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熱成像儀的工作原理基于熱輻射原理。一切溫度高于零度（-27）的物體都會不斷地向外輻射紅外線，熱成像儀通過接收物體發出的紅外線來感知物體的溫度分布。
其核心部件是紅外探測器，通常采用制冷型或非制冷型探測器。制冷型探測器利用低溫環境降低探測器的噪聲，提高靈敏度，能探測到更微弱的熱輻射信號。非制冷型探測器則通過微測輻射熱計等技術，直接將紅外線的熱輻射轉換為電信號，無需低溫制冷，成本相對較低且易于集成。
探測器接收到物體的紅外線后，將其轉化為電信號，經過信號處理電路進行放大、濾波、模數轉換等處理，終在顯示屏上以不同的顏色或灰度等級顯示出物體的溫度分布圖像。溫度高的物體輻射出的紅外線強度大，在圖像中呈現為較亮的顏色或較深的灰度；溫度低的物體則呈現為較暗的顏色或較淺的灰度。這樣，熱成像儀就能直觀地呈現出被觀測物體表面的溫度差異，幫助人們在黑暗、煙霧、灰塵等環境中探測目標，以及進行無損檢測、醫療診斷、安防監控等多種應用。
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