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什么是紅外輻射？

紅外 (IR) 溫度計(jì)是一種通過檢測和量化測量目標(biāo)發(fā)射的紅外輻射能量來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）在大氣中通過該元件到達(dá)光敏層（視網(wǎng)膜），然后被轉(zhuǎn)化為信號并被傳送到大腦。圖 3 顯示了紅外測溫系

統(tǒng)的工作原理。

1.png

各種形式的物質(zhì)只要溫度高于絕對零度（-273.15°C / -459.8°F），都會根據(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，見圖 4。

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然而，光譜中人眼不可見部分所包含的能量是可見部分的 100,000 倍。這正是紅外測量技術(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)波長范圍內(nèi)的輻射能量（每條曲線下方的區(qū)域）增長

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)明可以從輻射信號中測量出明確的溫度。


圖 5 顯示了物體在不同溫度下的典型輻射。如前所述，物體在高溫下會發(fā)出少量可見光。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 年代開始，鋼鐵

行業(yè)便開始使用經(jīng)典的隱絲式高溫計(jì)。

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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（對應(yīng)于曲線下方的區(qū)域）或者目標(biāo)發(fā)出的信號。

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 2 μm 處增加量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于在 10 μm 處的。每單位

溫差下的輻射差異越大，紅外溫度計(jì)的測量精度便越高。根據(jù)維恩位移定律(Wien's Displacement Law)，隨著溫度的升高，物體的輻射量最大值

將向短波方向移動(dòng)，因此，波長范圍將取決于高溫計(jì)的溫度測量范圍。在低溫環(huán)境下，在 2 μm 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。使用針對不同波長范圍的測量儀器的另一個(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 ，輻射率的最大值為 1（與理想的黑體相對應(yīng)的物體），最小值為 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。（請參見下面的公

式和圖 6）


A + R + T = 1 (1) 


實(shí)心體不會透射紅外光 (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。則對于吸收率和輻射

率來說：


A ? E = 1 – R (2) 

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T理想的黑體也不會發(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（參見大多

數(shù)常見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。紅外測溫儀通過

提供可自主設(shè)定發(fā)射率參數(shù)的功能項(xiàng)來彌補(bǔ)這一點(diǎn)，另請參見圖 7(see 參見大多數(shù)金屬的輻射率值)。


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