红外基本原理

红外基本原理发布日期:2011-5-3110:57:38阅读次数：272热量和红外发射热能是能量的一种形式。热量储存在物体中（我们周围的一切事物），就像电能储存在电池内一样。一个物体如果不带有热量将会是非常冷的，我们称其为绝对零度（-460°F或-273°C），这是最冷的物体。因为它的热量绝对值是零。当物体被加热时，温度会上升。一个物体的热量越多，将会变得越热。热量是通过分子和原子（次原子的微粒）的运动储存在物体内的。当物体处于绝对零度时，没有热量，分子和原子也不运动。一旦热量增加，温度开始上升，原子和分子（亚原子的微粒）开始振动（并改变能量的状态）。由于储存在物体内的热量总量的增加，分子和原子的振动将越来越剧烈。就像两手拍打或橡胶带振动时产生声音一样，红外能量通过这些原子和分子的振动，通过它们相互之间的碰撞释放出来。这些释放出的能量就是红外测温仪所测量的红外能量。温度越高，原子和分子的振动越剧烈，释放的红外能量越多。这里关于温度和释放的红外能两者之间密切的线性关系，就是红外测温仪能够准确测温的工作原理。黑体能量分布和波长、温度之间的关系通常一个物体释放出的红外能总量与其温度呈正比关系。一个相对小的温度变化通常能够带来一个相对较大的红外能量的变化。因此，红外测温仪具有较高的精度。但现实中存在很多影响红外测温仪准确工作的因素。因此，了解红外测温仪的本质和原理是至关重要的。如前所述，红外能量是由原子和分子的振动产生的。当物体温度较低的时候，这些振动相对较慢，释放的红外能也相对较小。当物体温度升高时，振动的频率增加并且释放出的红外能总量也随之增加。振动的频率与产生的能量的波长有关系。频率越高，波长越短。通常对于大多数材料来说，红外能量发出的波的频

率和波长不是固定的，而是呈曲线分布，在一个范围内波动。在任何特定波长上，发出的红外能都随温度的增加而增加（见下图）。但是，低温物体发射出的峰值波长较长，而高温物体发射出的峰值波长较短。在分析光谱上不同温度产生的红外能分布时，需要注意两点。第一点是要注意在短波长下任何特定的温度变化所带来的红外能量的变化比在长波长下大得多。这就是说一个短波长红外测温仪更能准确地提供温度变化的趋势，并且更能耐受诸如发射率变化、光学结垢和瞄准误差等一系列干扰。第二点是要注意当温度变得越来越低时发射出的峰值能量的波长将增加。这就是说在测量温度很低的目标时，有必要使用一个波长相对较长的传感器。在下文中将仔细地给予说明。发射率的定义（黑体、灰体、非灰体、可选择型发射体）物体的温度与发射出的红外能的关系，粗略看来似乎用一句话就可以描述清楚：高温物体发射出较多的红外能，而低温物体发射出较少的红外能。理论上，通过简单地测定被测目标发射出的红外能，就可以知道它的温度。然而实际上并不是那么简单的。因为目标物体发射出的红外能并不是仅由温度这一个因素来决定的。还有另一个变量必须考虑，这个变量我们称之为发射率（或发射的趋势）。一个物体的发射率受到材料本身、表面状态、反射率和不透明度的影响。发射率常常会使测温变得复杂。因此，理解发射率的概念及其特性，对于正确使用红外测温仪是至关重要的。发射率和黑体的科学定义发射率的科学定义是在某一特定温度下物体发射出的红外能与理论上在没有损失时的完全值的比例。换句话讲，发射率就是一个物体实际发射的红外能与其理论值的比率。这一值介于0.000和1.000之间。发射率如果能够达到理论上没有损失的完全值，则称之为黑体。黑体是一个完美的发射器，因为它理论上发射100%红外能，所以它的发射率值为1.000。一个物体如果发射出60%的理论上的红外能值，则称其发射率值为0.600。几百年以来，对于黑体在各种温度和波长下所发射出的红外能已有详尽的记录，并已成为物理学的一种基础。红外测温仪在校对时是以黑体发射器为基准的。红外测温仪在使用时必须能够准确说明测量条件的特征。对非常接近黑体的对象，红外测温仪的结果通常更为准确。如果应用对象远离黑体条件，并且存在特定的安装问题，则需要慎重地对红外测温仪进行选型。而正确选型的前提是对红外测温仪本质原理的准确把握。实际发射率的定义虽然发射率的科学定义是很重要的，但是通常在实际操作中是无法应用的。我们需要了解实际发射率的定义以及一些基本概念。在通常情况下，红外能表现为三种形式，即发射、穿透和吸收。反射率+穿透率+吸收率=100%如果目标是不透明的，则其穿透率为0。以上公式变为：反射率+吸收率=100%如果目标吸收红外能（热能），它的温度会上升。当物体处于等温状态时，它发射出的能量和吸收的能量是相同的。