度较高的一端会集聚更多电子。因此，金属两端温度差，导致电子移动。如果导线A和导线B是同一金属，同一金属的导线中电子移动速度相同，无法测量两根导线的电荷差。如果是两根不同金属的导线以不同速度移动，移动速度快的金属导线在冷端集聚更多电子，这根导线称为负极导线A，移动速度慢的金属导线称为正极导线B，正负极导线AB之间的电荷差，也称为热电势差。热电势会随着正负极导线AB间温度差的变化而变化，可据此计算出热电偶热端温度，可见热电偶是差动式传感器。

一般规定热电势方向为：在热端电子由负流向正。体内的载流子从热端向冷端运动，并在冷端堆积，从而在材料内部形成电势差，同时在该电势差作用下产生一个反向电荷流，当热运动的电荷流与内部电场达到动态平衡时，半导体两端形成稳定的温差电动势。半导体的温差电动势较大，可用作温差发电器。

热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，由该原理可知热电偶的一个优势是其无需外部供电。热电势的产生仅取决于材料性质与温差，与导体几何尺寸无关，这一特性使其具备天然的抗机械应力优势。

2.2 帕尔贴效应原理

两种不同的金属连接后通电，在接头处便有吸热或放热现象，这就是帕尔帖效应。高温接头处从外界吸热转化为电能，未转化为电能的多余热能则从低温接头处向外界释放，热电偶就能持续地发电，直至低温接头处的热量积累到与高温接头等温时，“温差”消失，热电转化停止。

式中，ΠA和ΠB是导体 A和 B 的帕尔帖系数；I是电流(从A到B)。

塞贝克效应（Seebeck effect）实现热能向电能的转换，对应温差发电应用；

帕尔贴效应（Peltier effect）则实现电能向热能的转换，对应热电制冷应用。

这两个效应共同构成了现代热电技术的理论基础。

2.3 汤姆逊效应原理

1856年，汤姆逊利用他所创立的热力学原理对塞贝克效应和帕尔帖效应进行了全面分析，并将本来互不相干的塞贝克系数和帕尔帖系数之间建立了联系。汤姆逊认为，在绝对零度时，帕尔帖系数与塞贝克系数之间存在简单的倍数关系。在此基础上，他又从理论上预言了一种新的温差电效应，即当电流在温度不均匀的导体中流过时，导体除产生不可逆的焦耳热之外，还要吸收或放出一定的热量（称为汤姆孙热）。或者反过来，当一根金属棒的两端温度不同时，金属棒两端会形成电势差。这一现象后叫汤姆孙效应（Thomson effect），成为继塞贝克效应和帕尔帖效应之后的第三个热电效应（thermoelectric effect）。

汤姆逊效应是指存在温度梯度的均匀导体中通有电流时，导体中除了产生和电阻有关的焦耳热以外，还要吸收或放出热量。吸收或放出热量的这个效应称为汤姆逊效应。这部分热量称为汤姆逊热量。

另外，空调制冷中使用的是焦耳-汤姆逊效应（又叫节流效应）。这个效应是说，如果一股（除了氢气和氦气的）气体透过多孔塞，逐渐从一个高压环境（绝热地）运动到低压环境中，它的温度就会降低。低压环境的压强越低，降温效果就越明显。

根据焦耳-汤姆逊效应，科学家逐渐发展了制冷技术，终于在几十年后发明了冰箱和空调。空调制冷的原理，就是通过不断改变制冷剂的压强，让它在室内里变得比室内温度还低；又让它在室外变得比室外温度还高。

