什么是紅外輻射？

紅外(IR)溫度計(jì)是一種通過(guò)檢測(cè)和量化測(cè)量目標(biāo)發(fā)射的紅外輻射能量來(lái)確定物體溫度的傳感器。紅外溫度計(jì)非常像人的眼睛。眼睛的晶狀體就像光學(xué)元件，物體發(fā)出的輻射（光子流）在大氣中通過(guò)該元件到達(dá)光敏層（視網(wǎng)膜），然后被轉(zhuǎn)化為信號(hào)并被傳送到大腦。圖3顯示了紅外測(cè)溫系統(tǒng)的工作原理。

各種形式的物質(zhì)只要溫度高于**零度（-273.15°C/-459.8°F），都會(huì)根據(jù)其溫度發(fā)射紅外輻射，稱為特征輻射。輻射的原因在于內(nèi)部分子的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度取決于物體的溫度。由于分子運(yùn)動(dòng)代表電荷位移，這種輻射是電磁輻射（光子粒子）。這些光子以光速運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)行規(guī)律符合已知的光學(xué)原理。它們可以被偏轉(zhuǎn)，用透鏡聚焦或被反射表面反射。這種輻射的光譜范圍為0.7至1000μm。因此，這種輻射通常用肉眼看不到，見(jiàn)圖4。
然而，光譜中人眼不可見(jiàn)部分所包含的能量是可見(jiàn)部分的100,000倍。這正是紅外測(cè)量技術(shù)的理論依據(jù)。從圖5中可以看出，隨著目標(biāo)溫度的升高，輻射量逐漸向波段較短的區(qū)域移動(dòng)，且物體在不同溫度下的輻射曲線相互不重疊。整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射能量（每條曲線下方的區(qū)域）增長(zhǎng)至溫度的四次方。這些關(guān)系由Stefan和Boltzmann于1879年發(fā)現(xiàn)，標(biāo)明可以從輻射信號(hào)中測(cè)量出明確的溫度。

圖5顯示了物體在不同溫度下的典型輻射。如前所述，物體在高溫下會(huì)發(fā)出少量可見(jiàn)光。因此，每個(gè)人都可以看到物體在非常高溫的環(huán)境下（600°C以上）發(fā)出紅色到白色的光線。經(jīng)驗(yàn)豐富的鋼鐵工人甚至可以從顏色上非常準(zhǔn)確地估算出鋼鐵的溫度。從20世紀(jì)30年代開(kāi)始，鋼鐵行業(yè)便開(kāi)始使用經(jīng)典的隱絲式高溫計(jì)。
從圖5中可以看出，應(yīng)以此為目標(biāo)：盡可能在寬的范圍內(nèi)設(shè)置紅外溫度計(jì)，以獲取更多的能量（對(duì)應(yīng)于曲線下方的區(qū)域）或者目標(biāo)發(fā)出的信號(hào)。然而，在某些情況下，這種做法并不總是有利的。例如，在圖5中，當(dāng)溫度升高是，輻射強(qiáng)度在2μm處增加量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于在10μm處的。每單位溫差下的輻射差異越大，紅外溫度計(jì)的測(cè)量精度便越高。根據(jù)維恩位移定律(Wien's Displacement Law)，隨著溫度的升高，物體的輻射量*大值將向短波方向移動(dòng)，因此，波長(zhǎng)范圍將取決于高溫計(jì)的溫度測(cè)量范圍。在低溫環(huán)境下，在2μm處工作的紅外溫度計(jì)將在溫度低于600°C時(shí)由于輻射能量太少而幾乎看不到任何東西，從而停止工作。使用針對(duì)不同波長(zhǎng)范圍的測(cè)量?jī)x器的另一個(gè)原因在于一些被稱為非灰體（玻璃、金屬和塑料薄膜）的材料的輻射率模式。圖5顯示了理想材料——所謂黑體的輻射情況。然而，許多物體在相同溫度下會(huì)發(fā)出少量的輻射。實(shí)際輻射量與黑體的輻射量的比稱為(ε)輻射率，輻射率的*大值為1（與理想的黑體相對(duì)應(yīng)的物體），*小值為0。輻射率小于1的物體被稱為灰體。輻射率還取決于溫度和波長(zhǎng)的物體被稱為非灰體。此外，輻射的總和包括被吸收部分(A)、被反射部分(R)和透射部分(T)，等于1。（請(qǐng)參見(jiàn)下面的公式和圖6）
A+R+T=1(1)

實(shí)心體不會(huì)透射紅外光(T=0)。根據(jù)基爾霍夫定律，物體吸收的所有輻射（導(dǎo)致物體溫度升高）之后將被該物體輻射出去。則對(duì)于吸收率和輻射率來(lái)說(shuō)：A?E=1–R(2)

T理想的黑體也不會(huì)發(fā)生反射(R=0)，所以E=1。

許多非金屬材料，如木材、塑料、橡膠、有機(jī)材料、巖石或混凝土的表面很少發(fā)生反射，因此其輻射率通常較高，在0.8和0.95之間（參見(jiàn)大多數(shù)常見(jiàn)材料的輻射率值列表）。相比之下，金屬材料-特別是那些表面經(jīng)過(guò)拋光處理或者表面光亮的金屬-它的發(fā)射率約為0.1。紅外測(cè)溫儀通過(guò)提供可自主設(shè)定發(fā)射率參數(shù)的功能項(xiàng)來(lái)彌補(bǔ)這一點(diǎn)，另請(qǐng)參見(jiàn)圖7(see參見(jiàn)大多數(shù)金屬的輻射率值)。

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