熱量和紅外發(fā)射

熱能是能量的一種形式。熱量儲存在物體中（我們周圍的一切事物），就像電能儲存在電池內(nèi)一樣。

一個(gè)物體如果不帶有熱量將會是非常冷的，我們稱其為絕對零度（-460℉或-273℃），這是最冷的物體。因?yàn)樗臒崃拷^對值是零。當(dāng)物體被加熱時(shí)，溫度會上升。一個(gè)物體的熱量越多，將會變得越熱。

熱量是通過分子和原子（次原子的微粒）的運(yùn)動儲存在物體內(nèi)的。當(dāng)物體處于絕對零度時(shí)，沒有熱量，分子和原子也不運(yùn)動。一旦熱量增加，溫度開始上升，原子和分子（亞原子的微粒）開始振動（并改變能量的狀態(tài)）。由于儲存在物體內(nèi)的熱量總量的增加，分子和原子的振動將越來越劇烈。

就像兩手拍打或橡膠帶振動時(shí)產(chǎn)生聲音一樣，紅外能量通過這些原子和分子的振動，通過它們相互之間的碰撞釋放出來。這些釋放出的能量就是紅外測溫儀所測量的紅外能量。溫度越高，原子和分子的振動越劇烈，釋放的紅外能量越多。這里關(guān)于溫度和釋放的紅外能兩者之間密切的線性關(guān)系，就是紅外測溫儀能夠準(zhǔn)確測溫的工作原理。

黑體能量分布和波長、溫度之間的關(guān)系

通常一個(gè)物體釋放出的紅外能總量與其溫度呈正比關(guān)系。一個(gè)相對小的溫度變化通常能夠帶來一個(gè)相對較大的紅外能量的變化。因此，紅外測溫儀具有較高的精度。但現(xiàn)實(shí)中存在很多影響紅外測溫儀準(zhǔn)確工作的因素。因此，了解紅外測溫儀的本質(zhì)和原理是至關(guān)重要的。

如前所述，紅外能量是由原子和分子的振動產(chǎn)生的。當(dāng)物體溫度較低的時(shí)候，這些振動相對較慢，釋放的紅外能也相對較小。當(dāng)物體溫度升高時(shí)，振動的頻率增加并且釋放出的紅外能總量也隨之增加。振動的頻率與產(chǎn)生的能量的波長有關(guān)系。頻率越高，波長越短。通常對于大多數(shù)材料來說，紅外能量發(fā)出的波的頻率和波長不是固定的，而是呈曲線分布，在一個(gè)范圍內(nèi)波動。在任何特定波長上，發(fā)出的紅外能都隨溫度的增加而增加（見下圖）。但是，低溫物體發(fā)射出的峰值波長較長，而高溫物體發(fā)射出的峰值波長較短。

在分析光譜上不同溫度產(chǎn)生的紅外能分布時(shí)，需要注意兩點(diǎn)。第一點(diǎn)是要注意在短波長下任何特定的溫度變化所帶來的紅外能量的變化比在長波長下大得多。這就是說一個(gè)短波長紅外測溫儀更能準(zhǔn)確地提供溫度變化的趨勢，并且更能耐受諸如發(fā)射率變化、光學(xué)結(jié)垢和瞄準(zhǔn)誤差等一系列干擾。第二點(diǎn)是要注意當(dāng)溫度變得越來越低時(shí)發(fā)射出的峰值能量的波長將增加。這就是說在測量溫度很低的目標(biāo)時(shí)，有必要使用一個(gè)波長相對較長的傳感器。在下文中將仔細(xì)地給予說明。

發(fā)射率的定義(黑體、灰體、非灰體、可選擇型發(fā)射體)

物體的溫度與發(fā)射出的紅外能的關(guān)系，粗略看來似乎用一句話就可以描述清楚：高溫物體發(fā)射出較多的紅外能，而低溫物體發(fā)射出較少的紅外能。理論上，通過簡單地測定被測目標(biāo)發(fā)射出的紅外能，就可以知道它的溫度。然而實(shí)際上并不是那么簡單的。因?yàn)槟繕?biāo)物體發(fā)射出的紅外能并不是僅由溫度這一個(gè)因素來決定的。還有另一個(gè)變量必須考慮，這個(gè)變量我們稱之為發(fā)射率（或發(fā)射的趨勢）。一個(gè)物體的發(fā)射率受到材料本身、表面狀態(tài)、反射率和不透明度的影響。發(fā)射率常常會使測溫變得復(fù)雜。因此，理解發(fā)射率的概念及其特性，對于正確使用紅外測溫儀是至關(guān)重要的。