2.4 热电效应应用

温差电效应主要应用在温度测量、温度发电和温度制冷三方面。

1）温度量测，可用于热电偶，其测量范围可达 - 270 ～ 2800℃ 。

2）温差电制冷，可用于如红酒柜、啤酒机、小冰箱等，其制冷效果没有压缩机制冷效果好，并且最好的制冷温度也在0度左右，所以还不能取代冰柜、冰箱。

3）温差发电，可以做一些热水发电，汽车尾气发电，还有一些工业废热发电，这些还只在实验室研究，转换效率较低，通常不会超过14% 。

3 热电偶

热电偶的测温原理源于塞贝克效应，当两种异质导体构成闭合回路时，若两接点存在温度差，回路中即产生热电势。

热电偶具有如下特征：

1）热电偶回路热电势的大小只与组成热电偶的材料及两端温度有关，而与热电偶线材的长短、粗细无关；

2）只有两种不同性质的导体才能组成热电偶，当热电偶两端温度不同时，才会形成热电势；

3）材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关，如果f（T0）=常数，则回路热电势EAB（T，T0）就只与温度T有关。

3.1 热电偶种类及特征

热电偶两种不同成份的材料连接是标准的，标准化热电偶具备统一的分度表和良好的互换性。根据IEC 60584标准，共有8种标准化热电偶，其中贵金属热电偶包括S、R、B，而廉金属热电偶则涵盖K、N、E、J、T。非标准热电偶专为特殊应用场合设计，不具有统一的分度表。例如，钨铼系列热电偶适用于0至2800℃的温度范围，但在含氧环境中容易氧化，不适宜使用该环境，常用于真空或惰性环境。

热电偶种类及特性汇总
型号	材料	电极材料		最大温度（℃）	优点	缺点
		极性	识别
K型	镍铬-镍硅	正	不亲磁	-200~1250	①热电动势线性好 ②1000℃抗氧化性能好，短时能达到1350℃	①不适用于还原性环境（如氧气、金属蒸汽） ②同贵金属热电偶相比时效变化大 ③短程有序结构变化而产生误差 ④低温下精度稍低
		负	稍亲磁
S型	铂铑13%-铂	正	较硬	0-1450	①精度高、稳定性好 ②抗氧化、耐化学腐蚀 ③可做标准（S型高温精密测量）	①价格高 ②热电动势线性不好
		负	柔软
R型	铂铑10%-铂	正	较硬
		负	柔软
B型	铂铑30%-铂铑6%	正	较硬	0-1700	①常温下热电动势极小，可不用补偿导线 ②抗氧化性、耐化学腐蚀 ③适用于测量1000℃高温	①在中低温领域热电动势小，不能用于600℃以下 ②灵敏度低 ③热电动势线性不好
		负	稍软
N型	镍铬硅-镍硅	正	不亲磁	-270~1250	①热电动势线性好 ②1200℃下抗氧化性能好，300~800℃稳定性好 ③短程有序结构变化影响小	①不适用于还原性环境 ②同贵金属热电偶相比时效变化大
		负	稍亲磁
E型	镍铬-铜镍	正	暗绿	-200~900	①现有热电偶中，灵敏度最高，热电势大，特别适用于惰性气体和真空 ②同J型比，耐热性能好 ③两级非磁性	①不适用于还原性环境 ②热导率低，具有滞后现象
		负	亮黄
J型	铁-铜镍	正	亲磁	0~750	①可用于还原性气氛 ②热电动势较K型高20%	①正极易生锈 ②热电特性漂移大
		负	不亲磁
T型	铜-铜镍	正	红色	-200~350	①热电动势线性好 ②低温特性好 ③稳定性好 ④可用于还原形环境	①使用温度低，正极易氧化
		负	银白色

选型需综合考虑温度、环境、精度、响应速度、成本，避免“高配低用”或“性能不足”。

温度范围与精度

超高温（>1600℃）：优先选择B型或者钨铼热电偶。

中高温（600~1300℃）：S型（高精度）或N型（性价比）。

低温（<400℃）：T型（稳定）或E型（灵敏度高）。

使用环境的气体特征

氧化性气氛：S、B、K型表现优异。

还原性/含硫环境：K型或带保护管的K型。

响应速度与耐久性

快速测温：选择铠装或者薄膜热电偶。

长期稳定：线径粗的贵金属型（如S型）更耐用。

机械强度与安装条件

震动环境：铠装热电偶抗冲击性强。

狭小空间：微型或压簧固定式热电偶。

成本

低成本需求：K型或J型（廉金属）。

长期高精度：贵金属型（如S型）虽贵但维护成本低。

3.2 热电偶的产品结构

普通工业用热电偶主要由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒组成，热电极的直径大小会受到材料价格、机械强度、电导率、热电偶用途以及测温范围的影响。一般来说，贵金属电极的直径范围在0.3至0.65毫米之间，而普通金属电极的直径则可以达到3.2毫米。热电极的长度也是多样的，这主要取决于安装条件和插入深度，通常在300至2000毫米之间。在连接方面，热电偶热端通常采用焊接方式，其中点焊、对焊和绞接点焊是常见的接头形状。需要注意的是，焊点的直径不应超过热电极直径的两倍。

