紅外線測溫法的原理是對精確監測系統進行詳細說明的重要前提。遺憾的是，許多用戶沒有花時間來了解基本原理，因此他們會認為非接觸式溫度測量是不精確的。

溫度測量可以分為兩類：接觸式和非接觸式。接觸式熱電偶、RTD和溫度計在溫度測量應用中最為普遍。由于測量的是它們自身的溫度因此它們必須接觸目標，它們的響應相對較慢，但它們比較便宜。非接觸式溫度傳感器測量目標發射的紅外線能量，它們響應快，通常用來測量移動目標或間歇性目標，真空中的目標，以及測量由于惡劣環境、結構限制或安全隱患而無法接近的目標。它們的成本較高，但在某些情況下，它們的成本與非接觸式設備相當。

紅外線輻射由艾薩克·牛頓爵士于1666年發現，他通過讓白色光透過玻璃棱鏡，將白色光束分解成彩虹的顏色，從陽光中分離出電磁能量。1800年，威廉·赫歇爾爵士進一步測量了每種顏色的相對能量。他還發現了可見光以外的能量。20世紀初，普朗克、斯蒂芬、玻爾茲曼、維恩和基爾霍夫進一步確定了電磁波譜的活動，并且發展了用來確定紅外線能量的定量數據和方程式。

這項研究使人們有可能利用基本黑體輻射曲線（參見圖1）確定紅外線能量。從該圖中可以得出，溫度高于-273?C的物體輻射出的能量數量與其溫度的四次方成比例。黑體輻射概念是紅外線測量法的基礎。然而，術語"發射率"為這些基本物理定律增加了變數。發射率衡量灰體（非黑體）放射出的熱輻射量與相同溫度的黑體的熱輻射量之比。（灰體指在所有波長具有相同光譜發射率的物體；非灰體指發射率隨波長而改變的物體，例如鋁。）

圖1：如在600?F ~ 1200?F溫度范圍內黑體發射的能量分布的曲線所示，主輻射位于0.5-14 μm的紅外區，遠離可見光區。

能量守恒定律說明輻射（吸收）的透射、反射和發射的系數之和必須等于1：
tλl + rλ + aλ = 1

并且發射率等于吸收
Eλ = aλ

因此：
Eλ = 1 - tλ - rλ

此發射率系數可以作為變量放入普朗克方程式中，描述相對于波長的物體表面特征。大多數被測物體是不透明的，發射率系數可以簡化成：
Eλ = 1 - rλl

玻璃、塑料和硅等材料是例外，但是通過選擇適當的光譜濾光，可以在這些物體的不透明紅外線區測量它們。

通常，對于發射率誤差會有很多混淆之處，但用戶只需記住下面四條：

• - 紅外線傳感器不能辨別顏色，這是固有的。
• - 如果目標反光（例如鏡子），請注意，您不僅僅按照需要的那樣測量發射的輻射能量，而且還要測量反射的輻射能量。
• - 如果可以看透目標，需要選擇紅外線濾光（例如，在5μm波長時玻璃是不透明的）。
• - 10項應用中有9項不需要絕對溫度測量。重復性和無漂移操作提供了嚴密的溫度控制。

如果表面閃光，可手動或者自動進行發射率調整來校正發射率誤差。對于大多數應用，這是一種簡單的辦法。在發射率變化并且造成處理問題時，請考慮使用雙波長或多波長輻射測量法解決發射率問題。

設計元素

紅外線溫度計有種類繁多的配置，包括光學器件、電子器件、技術、尺寸和保護性殼體。但它們都具有一系列紅外線能量接收組件和電子信號輸出組件?；窘M件系列包括匯聚光學器件、鏡頭和/或光纖、光譜濾光以及探測器作為前端。動態處理有多種形式，但是可以總結為放大、熱穩定性、線性化以及信號調節。普通窗戶玻璃在短波長范圍內適

用，石英適用于中波范圍，鍺或硫化鋅適用于8~14 μm波長范圍。光纖可用于0.5~5.0 μm波長區。

從應用的觀點看，光學器件的主要特征是視場(FOV)，即在指定距離處目標尺寸是多少？ 例如，在一種普遍采用的透鏡系統中，15英寸工作距離處目標直徑為1英寸。根據平方反比定律，通過將距離加倍（30英寸），目標區域理論上也加倍（直徑為2英寸）。目標尺寸（測量區域）的實際定義將因供應商而異，并且取決于價格。其它光學配置從適用于近距離精密測量的小光斑器件（直徑0.030英寸）到適合遠距離瞄準的遠距離光學器件（距離30英尺時直徑為3英寸），不一而足。注意，如果目標占滿視場(FOV)，工作距離就不應影響精度，這一點很重要。在一種視場(FOV)測量技術中，可變因素是信號損失和直徑。一條嚴格的規則是能量減少量為1%，但可以在一半功率或63.2%功率時提供一些數據。