因此，吸收率=发射率。以上公式变为：发射率+反射率=100%搀汫式还可以表述为：发射率=100%-反射率因此，对于一个不透明的物体，发射率是反射率的倒数，即发射率+反射率=100%。而对于一个透明的物体，其发射率+反射率+穿透率=100%。换句话说，对于一个不透明的物体，发射率和反射率的和为100%。如果一个不透明的物体反射10%的能量，则发射90%的能量，其发射率值为0.900；如果一个不透明的物体反射60%的能量，则发射40%的能量，其发射率值为0.400。这一关于发射率的定义为理解发射率和理解红外测温仪提供了一个理论工具，因为反射率通常是容易测量和理解的。在理解发射率时有一个难点，即大多数材料的发射率值是不固定的。被测材料本身是表面发射率的最重要因素，然而并不是唯一因素。其它一些因素，诸如表面纹理、氧化度、微观结构、表面污染物以及镀层等等因素都会影响材料的发射率。比如，钢水的发射率和固体钢的发射率就有很大差别；又比如，热轧钢的发射率和冷轧钢的发射率也不一样。这里还有另一个难点是关于材料的颜色。有些金属迭片可以表现为任何颜色，但其发射率值是固定的，并不受到颜色变化的影响，但它的表现结构在很大程度上影响发射率值。通常高光泽度表面的材料比低光泽度表面的材料发射率低。迄今为止，有许多关于各种材料发射率值的记录。不幸的是，这些记录大部分是不准确的，也存在许多误解。黑体材料假设有一种物体，在某一给定的温度下能够全部吸收投射到其表面的任何波长的辐射能量，则称之为黑体。黑体材料是一个完美的发射器，它的发射率值为1.000或100%。也就是说，一个完美的黑体材料是完全无反射的。在各种材料中，反射率越低，发射率越高，这种材料就越接近黑体材料。因此，反射率相当低的材料，诸如纸、纺织品、水泥和砖能够使用一个简单的、一般的红外测温仪来精确地测量其发射率，因为他们非常接近于黑体材料。然而也有很多材料与黑体材料大不相同，它们具有很高的反射率和穿透率。这些与黑体材料大不相同的材料，根据其发射率特点，大体上可以分为三种类型，即灰体材料、非灰体材料，以及可选择型发射体。灰体材料灰体材料的发射率值低于1.000，并且其发射率值在任何波长下都是相同的。灰体材料通常具有固定的发射率值，仅仅在其表面粗糙度改变的情况下，这一值才可能被改变，其它情况下则是一个常数。一个灰体材料在某一给定温度下发射出的红外能如果是黑体材料的70%，则其发射率值为0.700。通常来说，不透明的物体具有一个相对高的发射率值（通常反射率在0.300-0.400之间，发射率在0.600-0.700之间），这种物体通常称为灰体材料。发射率发射率非灰体材料非灰体材料在不同的波长下具有不同的发射率值。对于不透明的材料来说，发射率随波长变化的趋势，主要是由材料的微观表面结构和物理属性所决定的。而对非灰体材料来说，对于红外能的吸收、反射和穿透的趋势取决于波长。可选择型发射体是一个特殊的非灰体材料，将在下一章节另作谈论。材料的表面纹理和氧化度也会影响表面发射率。尽管我们认为反射率高的材料是很光滑的，但在显微镜下，其表面还是有很多褶皱和裂缝。这些褶皱和裂缝很小，通常红外波无法进入，所以材料在此波长下具有较高的反射率。然而，如果波长足够小并可以进入这些褶皱和裂缝，则会有所损失，物体的反射率就会变低，材料在反射率较低时发射率较高，在反射率较高时发射率较低。因为比起长波，短波更容易渗入褶皱和裂缝，因此在用短波测量时，被测目标的发射率比用长波测量时更高。通常发射率值低于0.400-0.500的金属，我们称为非灰体。另外，表面纹理和氧化度的变化同样会引起基于波长的发射率变化。如果氧化结构的表面缝隙大于红外波长，比如氧化铁表面就显得很粗糙，其发射率相对较高，并且用小于此结构缝隙的所有波长进行测量时，发射率和反射率都是不变的。相反地，如果氧化结构的缝隙很小，比如氧化铭镀层，此时短波可以渗透，而长波则不行。随着氧化层变厚，渐渐能够吸收所有的波长，则其发射率值在各种波长下都是不变的。比如薄的胶片表面具有非常细致的氧化层，很容易把它看成是透明的，因此这些镀层在影响其表面纹理的同时，也可将其看成是可选择型发射体。可选择型发射体红外能是一种电磁能，就像可见光、无线电波和X射线。如果在胸口打上一束光，它不能穿过，而如果是X射线就能够穿过。光与X射线的唯一区别就在于波长。所以通过改变波长，有些物体会变得更加透明或更加不透明，玻璃就是一个很好的例子。玻璃在短波下是透明的，但在波长大于4.8mm的长波下则是不透明的。