解讀金屬表面的非接觸紅外測溫
對幾乎所有的工業(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。非接觸紅外測溫儀是常用于測溫的裝置。因此，它同樣也適用于金屬的測溫。要實現(xiàn)對加工溫度的適當監(jiān)測與控制，生產(chǎn)者必須進行合理引導(dǎo)，同時消費者也應(yīng)具備有關(guān)測溫計數(shù)的基礎(chǔ)知識。下文將對重要參數(shù)（諸如輻射率、反射和就此引起的測量錯誤）進行說明。此外，還將介紹金屬測溫時所受到的影響，以及如何實現(xiàn)可靠、可重復(fù)的測溫。
在測量領(lǐng)域，“溫度”是僅次于“時間”的*常用的物理參數(shù)。紅外測溫裝置通過吸收被測物體發(fā)出的紅外輻射來測定其溫度——無需接觸該物體。那么，非接觸測溫是如何實現(xiàn)的呢？金屬表面測溫存在哪些挑戰(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左右的波長為之。0.7 μm至14 μm是實現(xiàn)紅外測溫的重要波長范圍。當波長超出該范圍后，紅外能量過低，以至于探測器的靈敏度不足以檢測到它們，如下圖所示。
當該輻射貫穿大氣后，借助專用鏡頭便能將其聚集在探測器上。隨后，探測器會生成與該輻射成比例的電信號。該信號得到放大，并通過接受連續(xù)的數(shù)字信號處理而轉(zhuǎn)化為與物體溫度成比例的輸出信號。如此一來，在顯示器上便會顯示出溫度的測量值，或輸出為信號形式。
在將測定結(jié)果傳送至控制系統(tǒng)時，采用的是線性0/4-20 mA、0-10 V和熱電偶信號的標準化輸出形式。此外，目前所使用的大多數(shù)紅外測溫儀都提供數(shù)字接口（USB、RS232、RS485），來實現(xiàn)進一步的數(shù)字信號處理，以及對裝置參數(shù)的訪問。
采用紅外輻射實現(xiàn)溫度計算
作為輻射傳感器的探測器識別出各紅外測溫儀上*重要的元件。然后，在當前出現(xiàn)且完全可判讀的電磁輻射中，生成一個信號。探測器信號U與物體溫度TObject的關(guān)系如下所示：
因物體發(fā)出的輻射（處于整個輻射陣列中）而產(chǎn)生的探測器信號與物體**溫度的四次方成正比。也就是說：若被測物體的溫度呈雙倍升高，則探測器信號將呈現(xiàn)16倍的增大。
此外，紅外測溫儀并非應(yīng)用于整個輻射陣列中。指數(shù)取決于波長。N代表從1μm 14 μm的波長，范圍為17…2；對短波（1.0 to 2.3 μm）金屬測溫裝置而言，該范圍為15…17：
物體溫度值因*后一列公式的變化而增大。這些計算結(jié)果以曲線陣列的形式保存在紅外測溫儀的電可擦只讀存儲器（EEPROM）中，用于所出現(xiàn)的所有溫度：
因此，紅外測溫儀接收到了足夠的測溫信號。從公式中可以看出，除了波長范圍（輻射陣列）之外，所反射的周邊輻射及輻射率也會影響到測溫的**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)出每個波長所可能發(fā)出的*大能量（取決于其自身溫度）。黑體的構(gòu)造十分簡單：一個帶熱量的中空物體，一側(cè)末端有一個小孔。當黑體被加熱至某個特定溫度后，它的中空部分會形成平衡溫度。
普朗克的輻射定律說明了非接觸測溫的基本相干性：它指出，黑體向半場中的具體光譜輻射Mλs取決于它的溫度T和波長λ（c：光速；h：普朗克常數(shù)）：
黑體以選定溫度下的波長譜發(fā)出具體輻射的過程
圖中顯示了黑體以其波長發(fā)出光譜輻射Mλs時，以對數(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行說明。通過整合所有波長下的光譜輻射密度（從0到無限大），可以得到黑體作為一個整體而發(fā)出的輻射值。這種相干性被稱作斯蒂芬-玻爾茲曼定律。非接觸測溫的實際意義已在有關(guān)溫度計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)*大輻射值的波長會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測定金屬表面溫度的原因（但并非*主要的原因）。長波范圍也包含了高強度。由于金屬是選擇性的輻射源，其輻射率、反射和因此對測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
許多待測表面在多種波長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波光譜范圍中顯示出相對恒定的高輻射率，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（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)進行金屬測溫”，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溫儀，另外一個重要原因就是金屬（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誤調(diào)整而造成的測量誤差。
不考慮反射的可重復(fù)測量
對參數(shù)TAmbient必須慎重考慮；待測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，能夠為可重復(fù)測量的結(jié)果提供保障。
紅外測溫儀的實際應(yīng)用：感應(yīng)式淬火與誘導(dǎo)過程
紅外測溫儀的重要參數(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)成了理解非接觸測溫技術(shù)之物理原理、以及校正紅外測溫儀的基礎(chǔ)。
在現(xiàn)實中，能夠滿足黑體這一理想條件的物體并不多。實際上，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范圍內(nèi)的輻射率*大為0.99。物體溫度可通過對輻射率ε（Epsilon）的輻射測量加以確定；該輻射率說明了物體實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償。
表面輻射率越低，紅外測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（以及補償性的輻射部分）的影響，同時還明顯受到周邊環(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溫的一個實例。過程開始時，將一個部件放置在強交變磁場中，隨后對其加熱、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—時間過程。因此，有必要對溫度進行持續(xù)監(jiān)測。