對準（瞄準）是另一個光學方面的因素。許多傳感器沒有這種功能；透鏡對準表面，測量表面溫度。這種結構可用于不需要高精度的大目標，例如卷筒紙。對于使用小光斑光學器件的小目標，以及對于在遠距離監測中使用的遠距離光學器件，提供有目視瞄準、瞄準燈和激光瞄準。

選擇性光譜濾光通常將短波濾光片用于 高溫應用（大于1000?F），將長波濾光 片用于低溫測量（–50?F）。很明顯，這 與黑體能量分布曲線擬合，并且還有一 些技術方面的優勢。例如，高溫/短波使 用熱穩定性極強的硅探測器，而且短波 設計最大限度減小了發射率變動造成的 溫度誤差。其它選擇性濾光用于塑料薄 膜（3.43 μm和7.9 μm）、玻璃（5.1 μm）和火焰不敏感區（3.8 μm）。

多種多樣的探測器的選擇是為了來最大限度利用傳感器的靈敏度。如圖2中所示，PbS靈敏度最高，熱電堆靈敏度最低。大部分探測器是光伏型（在通電時輸出電壓）或光導型（在激勵時改變 電阻）。這些探測器響應迅速、靈敏度高的代價就是熱漂移，可以通過多種方法解決熱漂移，包括溫度補償（熱敏電 阻）電路、溫度調節、自動校零電路、斬波（AC和DC輸出）以及等溫保護?？商峁┎煌潭鹊臒o漂移操作，無漂移操作取決于設備價格。

在紅外線溫度計的電子設備組件內，探測器的大約100-1000 μV的非線性輸出信號得到處理。信號被放大1000倍，并經過調節和線性化處理，最終輸出的是線性mV或mA信號。趨向于提供4 ~ 20 mA輸出，以便將環境電噪聲干擾降到最小。

圖2：若要優化紅外線感應系統的響應，必須考慮探測器的光譜響應和調制特征

這種信號可以轉變成RS 232信號，或者提供給PID控制器、遠程顯示屏或記錄器。其它信號調節選項包括通/斷報警、適用于間歇目標的可調峰值保持功能、可調響應時間和/或采樣保持電路。

紅外線溫度計的平均響應時間大約為300ms，但是可以使用硅探測器獲得大約10ms的信號輸出。現實中，很多儀器都擁有可調節響應功能，可對接收的噪聲信號進行衰減，并且可對靈敏度進行現場調節。并非總是必須提供最快的響應。 但是有一些涉及感應加熱以及其它類型的應用，它們要求大約10-50 ms的響應時間，可通過紅外線測溫法獲得。

單波長測溫法

基本單波長設計用于測量表面在規定波長所發射的總能量。配置包括帶簡單遠程儀表的手持式探頭、可同時查看目標和溫度的復雜便攜式設備，以及記憶和/或打印輸出功能，不一而足。在線固定安裝式傳感器從配備遠程電子設備（OEM設計）的簡單小型探測器到擁有遠程PID控制的堅固耐用設備不等。纖維光學器件、激光瞄準、水冷、CRT顯示器和掃描系統也包括在用于過程監控和控制應用的選件中。在尺寸、性能、耐用差異。

過程傳感器配置、紅外線光譜濾光、溫度范圍、光學器件、響應時間和目標發射率是重要的設計元素，它們影響性能，必須在選型過程中仔細考慮。

傳感器配置可以是簡單的便攜式，或兩線制變送器，還可以是復雜的加固型感應裝置或掃描設備。目視瞄準、激光瞄準、無瞄準、光纖、水冷、輸出信號及遠程顯示可以籠統地代表各種不同可選功能。這在某種程度上存在主觀性，需要進行設計審查。多數情況下，如果是簡單應用，例如測量卷筒紙溫度，簡單的低成本傳感器就可以應付了；如果是復雜應用，例如在真空室內測量或者測量小目標，則更先進的傳感器將是更好的選擇。

紅外線光譜響應和溫度范圍的選擇與具體應用有關。短波適合高溫測量，長波適合低溫測量，這符合黑體能量分布曲線。如果涉及透明目標，例如塑料和玻璃，則需要使用選擇性窄帶濾光。例如，聚乙烯塑料的CH吸收光譜帶為3.43 μm,，在此范圍內聚乙烯塑料是不透明的。通過在該范圍內濾光，發射率因素得以簡化。同樣，大多數玻璃類材料在4.6 μm光譜帶時變得不透明，在5.1 μm范圍內進行窄帶濾光就可以精確地測量玻璃表面溫度。另一方面，要透過玻璃窗觀察，在1-4 μm區域被濾光的傳感器允許您透過玻璃窗測量真空室和壓力室溫度。在測量這類艙室溫度時，另一個選擇是使用帶有真空襯套或壓力襯套的光纖電纜。