铠装热电偶是一种经过拉伸加工的坚实组合体，由热电极、绝缘材料和金属套管共同构成。其套管材料可选自铜、不锈钢或镍基高温合金，且内部填充了绝缘粉末，如氧化镁或氧化铝。热电极则有单芯、双芯和四芯之分，彼此间保持绝缘。

薄膜热电偶是把两种热电极用特殊的方法沉积在绝缘基片上而形成的一种特殊结构的热电偶。由于热电偶的热电极是非常薄的薄膜，因此，热容量小，如反应时间极快，可用于测是表面瞬变的温度如10-7s的瞬变温度。可用于测量极小面积上的温度，如半导体元件或集成电路上小至几十微米区域的温度。

探诊式热电偶探头部分根据不同的场合可以做成多种形状，如探针式、贴片式、螺钉式、固定螺纹式等。

3.3 冷端补偿

假设测量端的温度为T1，参考端的温度为T2，通过测得的电动势E，S为材料的塞贝克系数，则可以使用以下关系计算出测量端的温度：

根据热电偶测温原理可知，热电偶热电势的大小只在参比端温度为恒定时，才能反映测量端的温度。而在实际应用时，热电偶的冷端总是放置在温度波动的环境中，因此冷端温度不可能是恒定值，测量的值也就不正确。为消除冷端温度对测量的影响。

式中，T为工作端温度；T0为冷端温度；0为冷端标准温度；E（T，T0）是热电偶在T与T0时的热电动势。

可采用以下处理办法进行冷端温漂补偿：

冷端恒温法

将热电偶的冷端浸入冰点冷槽、恒温箱中。

显示仪表机械零点调整

在恒温箱法中，当送入显示仪表的电势为e（t，t0），且已知t0为恒定值时，我们可以在不连接热电偶的情况下，将仪表的机械零点调整至与t0温度相对应的刻度位置。这一步骤实质上是在仪表内部预先施加了电势e（t0，0）。随后，当热电偶接入时，用于温度显示的总电势将变为e（t，0）。由于所有显示仪表的刻度都是依据分度表进行精确标注的，因此，仪表能够准确无误地显示出被测热端温度的实际数值。

补偿电桥

在热电偶与仪表间加上一个补偿电桥，当热电偶冷端温度升高，导致回路总电动势降低时，这个电桥感受自由端温度的变化，产生一个电位差，其数值刚好与热电偶降低的电动势相同，两者互相补偿。这样，测量仪表上所测得的电动势将不随自由端温度而变化。自动补偿法解决了冷端温度校正法不适合连续测温的问题。

使用补偿导线，将冷端远离热源
3.4 热电偶典型应用

在冶金行业，S型热电偶直接插入1600℃钢水，通过压缩空气冷却保护套管实现连续测温。电力行业中，K型热电偶监测锅炉过热器管壁温度，其耐振性能满足汽轮机10000rpm转速下的测量需求。

