熱量和紅外發射

熱能是能量的一種形式。熱量儲存在物體中（我們周圍的一切事物），就像電能儲存在電池內一樣。

一個物體如果不帶有熱量將會是非常冷的，我們稱其為絕對零度（-460℉或-273℃），這是最冷的物體。因為它的熱量絕對值是零。當物體被加熱時，溫度會上升。一個物體的熱量越多，將會變得越熱。

熱量是通過分子和原子（次原子的微粒）的運動儲存在物體內的。當物體處于絕對零度時，沒有熱量，分子和原子也不運動。一旦熱量增加，溫度開始上升，原子和分子（亞原子的微粒）開始振動（并改變能量的狀態）。由于儲存在物體內的熱量總量的增加，分子和原子的振動將越來越劇烈。

就像兩手拍打或橡膠帶振動時產生聲音一樣，紅外能量通過這些原子和分子的振動，通過它們相互之間的碰撞釋放出來。這些釋放出的能量就是紅外測溫儀所測量的紅外能量。溫度越高，原子和分子的振動越劇烈，釋放的紅外能量越多。這里關于溫度和釋放的紅外能兩者之間密切的線性關系，就是紅外測溫儀能夠準確測溫的工作原理。

黑體能量分布和波長、溫度之間的關系

通常一個物體釋放出的紅外能總量與其溫度呈正比關系。一個相對小的溫度變化通常能夠帶來一個相對較大的紅外能量的變化。因此，紅外測溫儀具有較高的精度。但現實中存在很多影響紅外測溫儀準確工作的因素。因此，了解紅外測溫儀的本質和原理是至關重要的。

如前所述，紅外能量是由原子和分子的振動產生的。當物體溫度較低的時候，這些振動相對較慢，釋放的紅外能也相對較小。當物體溫度升高時，振動的頻率增加并且釋放出的紅外能總量也隨之增加。振動的頻率與產生的能量的波長有關系。頻率越高，波長越短。通常對于大多數材料來說，紅外能量發出的波的頻率和波長不是固定的，而是呈曲線分布，在一個范圍內波動。在任何特定波長上，發出的紅外能都隨溫度的增加而增加（見下圖）。但是，低溫物體發射出的峰值波長較長，而高溫物體發射出的峰值波長較短。

在分析光譜上不同溫度產生的紅外能分布時，需要注意兩點。第一點是要注意在短波長下任何特定的溫度變化所帶來的紅外能量的變化比在長波長下大得多。這就是說一個短波長紅外測溫儀更能準確地提供溫度變化的趨勢，并且更能耐受諸如發射率變化、光學結垢和瞄準誤差等一系列干擾。第二點是要注意當溫度變得越來越低時發射出的峰值能量的波長將增加。這就是說在測量溫度很低的目標時，有必要使用一個波長相對較長的傳感器。在下文中將仔細地給予說明。

發射率的定義(黑體、灰體、非灰體、可選擇型發射體)

物體的溫度與發射出的紅外能的關系，粗略看來似乎用一句話就可以描述清楚：高溫物體發射出較多的紅外能，而低溫物體發射出較少的紅外能。理論上，通過簡單地測定被測目標發射出的紅外能，就可以知道它的溫度。然而實際上并不是那么簡單的。因為目標物體發射出的紅外能并不是僅由溫度這一個因素來決定的。還有另一個變量必須考慮，這個變量我們稱之為發射率（或發射的趨勢）。一個物體的發射率受到材料本身、表面狀態、反射率和不透明度的影響。發射率常常會使測溫變得復雜。因此，理解發射率的概念及其特性，對于正確使用紅外測溫儀是至關重要的。

發射率和黑體的科學定義

發射率的科學定義是在某一特定溫度下物體發射出的紅外能與理論上在沒有損失時的完全值的比例。換句話講，發射率就是一個物體實際發射的紅外能與其理論值的比率。這一值介于0.000和1.000之間。發射率如果能夠達到理論上沒有損失的完全值，則稱之為黑體。黑體是一個完美的發射器，因為它理論上發射100%紅外能，所以它的發射率值為1.000。一個物體如果發射出60%的理論上的紅外能值，則稱其發射率值為0.600。

幾百年以來，對于黑體在各種溫度和波長下所發射出的紅外能已有詳盡的記錄，并已成為物理學的一種基礎。紅外測溫儀在校對時是以黑體發射器為基準的。紅外測溫儀在使用時必須能夠準確說明測量條件的特征。對非常接近黑體的對象，紅外測溫儀的結果通常更為準確。如果應用對象遠離黑體條件，并且存在特定的安裝問題，則需要慎重地對紅外測溫儀進行選型。而正確選型的前提是對紅外測溫儀本質原理的準確把握。

實際發射率的定義

雖然發射率的科學定義是很重要的，但是通常在實際操作中是無法應用的。我們需要了解實際發射率的定義以及一些基本概念。

在通常情況下，紅外能表現為三種形式，即發射、穿透和吸收。

反射率+ 穿透率+ 吸收率= 100%

如果目標是不透明的，則其穿透率為0。以上公式變為：

反射率 + 吸收率 = 100%

如果目標吸收紅外能（熱能），它的溫度會上升。當物體處于等溫狀態時，它發射出的能量和吸收的能量是相同的。因此，吸收率 = 發射率。以上公式變為：

發射率 + 反射率 = 100%

還可以表述為：

發射率 = 100% - 反射率

因此，對于一個不透明的物體，發射率是反射率的倒數，即發射率 + 反射率 = 100%。而對于一個透明的物體，其發射率 + 反射率 + 穿透率 = 100%。

換句話說，對于一個不透明的物體，發射率和反射率的和為100%。如果一個不透明的物體反射10%的能量，則發射90%的能量，其發射率值為0.900；如果一個不透明的物體反射60%的能量，則發射40%的能量，其發射率值為0.400。這一關于發射率的定義為理解發射率和理解紅外測溫儀提供了一個理論工具，因為反射率通常是容易測量和理解的。

在理解發射率時有一個難點，即大多數材料的發射率值是不固定的。被測材料本身是表面發射率的最重要因素，然而并不是唯一因素。其它一些因素，諸如表面紋理、氧化度、微觀結構、表面污染物以及鍍層等等因素都會影響材料的發射率。比如，鋼水的發射率和固體鋼的發射率就有很大差別；又比如，熱軋鋼的發射率和冷軋鋼的發射率也不一樣。這里還有另一個難點是關于材料的顏色。有些金屬迭片可以表現為任何顏色，但其發射率值是固定的，并不受到顏色變化的影響，但它的表現結構在很大程度上影響發射率值。通常高光澤度表面的材料比低光澤度表面的材料發射率低。迄今為止，有許多關于各種材料發射率值的記錄。不幸的是，這些記錄大部分是不準確的，也存在許多誤解。