光學特征和響應時間是兩個傳感器特征，在允許15英寸處標準視場約為1英寸以及響應時間小于 <1秒就足夠了的多數 應用中，它們都不是問題。然而，如果 應用要求測量小目標或者快速移動的間 歇性目標，可以使用小光斑（直徑0.125 英寸）和超小光斑（直徑0.030英寸）器 件，但價格昂貴。同樣，遠距離瞄準（ 距離目標10~1000英尺）時也需要進行 光學調整，因為標準視場(FOV)將變得過 大。在一些情況下，雙波長輻射測量法 可用于這類應用，例如，接線和遠距離 瞄準。采用光纖前端，可以不必再在惡 劣環境中使用電子元件、消除了電噪聲 并且解決了目標接近問題，因而增加了 設計靈活性。它是一種吸引人的設計工 具，有助于解決一些特別的應用問題。

大多數傳感器具有可調響應時間，范圍為0.2 ~ 5.0秒，一般設置在此范圍的中段。快速響應會受到應用中噪聲的干擾，而慢速響應則影響靈敏度。感應加熱需要快速響應，傳送帶或卷筒紙監測需要慢速響應以減少應用中的干擾?？焖夙憫蛡鞲衅餍枰褂每焖夙憫涂刂破?、可控硅電源組件及其它調節器?？梢酝ㄟ^下面的方程式確定綜合系統

其中：

T = 總響應時間
t₁,t₂ = 回路中的各個部分

考慮到時間要素，有以下兩種過程動態：穩態變化，其中涉及由于過程是動態的而需要嚴格溫度控制的快速運動產品，例如，電線的感應加熱。階躍變化或斜坡響應，與對分批式生產過程中的產品進行極快速加熱有關，例如硅片的加溫退火。在這些動態應用中，系統響應性和傳感器視場(FOV)是關鍵參數。

很多情況下，被測目標的發射率并不是重要因素。正確選擇窄帶光譜濾光后，大多數材料的發射率都恒定在0.90±0.05范圍內。如果將發射率設定在0.9μm，傳感器將傾向于在絕對溫度的±5?或10?范圍內讀取溫度。這種應用誤差指大約1%或2%的精度變動，然而在現實的紅外線測溫法中，重復性對于控制至關重要。例如，如果某個產品加熱到410?F，傳感器讀數是400?F，并且傳感器讀數在390 ~ 410?F之間時您生產出的是優質產品，請使用400作為設定值進行控制。在大多數應用中，無需NIST校準標準即可生產出優質產品。

如果應用需要精確的絕對溫度測量和記錄，可以根據相關NIST標準校準和認證儀器。另外，需要徹底確定表面發射率儀器。另外，需要徹底確定表面發射率閃亮的滾筒的溫度，首先建議測量在閃亮的滾筒上通過的產品。其次，可以使用靜態測試條件在傳感器上進行發射率調整，以便確定適當設置。再次，雙波長測溫法也是一種切實可靠的選擇。

單波長紅外線測溫法指在數千種應用中使用的種類繁多卻又簡單的一種選擇技術，在這些應用中，產品溫度控制對生產出一貫高質量產品至關重要。

雙波長測溫法

對于絕對精度是關鍵所在的更復雜應用，并且在這些應用中產品正經歷物理或化學變化，應該考慮使用雙波長或多波長測溫法。自從20世紀50年代初，比值輻射計的概念就已經存在，但是最近的設計和硬件改進提高了性能、提供了低溫功能并且降低了成本。

雙波長（比值）測溫法涉及測量兩種不同波長（光譜帶）區域發射的光譜能量。如果在兩種波長區域發射率值相同，則可以直接從儀器中讀取目標溫度。當視場(FOV)的一部分被相對低溫的物體遮蔽時（例如瞄準通道上有灰塵、金屬網和灰色透明窗口），這類儀器也可以指示目標的正確溫度。

這種設計的理論非常淺顯易懂，可以用下面的方程式來說明。在這些方程式中，我們使用普朗克方程式計算一個波長區域的能量，然后求出其與另一波長區域能量的比值。

其中：

R = 光譜輻射比
T_r = 表面的比值溫度
eλ = 光譜發射率

在此過程中，如果兩種波長處的發射率相等（灰體條件），發射率因子消去了方程式，我們發現比值與溫度成正比。

通過利用一小段黑體能量分布曲線并且測量不同發射率下的比值，也可以從圖形中得到同一概念（參見圖3） 使用0.7 μm和0.8 μm光譜段作為窄帶濾光片，在最低到0.1的發射率范圍內，比值因子恒定在1.428。

同樣，任何其它本質上的灰度變化將不影響雙波長溫度計計算的溫度。這些變化包括目標尺寸的變化，例如其直徑在測量過程中發生變化的電線或熔化的玻璃流。即便目標比溫度計的視場小，這些變化也不影響溫度計測量的溫度。例如，假定黑體目標僅占據溫度計視場的一半，輻射度減少了50%，這種分析不變。另一個示例是目標為煙霧或灰塵所遮蔽或者隔窗（真空室的隔窗）變得模糊不清的情況。只要被遮蔽介質在其輻射衰減過程中沒有光譜選擇性，至少在溫度計使用的波長區域，分析一直是相同的。雙波長輻射計測得的溫度始終不受影響。