环境监测领域，T型热电偶（-200℃~350℃）配合防水套管，可长期埋设于冻土层监测地温变化。其微小热容量（<10mJ/℃）可捕捉日温变化细节。

热电偶是目前工业温度测量领域中应用最广泛的传感器之一，它与其他温度传感器相比，具有以下突出的优点：

1）能测量较高的温度，常用的热电偶能长期用来测量 300 ～ 1300℃ 的温度，一般可达 - 270 ～ 2800℃ ，可满足一般工程测温的要求。

2）热电偶把温度转换为电动势，测量方便，便于远距离传输，有利于集中检测和控制。

3）结构简单、准确可靠、性能稳定、维护方便。

4）热容量和热惯性都很小，能用于快速测量。

热电偶还有测温范围宽、价格便宜、适应各种大气环境等优点，但其缺点是测量精度不高，故在高精度的测量和应用中不宜使用热电偶。

3.4 使用注意事项

疑问1：热电偶表的温度探头两种金属丝被拧了很多圈，接触面积增大，量测还准吗？

答：需使用专业设备（热电偶焊接机）连接，焊接后需进行检测热电势是否准确，不规范连接会改变材料特性，导致数据偏差。

1）破坏热电偶的核心工作原理

热电偶的测温原理基于塞贝克效应（Seebeck Effect）：两种不同金属丝（如镍铬-镍硅）在单一焊接点（测温端）形成闭合回路时，若两端温度不同，会产生与温差成比例的电动势（热电势）。电动势仅由测温端的单一焊接点和参考端的温度决定，与金属丝的长度、形状或接触面积无关（前提是金属丝材料均匀且无杂质）。

拧转的影响：若金属丝被拧多圈，可能导致：

焊接点松动或断裂：破坏测温端的唯一性，使电动势信号异常。
产生附加接触电势：拧转处可能形成新的金属接触面，引入额外的接触电势（与温度无关），干扰测温信号。

2）接触面积增大≠测温更准

理论层面：热电势仅取决于测温端的温度和金属材料，与接触面积无关。增大接触面积不会提升测温精度，反而可能因以下问题导致误差：

不均匀性：拧转处金属丝可能因机械应力产生晶格畸变或氧化，导致局部电阻变化，影响电动势稳定性。

热传导干扰：拧转可能改变探头内部的热传导路径，使测温端温度与实际被测温度产生偏差（例如，拧转导致热量沿金属丝散失更快）。

实际表现：若拧转后金属丝形成多股并联，可能因各股温度不均（如环境热损失差异）导致电动势波动，使读数不稳定。

4 热敏电阻（Thermistor）

热敏电阻是一种半导体电阻，属于可变电阻一类，其电阻值随着温度的变化而改变，通常使用材料是陶瓷或者聚合物。按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻（PTC thermistor，即 Positive Temperature Coefficient thermistor）和负温度系数热敏电阻（NTC thermistor，即 Negative Temperature Coefficient thermistor）。正温度系数热敏电阻器的电阻值随温度的升高而增大，负温度系数热敏电阻器的电阻值随温度的升高而减小，它们同属于半导体器件。具有以下特点：

灵敏度高：NTC热敏电阻的阻值变化比RTD大得多，适合微小温度变化检测，能测出10-6的温度变化。
非线性特性：电阻-温度关系呈指数变化，需校准或查表补偿。
响应速度快：体积小，热惯性低，适合快速测温。
温度范围较窄：通常适用于-50℃ ~ +150℃（部分高温型可达300℃，低温型可达-273℃）。热敏电阻通常在有限的温度范围内可实现较高的精度，通常是 -90℃ ~ 130℃。

4.1 热敏电阻种类及特征

4.1.1 NTC 热敏电阻温度与电阻公式

NTC热敏电阻是负温度系数的电阻，当温度升高时，电阻降低。NTC热敏电阻灵敏度高，温度分辨率高，但是测量温度范围较窄，通常低于 100 ℃。更高工作温度的热敏电阻种类较少。

国内应用最普遍的公式：

式中，RT温度T时的电阻，单位：ohm；R0温度0时的电阻，单位：ohm；β为材料常数，它与材料的特性有关，也称为B值；T为当前温度，单位：K；通常T0取 298.15K，即 25℃。

指数公式的精度较差，在 0℃~100℃范围内，精度为+1℃。超过该范围误差更大。

4.1.2 PTC 热敏电阻温度与电阻公式

PTC热敏电阻的电阻值随温度升高呈现阶跃性增加，当温度超过居里温度时，电阻值急剧增大直至失效。若仍然持续上升，PTC将失去正的温度特性，阻值降低。阻值开始下降的点被称为最大温度点。因此，PTC热敏电阻的额定值被设计为不得超过最大温度点。该特性使其广泛应用于过热保护（如电机、变压器过热保护）、自恢复保险丝等领域。

