科学家开发非接触式温度计，测量误差小于2℃，成功改进红外热成像技术

来源：DeepTech深科技

近日，美国休斯顿大学包吉明教授和团队基于光催化中热效应与非热效应（热电子）面临的热点问题，提出一种准确且具有实用性的温度测量技术。

具体而言，他们报道了一种通过光谱仪测量催化剂近红外发射光谱，并对 950-1600nm 范围内的光谱进行拟合，从而得到表面温度的非接触式光学技术。

这是一种基于连续光谱测量的新方法，能够在不依赖物体发射率的情况下，提供精准的非接触式温度测量技术，测量误差小于 2℃，能够改进传统的红外热成像技术。

本次技术克服了传统红外热像仪和温度计因未知发射率带来的测量不准确的问题，并揭示出在强光照射下，光热催化剂的表面温度远高于埋置热电偶所测得的温度。

（来源：Device）

这项技术的优势在于它不依赖单一的黑体发射强度，因此规避了温度依赖发射率及红外摄像机或温度计常见的误差问题。近红外温度计在 200°C 及以上时，可实现 1°C 的精度。

以 MgO/Al2O3 粉末表面的 Ru-Cu 等离子体纳米粒子作为参考光热催化剂，在 10 W/cm² 光照下，近红外温度计检测到表面与其下方 100μm 处的温差超过 200°C。

本次技术通过利用全光谱的连续光谱，而非单一波长或狭窄波段，能够提供更为精确的温度测量。通过将采集的光谱与理想的黑体辐射公式拟合，并使用简单的校准步骤，有效地消除了对温度和波长相关发射率的依赖。

温度相关的发射率已经包含在参数 E 中，波长相关的发射率则通过校准中归一化的光谱响应来解决。

该技术的有效性，也通过测量加热过程中的温度（误差小于 2℃）及激光加热下催化剂粉末表面温度梯度得到了验证。

近红外光谱仪通过光纤收集热目标的辐射，数据由计算机记录，并通过系统校准的光谱响应进行归一化处理，最终拟合以确定温度。

研究人员相信该技术在需要精确表面温度测量的应用场景中，尤其是光热催化领域，具有重要的应用价值。

这项新技术有望在光热反应中实现催化剂表面温度的精准测量，从而解决相关争议并更好地量化热电子的贡献。

光纤耦合近红外温度计将成为在恶劣环境下，或高精度测量条件下进行精确温度检测的重要工具。由于光纤尖端尺寸小，无论是否附加聚焦光学器件，通过扫描光纤尖端可以方便地获得二维空间的温度分布。

而本次方法扩展了传统的单波长或多光谱处理，基于近红外连续全光谱拟合，为验证和理解光热反应中的非热效应提供了有力的工具，同时也为其他需要精确高表面温度测量的领域提供了解决方案。

光热催化研究将能够广泛应用这一技术。同时，不仅限于光催化领域，本次技术还将在任何需要非接触式准确温度测量的场景中发挥作用，例如 3D 打印、炼铁和发动机温度监控等。

此外，该技术的背后原理也具有广泛的应用潜力，通过更换不同探测器如长波探测器，该技术有望扩展至低温测量，如实现室温及以上的温度检测。

日前，相关论文以《非接触式温度计，用于使用近红外黑体辐射光谱测量光热催化剂的表面温度》（Non-contact thermometer for measuring surface temperature of photothermal catalysts using near-infrared black-body radiation spectrum）为题发在 Device[1]，梅拉巴·奇罗姆（MeirabaChirom）是第一作者，包吉明担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Device）

总的来说，本次技术的突出亮点包括突破了单波长和多光谱测温的局限性；通过简便的校准步骤，消除了波长和温度相关发射率对测量的影响；能够在宽广的温度范围内实现精准的温度测量；同时，揭示了催化剂粉末在激光加热过程中存在显著的温度梯度。

研究人员表示在光的照射下，红外照相机明显低估了光热催化剂的表面温度。这种近红外温度计的原理可以扩展到更长的波长，以便可以覆盖较低的温度。

因此，他们会继续深入研究这种热电子驱动催化反应，例如在 CO2 加氢、氨合成或分解以及甲烷干重整等反应中（这些都是需要明显电荷转移的大规模工业热反应）。

但是因为催化剂的温度测量可能存在很大的不确定性，所以不准确的反应温度将导致错误的活化能。基于此，他们将根据本次技术针对光催化反应进行更深入的研究。

参考资料：

1.Chirom, M., Qin, C., Lin, F., Lim, A., Baldelli, S., Robles-Hernandez, F., ... & Bao, J. (2024). Non-contact thermometer for measuring surface temperature of photothermal catalysts using near-infrared black-body radiation spectrum.Device, 2(9).

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