红外线和紫外线

第五节　红外线和紫外线

红外线

1．红外线的发现和特点

1800年7月，英国天文学家赫谢耳博士研究太阳光谱时做了一个有趣的实验。他让一束太阳光通过三棱镜，照射到一张白纸上，形成一条从红到紫的彩色光带。再把九支温度计放到彩色光带的不同位置，以测量各个彩色光带的温度。

他发现各个温度计上升的温度有一定的规律：紫光外区的温度计几乎不升温，从紫光到红光的温度计升温依次增高，红光外区的温度计的温度最高。经过反复试验，这个所谓热量最多的高温区，总是位于光带最边缘处红光的外面。于是他宣布太阳发出的辐射中除可见光线外，还有一种人眼看不见的“热线”，这种看不见的“热线”位于红色光外侧，叫做红外线。红外线也是电磁波。红外线的波长比红光要长，介于红光和微波之间。其波长范围从0．78—1000μm。

通过进一步的研究，人们发现，红外线有许多特点：①常温下物体就可以不断地辐射出9μm左右的红外线；②红外线有显著的热效应，可以用温差电偶、光敏电阻等仪器来测量；③红外线容易被物体吸收；④红外线通过云雾等充满悬浮粒子的物质时，不易发生散射，具有较强的穿透能力。由于红外线的这些特点，使红外线在人类日常生活、军事等领域有极其广泛的应用。

2．红外测温仪器

红外测温仪器主要有三种类型：红外测温仪（点温仪）、红外热像仪、红外热电视。红外测温仪器由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分组成。红外测温仪是通过探测物体所辐射的红外线的能流密度来检测表面温度的仪器。它依据的基本原理是：温度高于绝对零度的一切物体都在不停地向周围空间发出红外线，物体红外辐射能量的大小与波长的分布和它的表面温度有关。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度。

物体辐射出的红外线，经光学系统可汇集其红外辐射能量，通过光电探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号，该信号经过放大器和信号处理电路就可以完全一一对应地模拟扫描物体表面温度的空间分布，经电子系统处理，传至显示屏上，得到与物体表面温度及温度场相应的“热像图”，可实现对目标进行远距离热状态图像成像和测温的目的。红外热电视和红外热像仪就是利用热成像技术将这种看不见的“热像”转变成可见光图像。

红外测温技术在生产过程中、在产品质量控制和监测、设备在线故障诊断和安全保护以及节约能源等方面发挥了重要作用。

3．红外诊断技术

红外诊断技术也是通过吸收红外辐射能量，测出设备表面的温度及温度场的分布，从而判断设备发热情况，所以红外诊断技术可以对电气设备的早期故障缺陷及绝缘性能做出可靠的预测，使传统电气设备的预防性试验维修提高到预知状态检修。特别是现在大机组、超高电压电力系统利用红外状态监测和诊断技术可以在远距离、不接触、不取样、不解体的情况下实施准确、快速、直观地监测和诊断。因此，该技术备受国内外电力行业的重视，并作为一门新兴的学科和技术得到了快速发展。

4．红外探测技术

红外探测技术被广泛应用于军事领域，如红外侦察、红外夜视以及红外制导等。红外侦察是指在人造地球卫星、侦察飞机、监视地区或道路附近装有红外成像设备对地面的军事行动进行监视，探测监视地区或经过监视地区附近的目标，并能测定其方位。红外夜视是指在作战飞机、导弹、火炮、轮船等配备视红外摄像机、红外热像仪等红外成像设备，用作在夜间导航、搜索、精确定位、跟踪和捕捉目标等。红外制导就是利用目标本身的红外辐射来引导导弹自动接近目标，以提高命中率。

此外，红外探测技术还被用于探测隐身飞行器。由于红外探测技术具有环境适应性好、隐蔽性好、抗干扰能力强、能在一定程度上识别伪装目标，且设备体积小、质量轻、功耗低等特点，军用红外技术得到了飞速发展和广泛应用，表明红外技术的地位已从以往的战术地位向战略地位发展。海湾战争中多国部队就大量采用了红外探测技术。