公式可以表示为：

式中，RT温度T时的电阻，单位：ohm；R0温度0时的电阻，单位：ohm；β为材料常数，它与材料的特性有关，也称为B值。‌

4.3 热敏电阻典型驱动电路

待整理更新

4.4 热敏电阻的产品结构

4.5 热敏电阻典型应用

热敏电阻属于半导体器件，被广泛应用于各种电子元器件，在温度测量和控制方面有着广泛的应用。PTC热敏电阻广泛应用于过热保护（如电机、变压器过热保护）、自恢复保险丝等领域。NTC热敏电阻在温度测量和控制领域得到广泛应用，例如在电子设备中用于测量CPU温度，以确定设备性能和稳定性。‌

但是需要注意的是，由于热敏电阻温度特性的不稳定性，它的精度相对较低，不适用于高精度温度测量和控制领域，但其灵敏度高、响应速度快、体积小等优点，因此被广泛应用于温度测量领域。

5 热电阻（RTD）

热电阻（Resistance Temperature Detector，RTD）基于金属导体电阻值随温度变化的物理特性进行测温。当温度变化时，金属内部自由电子的运动受到的影响程度会发生改变，从而引起电阻值的变化。

5.1 热电阻种类及特性

常见的热电阻材料包括铂（Pt）、铜（Cu）、镍（Ni）。铂热电阻（WZP）对应的测温范围是： -200℃ ~ 850℃；铜热电阻（WZC）对应的测温范围是：-50°C ~ 150℃；镍热电阻（WZN）对应的测温范围是：- 60℃ ~ 180℃。其中铂电阻（PT100、PT1000）应用最广泛，铂热电阻具有以下特性：

线性度好：电阻变化与温度呈近似线性关系（尤其在0~500℃范围内）。
精度高：铂电阻的测量精度可达±0.1℃甚至更高。
稳定性强：长期使用不易漂移，适用于工业环境。
温度范围广：通常适用于-200℃~+850℃（不同材料有所不同）。

5.1.1 铂热电阻温度和电阻公式

铂热电阻常见的型号Pt50、Pt100、Pt200、Pt500和Pt1000等。名称中的数值表示热电阻在0℃下的标称电阻值。PT100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，PT1000即表示它在0℃时阻值为1000欧姆。

铂电阻阻值会随着温度的升高匀速有规律的变大，温度和电阻关系式：

在-200℃ ~ 0℃：

在0℃ ~ 850℃：

式中，RT温度T℃时的电阻；R0是温度为0℃时的电阻；A、B、C均为常数：常数A=3.9083× 10-3；常数B=-5.775× 10-7；常数C=-4.183× 10-12。

工业标准Pt100，其阻值在0℃时为100Ω，温度系数α=0.00385Ω/℃，即温度每升高1℃，阻值增加0.385Ω。这种近似线性的关系通过惠斯通电桥或恒流源电路实现高精度测量，典型精度可达 ± 0.1℃。

5.1.2 铜热电阻温度和电阻公式

铜热电阻常见的分类型号有：Cu50、Cu100等。名称中的数值表示热电阻在0℃下的标称电阻值。铜电阻温度和电阻关系式：

式中，RT温度T℃时的电阻；R0是温度为0℃时的电阻；α、β、γ均为常数：常数α=4.28× 10-3；常数β=-9.31× 10-8；常数γ=1.23× 10-9。

5.1.3 镍热电阻温度和电阻公式

镍热电阻常见的分类型号有：Ni100、Ni300、Ni500等。名称中的数值表示热电阻在0℃下的标称电阻值。铜电阻温度和电阻关系式：

式中，RT温度T℃时的电阻；R0是温度为0℃时的电阻；A、B、C均为常数：常数A=5.485× 10-3；常数B=6.65× 10-6；常数C=2.805× 10-11。

