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摘要
在非接触式温度测量中使用的红外线温度计是发展成熟的传感器，它们在工业加工与研究中应用广泛。本文以非数学化的语言介绍了这种测量技术的基本理论，以及如何应用该理论处理目标用户遇到的各种各样的应用参数。
引言
红外线温度计通过探测所有温度在绝对零度（开氏0）以上的材料发射的红外线能量来测量温度。较基本的设计包括将透镜和探测器，透镜将红外线(IR)能量聚焦到探测器上，而探测器将该能量转换成电信号，并经过对环境温度变化进行补偿后以温度单位显示。这种结构方便了无需与被测量物体接触的远距离温度测量。因此，在由于各种原因热电偶或其它探头类传感器无法使用或者不能产生精确数据的情况下，可以使用红外线温度计来测量温度。常见的这类情况如下：待测量物体在运动；物体周围是电磁场（例如在感应加热中）；物体在真空或其它受控气氛中；需要快速响应的应用。
自从19世纪末红外线温度计(IRT)的设计就已经存在，费氏的各种概念由CharlesA. Darling(1)在其1911年出版的书"测高温学"中进行了论述。
然而，将这些概念转变成实用测量仪器的技术直到20世纪30年代才出现。自此，这种设计有了长足的发展，大量测量和应用专门技术应运而生。如今，这项技术已经得到普遍接受，并且在工业与研究广泛使用。
测量原理
如前所述，红外线能量是由所有温度高于0K的材料发射的。红外线辐射是电磁波频谱的一部分，其频率在可见光与无线电波之间。光谱中红外线部分的波长在0.7微米~1000微米(micron)之间。图1。在此波段内，只有波长在0.7微米~20微米的频率用于实际的日常温度测量。这是因为目前工业中使用的红外线探测器灵敏度不足，无法检测到20微米以外波长上的极少量能量。
虽然人眼看不到红外线辐射，但是在研究测量理论以及考虑应用时想像可以看见红外线辐射是有帮助的，因为在许多方面，红外线的表现与可见光一样。辐射源放射的红外线能量沿直线传播，可被传播路径上材料的表面反射和吸收。对于人眼无法看透的大多数固体，碰到物体表面的一部分红外线能量将被吸收，一部分将被反射。在物体吸收的能量中，一部分将被再次发射出来，一部分将在内部反射。眼睛能看透的透明材料也是如此，例如玻璃、气体以及透明的薄塑料等。但是，此外，一些红外线能量将穿透物体。上述内容如图2所示。这些现象综合起来构成了所谓的物体或材料的反射率。
既不反射也不透射任何红外线能量的材料称为黑体，我们知道自然界中不存在黑体。然而，在进行理论计算时，给真正黑体赋予值1.0。在现实中，较接近黑体发射率1.0的近似值可以在图3中所示的、带有小管状入口并且红外线无法透过的球形空腔中得到。这种球体内表面的发射率为0.998。
不同种类的材料与气体有着不同的发射率，因此将在给定温度发射出不同强度的红外线。材料或气体的发射率是其分子结构和表面特性的函数。一般而言，发射率并不是颜色的函数，除非 颜色来源与材料主体是放射性不同的物质。包含大量铝的金属漆可以作为一个实例来说明这一点。大部分漆的发射率与颜色无关，但是铝的发射率却大不相同，因此其发射率将改变金属漆的发射率。
如同可见光的情况一样，一些表面的抛光程度越高，表面反射的红外线能量越多。因此，材料的表面特性也会影响其发射率。在温度测量中，对于发射率本身较低的红外线无法透过的材料，这一点较为重要。因而，抛光程度很高的一块不锈钢与同一块粗糙加工表面的不锈钢相比，发射率要低得多。这是因为加工形成的沟槽阻止了更多的红外线能量被反射。除了分子结构和表面状况外，影响材料或气体的表观发射率的第三个因素是传感器的波长灵敏度，又称为传感器的光谱响应。如前所述，只有波长在0.7微米到20微米之间的红外线才在实际测温中使用。在这一整个波段内，个体传感器可能仅在较窄的一部分波段内工作，例如0.78 ~ 1.06微米或者4.8 ~5.2微米，原因将在后面解释。
红外线温度测量的理论基础
作为红外线温度测量基础的公式已经由来已久、确定无疑并且得到了充分论证。大多数IRT用户不大可能需要使用这些公式，但是了解这些公式就可以理解一些变量之间的相关性，可以解释前面的文字。下面是一些重要公式：
1. 基尔霍夫定律
物体达到热平衡时，吸收量将等于辐射量。
a = e
2. 斯蒂芬-玻尔兹曼定律
越热的物体放射出的红外线能量越多。
W = eoT4
3. 维恩位移定律
随着温度升高，放射出较多能量的波长将变得更短。
λmax = 2.89 x 103mmK/T
4. 普朗克方程式
描述光谱发射率、温度与辐射能量之间的关系。
红外线温度计的设计与结构
基本红外线温度计(IRT)的设计包括以下部分：汇聚目标放射出能量的透镜；将能量转换成电信号的探测器、让IRT校准与被测目标的发射特性相符的发射率调整部件；以及环境温度补偿电路，该电路确保环境变化造成的IRT内部的温度变动不会传递到较终输出。多年以来，大多数市售IRT遵循着这一概念。尽管这些IRT非常耐用并且足以满足当时的要求，但它们的应用非常有限，并且回顾过去大部分情况，它们的测量也不尽如人意。图4中说明了这一概念。
(整理：电工培训学校)
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