解讀金屬表面的非接觸紅外測(cè)溫
對(duì)幾乎所有的工業(yè)生產(chǎn)階段而言，遵循給定的溫度值都是確保其加工與產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。非接觸紅外測(cè)溫儀是常用于測(cè)溫的裝置。因此，它同樣也適用于金屬的測(cè)溫。要實(shí)現(xiàn)對(duì)加工溫度的適當(dāng)監(jiān)測(cè)與控制，生產(chǎn)者必須進(jìn)行合理引導(dǎo)，同時(shí)消費(fèi)者也應(yīng)具備有關(guān)測(cè)溫計(jì)數(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)。下文將對(duì)重要參數(shù)（諸如輻射率、反射和就此引起的測(cè)量錯(cuò)誤）進(jìn)行說明。此外，還將介紹金屬測(cè)溫時(shí)所受到的影響，以及如何實(shí)現(xiàn)可靠、可重復(fù)的測(cè)溫。
在測(cè)量領(lǐng)域，“溫度”是僅次于“時(shí)間”的*常用的物理參數(shù)。紅外測(cè)溫裝置通過吸收被測(cè)物體發(fā)出的紅外輻射來測(cè)定其溫度——無需接觸該物體。那么，非接觸測(cè)溫是如何實(shí)現(xiàn)的呢？金屬表面測(cè)溫存在哪些挑戰(zhàn)呢？
紅外輻射陣列
凡是溫度高于**零度（0 K或-273.15°C）的物體，均會(huì)自表面向外發(fā)出電磁輻射，且該輻射與物體的固有溫度成比例。紅外輻射陣列僅包含整個(gè)電磁輻射陣列中有限的一部分，從0.78 μm左右的可見光范圍起，到1000 μm左右的波長(zhǎng)為之。0.7 μm至14 μm是實(shí)現(xiàn)紅外測(cè)溫的重要波長(zhǎng)范圍。當(dāng)波長(zhǎng)超出該范圍后，紅外能量過低，以至于探測(cè)器的靈敏度不足以檢測(cè)到它們，如下圖所示。
當(dāng)該輻射貫穿大氣后，借助專用鏡頭便能將其聚集在探測(cè)器上。隨后，探測(cè)器會(huì)生成與該輻射成比例的電信號(hào)。該信號(hào)得到放大，并通過接受連續(xù)的數(shù)字信號(hào)處理而轉(zhuǎn)化為與物體溫度成比例的輸出信號(hào)。如此一來，在顯示器上便會(huì)顯示出溫度的測(cè)量值，或輸出為信號(hào)形式。
在將測(cè)定結(jié)果傳送至控制系統(tǒng)時(shí)，采用的是線性0/4-20 mA、0-10 V和熱電偶信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)化輸出形式。此外，目前所使用的大多數(shù)紅外測(cè)溫儀都提供數(shù)字接口（USB、RS232、RS485），來實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的數(shù)字信號(hào)處理，以及對(duì)裝置參數(shù)的訪問。
采用紅外輻射實(shí)現(xiàn)溫度計(jì)算
作為輻射傳感器的探測(cè)器識(shí)別出各紅外測(cè)溫儀上*重要的元件。然后，在當(dāng)前出現(xiàn)且完全可判讀的電磁輻射中，生成一個(gè)信號(hào)。探測(cè)器信號(hào)U與物體溫度TObject的關(guān)系如下所示：
因物體發(fā)出的輻射（處于整個(gè)輻射陣列中）而產(chǎn)生的探測(cè)器信號(hào)與物體**溫度的四次方成正比。也就是說：若被測(cè)物體的溫度呈雙倍升高，則探測(cè)器信號(hào)將呈現(xiàn)16倍的增大。
此外，紅外測(cè)溫儀并非應(yīng)用于整個(gè)輻射陣列中。指數(shù)取決于波長(zhǎng)。N代表從1μm 14 μm的波長(zhǎng)，范圍為17…2；對(duì)短波（1.0 to 2.3 μm）金屬測(cè)溫裝置而言，該范圍為15…17：
物體溫度值因*后一列公式的變化而增大。這些計(jì)算結(jié)果以曲線陣列的形式保存在紅外測(cè)溫儀的電可擦只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）中，用于所出現(xiàn)的所有溫度：
因此，紅外測(cè)溫儀接收到了足夠的測(cè)溫信號(hào)。從公式中可以看出，除了波長(zhǎng)范圍（輻射陣列）之外，所反射的周邊輻射及輻射率也會(huì)影響到測(cè)溫的**性。這些參數(shù)的重要作用將在后文中予以說明。
黑體的重要參考作用
一方面，黑體是能夠吸收所存在的一切輻射的物體。在黑體上，既沒有反射（ρ = 0），也沒有透射（τ = 0）。另一方面，黑體又向外發(fā)出每個(gè)波長(zhǎng)所可能發(fā)出的*大能量（取決于其自身溫度）。黑體的構(gòu)造十分簡(jiǎn)單：一個(gè)帶熱量的中空物體，一側(cè)末端有一個(gè)小孔。當(dāng)黑體被加熱至某個(gè)特定溫度后，它的中空部分會(huì)形成平衡溫度。