5.2 热电阻典型驱动电路

待整理更新

5.3 热电阻的产品结构

热电阻的元件形状主要分为三种，其中陶瓷封装型是目前应用最广泛的一种。这种封装方式不仅适用于带保护管的热电阻，也广泛应用于铠装热电阻。值得注意的是，陶瓷与玻璃封装型的铂线裸线直径大约在几十微米左右，而云母板型的则约为0.05mm。在引线方面，通常采用比元件线粗得多的铂合金线。

不同的工业应用场景和测量需求，元件在结构、性能以及适用范围上，都各有差异，为工业测量提供了灵活多样的选择。

5.4 热电阻典型应用

铂电阻具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点，被广泛应用于医疗、电机、工业、温度计算、卫星、气象、阻值计算等高精温度设备中。

生物制药行业，Pt100在GMP规范下实现±0.1℃控温，其线性输出与数字接口简化校准流程。食品加工行业，薄膜Pt100直接嵌入烘箱传送带，四线制接法消除100米长导线电阻影响。空调系统采用NTC热电阻进行±0.5℃精度的回风温度控制，其快速响应（t<3秒）配合变频压缩机，实现30%能效提升

6 热成像

红外热成像仪是一种通过检测物体表面辐射的红外能量（热量），并将其转换为可视化热图像和温度数据的设备。其检测原理基于热辐射理论，利用物体辐射的红外光谱来获取物体的温度、形状、结构等信息

6.1 热辐射理论

高于绝对零度（-273.15 ℃）的任何物体由于内部分子和原子的无规则运动向外发生红外辐射，并且随着温度越高，辐射能量越大。根据能量守恒定律，辐射到物体上的能量只能吸收、反射和透射。红外辐射一般是指波长范围在0.78～1 000 μm之间的电磁辐射，对应的频率范围为300 GHz至400 THz，具有热辐射、分子振动-转动光谱和自由电子的特性，是一种重要的热辐射形式。

Stefan-Boltzman 定律为黑体单位表面积向整个半球空间发射所有波长的总辐射出射度Mb( T )。

式中，σ为Stefan-Boltzman 常数，为第一辐射常量，Stefan-Boltzman 定律表明黑体单位表面积发射的总辐射出射度与其开氏温度的4次方成正比。

红外热成像仪工作在某一特定的波段，为了确定在某一波段内的黑体辐射能，可对黑体光谱辐射出射度在一定波段内积分，即

针对工作在波段范围内的红外热成像仪进行研究，在波段范围n=3.9889黑体总辐射出射度随温度的变化近似满足4次方关系。

因此红外热成像仪测得辐射温度Tnr可表述为：

式中，Tr 为辐射温度，T0 为被测物体真实温度，Tu 为环境温度，Tr 为大气辐射温度。

辐射强度与温度正相关：物体的温度越高，辐射的红外能量越强，且辐射能量的峰值波长与温度成反比（维恩位移定律）。例如，高温物体（如火焰）主要辐射短波红外线，而低温物体（如人体）则辐射长波红外线。

普朗克定律：定量描述了物体的辐射能量与温度、波长的关系，是红外热成像技术的核心理论依据。通过测量物体的红外辐射强度，可反推其表面温度。

6.2 热成像仪核心组件

傅里叶变换光谱成像技术(待整理更新)

红外热成像仪的主要结构包括光学系统、红外探测器、信号处理单元、显示和存储单元

1）光学系统：收集红外辐射

镜头：汇聚物体发出的红外辐射，通过红外滤光片（仅允许特定波长的红外线通过，如 8~14μm 的长波或 3~5μm 的中波），聚焦到红外探测器上。

调制器（可选）：部分设备通过旋转调制盘对红外信号进行斩波，以提高信号的稳定性和抗干扰能力

2）红外探测器：将热信号转化为电信号

探测器类型：

热探测器：利用材料的热效应（如热释电效应、电阻变化）测量红外能量，响应速度较慢，但无需制冷，适用于常温检测（如人体测温、建筑节能检测）。

光子探测器：利用光子与材料的相互作用（如光电效应）产生电信号，灵敏度高、响应快，但需要低温制冷（如液氮或电制冷），常用于高温或高精度场景（如工业炉温监测、航空航天）。