5．红外线加热

应用红外线加热原理，制成红外干燥器、红外烤箱炉能使物体内部发热，可用以焙制食品、烘干油漆。应用对红外线灵敏的探测器能吸收物体发出红外线的性质，可以探测出被测物体的特征，它可用来勘测地热、寻找水源、监测森林火情、预报台风寒潮、估计农作物收成等。应用对红外线有敏感作用的底片，可进行远距离和高空摄影，而不受黑暗条件的限制。另外，红外技术在红外通信、红外安全、报警、文物鉴定、红外防伪等方面也有重要作用。

6．医学中的热成像技术

热成像技术在医学上的应用非常广泛。患病期间，全身或局部的热平衡遭到破坏由于人体各个部位温度并不相同，在便在相应部位的皮肤温度上显示出来，利用热成像技术可以做早期诊断，特别是在对乳腺癌、皮肤癌、溃疡、烧伤等方面更有效。

紫外线

1．什么是紫外线

1801年，德国科学家里特首先发现了紫外线。紫外线是紫光之外区域波长从200—380nm（0．02—0．38μm）电磁辐射的总称。可见光能透过的物质，对于紫外线的某些波段却会强烈地吸收。例如：玻璃对波长小于350nm的紫外线有强烈的吸收；地球大气中的氧和臭氧几乎全部吸收了太阳辐射中波长小于290nm的紫外线；水银灯和电弧的光中有250—390nm之间的强紫外辐射，是常用的紫外线光源，紫外线通常用光电元件和感光乳胶来检测。紫外光谱是研究原子结构的重要手段，紫外线在工农业方面也有重要的应用价值。

2．紫外线的利与弊

紫外线对人体有利有弊。首先，中长波紫外线的照射，可使皮肤中的脱氧胆固醇转变为维生素D，维生素D可增强钙磷在体内的吸收，能帮助骨骼的生长发育，成长期的儿童多晒太阳，多在户外活动，有利于预防佝偻病。其次，不同波长的UV－A、UV－B波段能够治疗类风湿性关节炎、白癜风、玫瑰糠疹和皮肤T细胞性淋巴瘤等皮肤病。再次，紫外线还可使微生物细胞内核酸、原浆蛋白发生化学变化，用以杀灭微生物，对空气、水、污染物体表面进行消毒灭菌。通过特殊工艺制成的UV－C紫外线灯，用来进行消毒灭菌。

然而，紫外线人类皮肤有危害，对皮肤的伤害是日积月累的，波长愈短，对人类皮肤危害越大，紫外线的长期积累可诱发皮肤癌。科学研究证实，强烈的太阳光是人患白内障的主要原因之一。

3．紫外线预防

预防紫外线对人体的伤害，最主要的是避免长时间在强烈的日光下活动。另外，采取一些防护措施也是很有必要的，比如在有强烈阳光的户外活动时，用浅颜色的遮阳伞阻挡紫外线直接接触皮肤、利用太阳镜减弱紫外线的强度、适当地涂搽防晒霜等，在用紫外线灯进行消毒灭菌时不要将皮肤暴露在灯光下。

紫外线指数用0—15来表示，是指一天内太阳在天空中位置最高时（一般为中午前后），到达地面的太阳光线中的紫外线辐射对人体皮肤可能伤害的程度。通常规定夜间为0，热带、高原地区，晴天无云时为15。紫外线指数越大，对人体损伤程度越大。当紫外线达0—2级时对人体无太大影响；当紫外线为3—9级时，外出时必须注意防护，以避免皮肤受到太阳辐射的危害；当紫外线指数大于等于10时，应尽量避免外出，因为此时的紫外线辐射极具有伤害性。

近年来，大量化学物质破坏了大气层中的臭氧层，破坏了这道保护人类健康的天然屏障。据国家气象中心提供的报告显示，1979年以来我国大气臭氧层总量逐年减少，在20年间臭氧层减少了14%。而臭氧层每递减1%，皮肤癌的发病率就会上升3%。最近，北京市气象局发布了北京市的紫外线指数，以帮助人们适当预防紫外线辐射。