也就是说，在短波下玻璃的发射率更低。而因其在长波下是不透明的，因而此时具有更高的发射率。玻璃的发射率也随着波长的改变而改变，在6.6-8.2mm的波长下，玻璃是高度不透明和高度低反射的。这一波段也是玻璃具有最高的发射率值和最类似于黑体材料的波段。薄的塑料胶片是最典型的可选择型发射体。这种材料是由一长串氢和碳原子链组成的，这一可重复的统一的分子结构使得分子和原子以一个均匀的频率和谐地振动。与这一振动频率一致的红外波长被塑料材料优先吸收（不是反射或穿透）；另一方面，这一材料发射出的红外能首先是与振动频率一致的波长。当我们观察一个塑料夹层带时，它是透明的。但如果用一个与振动频率一致的3.43mm长度的波来测量，这个夹层带则是完全不透明的。当测量一个可选择型发射体的温度时，选择与一个强的发射波段一致的波长是至关重要的。在这种波长下，红外发射最为接近黑体条件，该材料也具有最高的不透明度和最低的反射率。可选择型发射体的另一些例子是所有的气体和所有的高透明材料。许多晶体材料，比如硅和陶瓷也是可选择型发射体。统一的分子结构使这些材料具有如上所述的发射率特性。-石英-石英°波长|ir0聚乙烯0敝长山皿5薄膜镀层也可以看成是可选择型发射体。在金属工业领域，金属薄板经常会被镀上一层薄膜。油基漆、水基漆、机油和腊是最为常见的涂在金属外部的镀层，它们都可以看作是可选择型发射体。这些材料在有些波长下是高度透明的，在另一些波长下则是高度不透明和低反射的。镀层的发射率在很大程度上取决于波长。一个红外测温仪的最佳波长应该能够随着镀层材料、镀层厚度、所需温度范围，以及对镀层的观测和穿过镀层观测的需求的变化而变化。光学和瞄准红外测温仪从一个椭圆形的视野中收集红外能。这一观测视野的大小是由传感器镜头的直径、光学分辨率和焦距所决定的。测量的范围是椭圆形的视野在被测目标上所投射的范围。测量区域通常是圆形或椭圆形的。但在一些特殊的应用场合，也有可能是正方形和长方形的。传感器包括一个传统的透镜结构，也有可能包括一个光纤结构。传感器通常不通过镜头瞄准来进行自动对焦，如果有瞄准的话，通常是通过一个激光发射器或LED投影机。有些关于传感器观测的术语是可以通用的。“视野”是从传感器到被测目标之间的红外测温仪光学路径所经过的空间。对于一个大的不透明的目标，视野就是由传感器观测到的区域的体积，包括从被测目标到传感器之间的体积。这一区域也可称为“测量点”或“点”，“观测区域”、“目标区域”或“投射的视野”，都是同样的概念。光纤光纤由玻璃或石英制成，允许短波长自由地穿透。然而长波传感器不可以使用光纤，因为在长波下光纤材料是不透明的。有些国外的光纤产品或光管在较长的波下可以被穿透，但价格昂贵。光纤电缆将两个远程的红外测温仪镜头相连接并组对。红外检波器在传感器外壳内，光纤电缆将红外能由远端的镜头传至红外检波器。普通的光纤电缆由几百根透射光纤组成，这些光纤易于弯曲，外部有保护套。根据应用的需要，光纤可以以很多方式包装。有一些光纤电缆直径很小并且是绝缘的，它们可以被使用在狭小的空间或强电场环境下。还有一些光纤电缆比较粗，2-3/4英寸直径的包裹设计保护光纤免受外部恶劣环境的影响。传统的光纤电缆用1/4英寸不锈钢单膜线圈包裹，有一些制造商用一个防护性的外壳来密闭它。焦距和距离敏感度一个亮度传感器提供所观测到的区域的平均温度。因此被测目标必须比观测区域大，由于视野直径随着传感器与被测目标距离变化而变化，所以观测距离常常是受限制的。但只要测量目标比观测区域大，大部分传感器是不受到距离限制的。然而有一些传感器由于受到空气干扰或不良光学系统设计的影响，它们对观测距离有一定的要求。对于大多数传感器来说，只要被测目标大于观测视野，改变焦点只是为了随着光学路径的变化调整入射角和辐射角。比率传感器是唯一一种当被测目标小于观测区域时也能够提供准确温度的传感器，前提条件是背景温度需要比目标温度低得多。当使用一个比率传感器来测量比观测视野小的目标时，必须在该焦平面内进行。焦平面是被测目标在红外传感器上聚焦呈像的区域。相似地，当存在光学障碍物时，该障碍物也最好处于焦平面内。用两个波长测量温度时，被测目标或障碍物处于焦平面内和处于焦平面外将会导致不同的测量结果。一个好的光学系统的焦平面是非常大的，比如当焦距为5英尺时，焦平面可以从2英尺延伸至30英尺。传感器聚焦的距离越近，焦平面越小。当焦距为12英寸时，焦平面减小至8-20英寸。但这一问题仅仅影响边缘呈像。对于处于视野边缘的被测目标或障碍物，这是一个不能忽视的问题。而对于处于观测视野中心的被测目标或