3）信号处理单元：放大、矫正、数字化

信号放大：探测器输出的电信号通常很微弱，需通过放大器提升至可处理的水平。

非均匀性校正（NUC）：由于探测器各像素单元的灵敏度存在差异，需通过算法（如参考黑体校正）消除图像中的 “固定图案噪声”，提高图像质量。

模数转换（ADC）：将模拟电信号转换为数字信号，便于后续的温度计算和图像处理。

4）温度计算与伪彩色成像

温度反演：根据普朗克定律和探测器的校准参数（如响应率、光谱灵敏度），将数字信号转换为对应的温度值（单位为℃或℉）。

伪彩色映射：为了便于人眼识别温度差异，系统将不同温度区间映射为不同颜色（如冷色调代表低温，暖色调代表高温），生成热成像图。常见的调色板有铁红、彩虹、灰度等。

6.3 热成像仪精度关键影响因素

红外热成像的准确性受以下因素影响：

1）物体发射率（ε）：物体辐射红外能量的能力，与表面材质、粗糙度、温度等有关（ε=0~1，黑体 ε=1）。检测前需根据被测物体材质设置合适的发射率（如金属 ε≈0.2，人体 ε≈0.98）。

反射辐射：物体表面可能反射周围环境的红外辐射（如阳光、灯光），导致测量值偏高或偏低，需通过遮挡或修正反射温度消除影响。

大气衰减：长距离检测时，空气中的水蒸气、二氧化碳等会吸收红外线，需根据检测距离和环境湿度设置大气传输率。

3）距离与光斑尺寸

若物体尺寸小于光斑，测量值会包含背景辐射。

4）环境温度与湿度

探测器的性能可能受自身温度影响（如热探测器），需定期校准；高湿度环境可能导致镜头起雾，影响成像质量。

6.4 热成像仪典型应用

工业检测：电机、管道、电路板的故障预警（如过热点检测）。

建筑节能：墙体漏热、地暖管道渗漏检测。

医疗筛查：体表温度异常监测（如疫情期间的体温筛查）。

消防救援：在浓烟中定位热源（如被困人员、火源）。

科学研究：材料热特性分析、动物体温监测等。

9 在使用中如何选取温度传感器？

9.1 温度传感器性能参数对比总览

性能参数	热电偶	热敏电阻	热电阻	热成像
材料	S、R、B、K、N、E、J、T型材料不同	半导体陶瓷（锰、钴、镍氧化物）	金属（铂、铜、镍）	光谱成像器件
温度系数	PTC	PTC、NTC	PTC	PTC
精度	K型±2.2℃ S型±1.5℃（部分材料在某些温度有更高的精度）	中等	高（铂±1℃或更高，铜±0.5℃）	科学级热像仪测温精度可达0.7%，普通大概2%
线性度	K型线性度较好	较差（指数变化、需补偿）	较好（近似线性）	/
响应速度	2~5S	快（半导体热惯性小）	10S,较慢（金属热惯性大）.但MEMS工艺制备的Pt100，尺寸1mm2，响应时间10ms	快
温度范围	K型-200℃~1300℃，S型可达1600℃。	-50℃~+150℃（部分达300℃）	-200℃~850℃	-30~650℃（部分1300℃）
成本	廉金属、贵金属	较低（适合大批量应用）	较高（铂材料贵，铜成本一般）	一般过万
干扰项	冷端补偿		高温氧化引起温漂系数不准	反射率，环境辐射，光电器件
典型应用	钢水温度检测、汽轮机锅炉温度检测	电子器件OTP、医疗设备（体温计）	工业过程控制、科学研究高精度测温	目标值侦测
优选场景	·广域测温 ·恶劣工况适应能力	·需要高灵敏度（微小温度变化检测） ·低成本（消费电子） ·需要快速响应（如电子设备过热保护）	·需要高精度、长期稳定（如工业控制） ·测量范围宽（-200~850℃） ·环境恶劣（抗干扰能力强）	非接触测量