通过红外线对金属表面进行非接触式温度测量

在几乎所有的工业生产阶段，符合特定温度要求都是工艺和质量的决定性因素。非接触式红外测温仪是众所周知的温度测量仪器。这也适用于金属的测量。要对工艺温度进行正确的监测和控制，需要生产商提供很好的指导，或者需要客户具备有关测量技术的基本知识。下文将对发射率和反射率等重要参数以及由此导致的测量错误原因进行说明。此外，还将介绍对金属测量的影响，并说明为什么可以进行可靠和可重复的测量。

温度是仅次于时间的最常测量的物理特性。红外温度测量设备通过物体发出的红外辐射来确定温度，而无需接触物体。但非接触式温度测量是如何进行的呢？测量金属表面有哪些挑战？

红外辐射阵列

每个温度高于绝对零度 0 K（-273.15°C）的物体都会从其表面发射出与其固有温度成正比的电磁辐射。红外辐射阵列只覆盖整个电磁辐射阵列中的有限部分。它始于约 0.78 μm 的可见光范围，止于约 1000 μm 的波长。波长范围从 0.7 到 14 μm 对红外温度测量非常重要。如图所示，在这些波长以上，能量水平非常低，探测器的灵敏度不足以探测到它们。

人体辐射穿透大气层，借助透镜聚焦到探测器元件上。探测器元件产生与辐射成正比的电信号。该信号被放大，并通过连续的数字信号处理，转换成与物体温度成比例的输出信号。测量值可以显示在显示屏上，也可以作为信号释放。

用于将测量结果传递给控制系统的标准化输出有线性 0/4-20 mA、0-10 V 和热电偶信号。此外，目前使用的大多数红外测温仪都提供数字接口（USB、RS232、RS485），用于进一步的数字信号处理，以便能够访问设备参数。

下文将详细介绍红外辐射在金属表面上的表现。在此之前，将介绍探测器以及将信号转换为物体温度的过程。

通过红外辐射计算温度

作为辐射接收器的探测器是每种红外测温仪最重要的组成部分。信号通过出现的电磁辐射产生，而电磁辐射是完全可评估的。探测器信号 U 与物体温度 T_Object 的连接方式如下：

探测器信号来自总辐射阵列内物体的发射辐射，其增加与物体绝对温度的四次方成正比。这意味着如果测量物体的温度增加一倍，探测器的信号将增加 16 倍。

由于需要考虑物体的发射率 ε、物体表面的反射环境辐射 T_Ambient 以及红外测温仪的自辐射 T_Pyro，因此公式会发生变化：

此外，红外测温仪无法在整个辐射阵列内工作。指数取决于波长。 N 代表波长从 1 到 14 μm，范围在 17…2 之间，对于用于金属温度定义的短波测量设备（1.0 到 2.3 μm），范围在 15…17 之间：

物体温度的产生是由于上述公式发生了偏移。这些计算结果以曲线阵列的形式保存在红外测温仪的 EEPROM 中，可用于所有出现的温度：

因此，红外测温仪能接收到足够的信号来测量温度。从公式中可以看出，除了波长范围（辐射阵列）外，反射环境辐射和发射率也是精确测量温度的关键。下文将对这些参数的重要性进行推导和解释。

作为重要参考的黑体

早在 1900 年前后，普朗克、斯特凡、玻尔兹曼、维恩和基尔霍夫就对电磁波谱进行了更详细的定义，并建立了描述红外能量的定性和定量一致性。黑体是了解非接触温度测量技术的物理基础和校准红外测温仪的基础。

一方面，黑体是吸收所有辐射的物体。人体上既不会出现反射（ρ = 0），也不会出现透射（τ = 0）。另一方面，黑体会根据自身的温度，发射出每个波长可能能量的最大值。黑体的构造很简单。热空心体的一端有一个小孔。如果人体受热并达到一定温度，中空的房间内就会散发出平衡的温度。

普朗克辐射定律显示了非接触温度测量的基本相关性：它描述了黑体向半空间的特定光谱辐射 Mλs，取决于黑体的温度 T 和波长 λ（c：光速，h：普朗克常数）：

该图显示了每个温度示例下黑体在该波长上的光谱发射 Mλs 的对数。可以推导出几种一致性，但下文只列出两种。对从 0 到无限的所有波长的光谱辐射强度进行积分，就可以得到整个物体的辐射值。这种相关性被称为斯特凡-玻尔兹曼定律。在有关温度计算的段落中已经解释了非接触式温度测量的实际重要性。从图形轮廓中可以明显看出的第二个一致性是，在温度升高的过程中，辐射最大值的波长向短波区域移动。这种行为是维恩位移定律的基础，可以通过微分从普朗克方程中推导出来。
从图形轮廓中可以明显看出的第二个一致性是，在温度升高的过程中，辐射最大值的波长向短波区域移动。这种行为是维恩位移定律的基础，可以通过微分从普朗克方程中推导出来。因此，高辐射是金属表面可以在高温下用短波长测量的一个原因，但不是最重要的原因。长波段的强度也很高。发射率、反射及其对测量误差的影响要大得多，因为金属是选择性发射体。因此，高辐射是金属表面可以在高温下用短波长测量的一个原因，但不是最重要的原因。长波段的强度也很高。发射率、反射及其对测量误差的影响要大得多，因为金属是选择性发射体。

作为选择性发射器的金属表面

事实上，只有少数物体符合黑体的理想。在实践中，传感器的校准使用辐射表面，在要求的波长范围内，辐射率可达 0.99。物体温度可以通过辐射测量的辐射率ε（Epsilon）来定义物体温度。的关系。温度的关系。因此，发射率总是介于 0 和 1 之间；缺失的辐射部分通过发射率的指示得到补偿。

许多待测量的表面在整个波长范围内具有恒定的发射率，但与黑体相比，发射的辐射较少。它们被称为灰体。一些非金属固体在长波光谱范围内显示出较高且相对恒定的发射率，与其表面状况无关。

发射率取决于温度和波长的物体（如金属表面）被称为选择性发射器。对金属的测量只能在短波范围内进行，这其中有许多重要原因。首先，高温和短波长（2.3 μm；1.6 μm；1.0 μm）的金属表面不仅辐射率最高，而且发射率也最高。其次，它们可以根据金属氧化物的发射率进行调整，从而最大限度地减少因发射率（热色调）变化而产生的温差。

影响短波红外测温仪选择的另一个重要因素是，与其他材料相比，金属的发射率可能未知。短波设备大大减少了错误调整发射率时的测量误差。

在错误调整发射率的情况下，尽管存在反射误差，测量结果仍可重复。

表面的发射率越低，红外测温仪从环境中接收到的反射辐射就越多。由于大多数物体（如金属）在红外线范围内没有透射率，因此适用以下公式：
ε + p = 1
在这种情况下，ε 是发射率，ρ 是反射率。设备评估并转换成温度的红外辐射不仅受到金属表面发射率（和补偿辐射份额）的影响，而且还受到周围高温物体（T_Ambient）的影响，如元件和烤箱。

待测金属表面的温度越低，周围环境的反射温度越高，T_Ambient 参数就越需要仔细考虑。反射量事实上是正常定向的，因此很容易确定。

反射量可作为一个尺寸，确保测量结果的可重复性。