普朗克的輻射定律說明了非接觸測(cè)溫的基本相干性：它指出，黑體向半場(chǎng)中的具體光譜輻射Mλs取決于它的溫度T和波長(zhǎng)λ（c：光速；h：普朗克常數(shù)）：
黑體以選定溫度下的波長(zhǎng)譜發(fā)出具體輻射的過程
圖中顯示了黑體以其波長(zhǎng)發(fā)出光譜輻射Mλs時(shí)，以對(duì)數(shù)形式呈現(xiàn)的溫度示例。
其中可形成多種相干性，而下文僅指定了兩種進(jìn)行說明。通過整合所有波長(zhǎng)下的光譜輻射密度（從0到無限大），可以得到黑體作為一個(gè)整體而發(fā)出的輻射值。這種相干性被稱作斯蒂芬-玻爾茲曼定律。非接觸測(cè)溫的實(shí)際意義已在有關(guān)溫度計(jì)算的段落中予以說明。
從上述圖形輪廓中，我們可以明顯得出**種相干性，即出現(xiàn)*大輻射值的波長(zhǎng)會(huì)隨著溫度的上升而移向短波區(qū)。這種現(xiàn)象成為維恩位移定律的基礎(chǔ)，同時(shí)也能在普朗克等式的變形中得出。
因此，高輻射就是為什么能夠在高溫下以短波長(zhǎng)測(cè)定金屬表面溫度的原因（但并非*主要的原因）。長(zhǎng)波范圍也包含了高強(qiáng)度。由于金屬是選擇性的輻射源，其輻射率、反射和因此對(duì)測(cè)量誤差造成的影響都是不容小覷的。
作為選擇性輻射源的金屬表面
許多待測(cè)表面在多種波長(zhǎng)下均具有恒定的輻射率，但與黑體相比，其所發(fā)出的輻射較少。它們被稱作灰體。一些非金屬固體可在長(zhǎng)波光譜范圍中顯示出相對(duì)恒定的高輻射率，而無論其表面狀況如何。
若物體（諸如金屬表面）的輻射率取決于溫度和波長(zhǎng)（與其它物體相比），則此類物體被稱作選擇性輻射源。就“為何僅能在短波范圍內(nèi)進(jìn)行金屬測(cè)溫”，存在許多重要原因。首先，在高溫下處于短波范圍（2.3 μm；1.6 μm；1.0 μm）內(nèi)的金屬表面同時(shí)呈現(xiàn)出*高的輻射與輻射率。其次，它們調(diào)整至金屬氧化物的輻射率，這樣就能*大程度的減小因改變輻射率（回火色）而造成的溫差。
之所以決定使用短波紅外測(cè)溫儀，另外一個(gè)重要原因就是金屬（與其它材料相比）可以具備許多未知的輻射率。短波裝置能夠極大地減少因輻射率的錯(cuò)誤調(diào)整而造成的測(cè)量誤差。
不考慮反射的可重復(fù)測(cè)量
對(duì)參數(shù)TAmbient必須慎重考慮；待測(cè)金屬表面的溫度值越低，于周邊環(huán)境中反射的輻射溫度值就越高。實(shí)際上，反射量通常是定向的，因此易于確定。
反射量可被理解成一種尺寸，能夠?yàn)榭芍貜?fù)測(cè)量的結(jié)果提供保障。
紅外測(cè)溫儀的實(shí)際應(yīng)用：感應(yīng)式淬火與誘導(dǎo)過程
紅外測(cè)溫儀的重要參數(shù)為：
早在1900年，普朗克、斯蒂芬、玻爾茲曼、維恩和基爾霍夫就已詳細(xì)地闡述了電磁波譜，并為說明紅外能量而制定了定性與定量相干性。黑體構(gòu)成了理解非接觸測(cè)溫技術(shù)之物理原理、以及校正紅外測(cè)溫儀的基礎(chǔ)。
在現(xiàn)實(shí)中，能夠滿足黑體這一理想條件的物體并不多。實(shí)際上，輻射表面通常用于傳感器的校正；其中，這些傳感器在所需波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射率*大為0.99。物體溫度可通過對(duì)輻射率ε（Epsilon）的輻射測(cè)量加以確定；該輻射率說明了物體實(shí)際輻射值與黑體輻射值在同一溫度下的關(guān)系。因此，輻射率的取值在0到1之間：損失的輻射部分通過輻射率的顯示得到補(bǔ)償。
表面輻射率越低，紅外測(cè)溫儀所接收到的于環(huán)境中反射的輻射率就越高。由于大多數(shù)物體（諸如金屬）在紅外線區(qū)域內(nèi)并不存在透射，因此適用下列公式：
ε + p = 1
本式中，ε代表輻射率，ρ代表反射。從裝置上判讀的、轉(zhuǎn)化為溫度值的紅外輻射不僅受到金屬表面輻射率（以及補(bǔ)償性的輻射部分）的影響，同時(shí)還明顯受到周邊環(huán)境（TAmbient）中的熱物體（例如高溫部件和爐子）的影響。
在感應(yīng)式淬火中的熱處理就是金屬表面測(cè)溫的一個(gè)實(shí)例。過程開始時(shí)，將一個(gè)部件放置在強(qiáng)交變磁場(chǎng)中，隨后對(duì)其加熱、凍結(jié)，以形成所需結(jié)構(gòu)。期間，可以通過控制頻率來調(diào)節(jié)滲透至材料局部的熱量；在該部件上，只有局部得到了處理。要使金屬材料形成所需結(jié)構(gòu)，必須設(shè)置理想的溫度—時(shí)間過程。因此，有必要對(duì)溫度進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。
