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什么是紅外輻射？

紅外 (IR) 溫度計是一種通過檢測和量化測量目標發射的紅外輻射能量來確定物體溫度的傳感器。紅外溫度計非常像人的眼睛。眼睛的晶狀體就像

光學元件，物體發出的輻射（光子流）在大氣中通過該元件到達光敏層（視網膜），然后被轉化為信號并被傳送到大腦。圖 3 顯示了紅外測溫系

統的工作原理。

1.png

各種形式的物質只要溫度高于絕對零度（-273.15°C / -459.8°F），都會根據其溫度發射紅外輻射，稱為特征輻射。輻射的原因在于內部分子的機

械運動。這種運動的強度取決于物體的溫度。由于分子運動代表電荷位移，這種輻射是電磁輻射（光子粒子）。 這些光子以光速運動，且運行規

律符合已知的光學原理。它們可以被偏轉，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。

2.png

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的理論依據。從圖 5 中可以看出，隨著目標溫度的升

高，輻射量逐漸向波段較短的區域移動，且物體在不同溫度下的輻射曲線相互不重疊。整個波長范圍內的輻射能量（每條曲線下方的區域）增長

至溫度的四次方。這些關系由 Stefan 和 Boltzmann 于 1879 年發現，標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，物體在高溫下會發出少量可見光。因此，每個人都可以看到物體在非常高溫的環境下

（600°C 以上）發出紅色到白色的光線。經驗豐富的鋼鐵工人甚至可以從顏色上非常準確地估算出鋼鐵的溫度。從 20 世紀 30 年代開始，鋼鐵

行業便開始使用經典的隱絲式高溫計。

3.png

從圖 5 中可以看出，應以此為目標：盡可能在寬的范圍內設置紅外溫度計，以獲取更多的能量（對應于曲線下方的區域）或者目標發出的信號。

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，當溫度升高是，輻射強度在 2 μm 處增加量遠遠高于在 10 μm 處的。每單位

溫差下的輻射差異越大，紅外溫度計的測量精度便越高。根據維恩位移定律(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，因此，波長范圍將取決于高溫計的溫度測量范圍。在低溫環境下，在 2 μm 處工作的紅外溫度計將在溫度低于 600°C 時由于

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出少量的輻射。實際輻射量與

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) 


實心體不會透射紅外光 (T = 0)。根據基爾霍夫定律，物體吸收的所有輻射（導致物體溫度升高）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) 

4.png

T理想的黑體也不會發生反射 (R = 0)，所以 E = 1。

許多非金屬材料，如木材、塑料、橡膠、有機材料、巖石或混凝土的表面很少發生反射，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 - 特別是那些表面經過拋光處理或者表面光亮的金屬 -它 的發射率約為 0.1。紅外測溫儀通過

提供可自主設定發射率參數的功能項來彌補這一點，另請參見圖 7(see 參見大多數金屬的輻射率值)。


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