發(fā)射率和黑體的科學(xué)定義

發(fā)射率的科學(xué)定義是在某一特定溫度下物體發(fā)射出的紅外能與理論上在沒有損失時(shí)的完全值的比例。換句話講，發(fā)射率就是一個(gè)物體實(shí)際發(fā)射的紅外能與其理論值的比率。這一值介于0.000和1.000之間。發(fā)射率如果能夠達(dá)到理論上沒有損失的完全值，則稱之為黑體。黑體是一個(gè)完美的發(fā)射器，因?yàn)樗碚撋习l(fā)射100%紅外能，所以它的發(fā)射率值為1.000。一個(gè)物體如果發(fā)射出60%的理論上的紅外能值，則稱其發(fā)射率值為0.600。

幾百年以來，對于黑體在各種溫度和波長下所發(fā)射出的紅外能已有詳盡的記錄，并已成為物理學(xué)的一種基礎(chǔ)。紅外測溫儀在校對時(shí)是以黑體發(fā)射器為基準(zhǔn)的。紅外測溫儀在使用時(shí)必須能夠準(zhǔn)確說明測量條件的特征。對非常接近黑體的對象，紅外測溫儀的結(jié)果通常更為準(zhǔn)確。如果應(yīng)用對象遠(yuǎn)離黑體條件，并且存在特定的安裝問題，則需要慎重地對紅外測溫儀進(jìn)行選型。而正確選型的前提是對紅外測溫儀本質(zhì)原理的準(zhǔn)確把握。

實(shí)際發(fā)射率的定義

雖然發(fā)射率的科學(xué)定義是很重要的，但是通常在實(shí)際操作中是無法應(yīng)用的。我們需要了解實(shí)際發(fā)射率的定義以及一些基本概念。

在通常情況下，紅外能表現(xiàn)為三種形式，即發(fā)射、穿透和吸收。

反射率+ 穿透率+ 吸收率= 100%

如果目標(biāo)是不透明的，則其穿透率為0。以上公式變?yōu)椋?/p>

反射率 + 吸收率 = 100%

如果目標(biāo)吸收紅外能（熱能），它的溫度會上升。當(dāng)物體處于等溫狀態(tài)時(shí)，它發(fā)射出的能量和吸收的能量是相同的。因此，吸收率 = 發(fā)射率。以上公式變?yōu)椋?/p>

發(fā)射率 + 反射率 = 100%

還可以表述為：

發(fā)射率 = 100% - 反射率

因此，對于一個(gè)不透明的物體，發(fā)射率是反射率的倒數(shù)，即發(fā)射率 + 反射率 = 100%。而對于一個(gè)透明的物體，其發(fā)射率 + 反射率 + 穿透率 = 100%。

換句話說，對于一個(gè)不透明的物體，發(fā)射率和反射率的和為100%。如果一個(gè)不透明的物體反射10%的能量，則發(fā)射90%的能量，其發(fā)射率值為0.900；如果一個(gè)不透明的物體反射60%的能量，則發(fā)射40%的能量，其發(fā)射率值為0.400。這一關(guān)于發(fā)射率的定義為理解發(fā)射率和理解紅外測溫儀提供了一個(gè)理論工具，因?yàn)榉瓷渎释ǔＪ侨菀诇y量和理解的。

在理解發(fā)射率時(shí)有一個(gè)難點(diǎn)，即大多數(shù)材料的發(fā)射率值是不固定的。被測材料本身是表面發(fā)射率的最重要因素，然而并不是唯一因素。其它一些因素，諸如表面紋理、氧化度、微觀結(jié)構(gòu)、表面污染物以及鍍層等等因素都會影響材料的發(fā)射率。比如，鋼水的發(fā)射率和固體鋼的發(fā)射率就有很大差別；又比如，熱軋鋼的發(fā)射率和冷軋鋼的發(fā)射率也不一樣。這里還有另一個(gè)難點(diǎn)是關(guān)于材料的顏色。有些金屬迭片可以表現(xiàn)為任何顏色，但其發(fā)射率值是固定的，并不受到顏色變化的影響，但它的表現(xiàn)結(jié)構(gòu)在很大程度上影響發(fā)射率值。通常高光澤度表面的材料比低光澤度表面的材料發(fā)射率低。迄今為止，有許多關(guān)于各種材料發(fā)射率值的記錄。不幸的是，這些記錄大部分是不準(zhǔn)確的，也存在許多誤解。