深度解析（xī）紅外發射率之二（èr）

發射率的定義(黑體、灰體、非灰體、可選擇（zé）型發（fā）射體)

物體的溫度與發射出的紅外能（néng）的關係，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（guò）簡單地測定被測目標（biāo）發射出的紅外能，就可以知道它的溫度。然而實際上並不是那（nà）麽簡單的。因為目（mù）標物體發射出（chū）的紅外能並不（bú）是僅由（yóu）溫（wēn）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（liàng）我們稱之為發射率（lǜ）（或（huò）發射的趨勢）。一個物體（tǐ）的發（fā）射（shè）率受到材料本身、表麵狀態、反射率和不透明度的影響。發射率常常會使測溫（wēn）變得複雜。因此，理解發（fā）射率的概（gài）念及（jí）其特（tè）性，對於正確（què）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（fā）射率的科學（xué）定義是在某一特定溫度下物體發射出的紅外（wài）能與理論上在沒有損（sǔn）失時的完全值的比（bǐ）例。換（huàn）句話講，發（fā）射（shè）率就是一（yī）個物體實際發射的紅外能與其理論值的比率。這一值介於0.000和1.000之間。發射率如果能夠達到理論上沒有（yǒu）損失的完全值（zhí），則（zé）稱之為黑體。黑體（tǐ）是一（yī）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（wù）體如果（guǒ）發射出60%的理論上的紅外能值，則稱其發（fā）射率值為0.600。

幾（jǐ）百年以來，對於黑體（tǐ）在各種溫度和波長下所發射出的紅外能已有詳盡的記錄，並已成為物理學的（de）一種基（jī）礎。紅外測溫儀在校對時（shí）是以黑體發射（shè）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（tiáo）件的特征。對（duì）非（fēi）常接近黑體（tǐ）的對象，紅外測溫儀的結果通常更（gèng）為準確（què）。如果應（yīng）用對象遠離黑體條件，並且存在特定的安裝問（wèn）題，則需要慎重地對紅外測溫儀（yí）進行選型。而正（zhèng）確選型的（de）前提是對紅外測（cè）溫（wēn）儀本質（zhì）原理的準確（què）把握。

實際發射率的定義

雖然（rán）發射率的科學定義是很重要的（de），但是通常在實際（jì）操（cāo）作中是（shì）無法應用的。我們需要了解實際發（fā）射（shè）率的（de）定義以及一些基本概念。

在通常（cháng）情況下（xià），紅外能表現為三種形式，即發（fā）射、穿（chuān）透和吸收。

反射率+ 穿透率+ 吸收率= 100%

如果（guǒ）目標是不透明的，則其穿透率為0。以上公（gōng）式變為：

反射率 + 吸收（shōu）率（lǜ） = 100%

如（rú）果目標吸收紅外能（熱能（néng）），它的溫度會上升。當物體處於等溫（wēn）狀態時，它發射出的能量和吸收（shōu）的能量是相（xiàng）同的。因此，吸收（shōu）率 = 發射率。以上公式變為：

發射率 + 反射率 = 100%

還可以（yǐ）表述為（wéi）：

發射率 = 100% - 反（fǎn）射率

因此，對於（yú）一個不透明的物體，發射率是反射（shè）率的倒數，即（jí）發射率 + 反（fǎn）射率 = 100%。而對於一個透明的（de）物體，其發射率 + 反射（shè）率 + 穿（chuān）透率 = 100%。

換句話（huà）說，對於一（yī）個不透明的物體，發射率和反射率的和為（wéi）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（lǜ）值（zhí）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。這一關於（yú）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（gè）理論工具，因為反射率通常是容易測量和理解的。

在理（lǐ）解（jiě）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。被測材料本身是表麵發射率的最重要因素，然（rán）而並不是唯一因素。其它一些因素，諸如表麵紋理、氧化度、微（wēi）觀結（jié）構（gòu）、表麵汙（wū）染（rǎn）物以及鍍層等等因素都會（huì）影響（xiǎng）材料的發射率。比如，鋼水的發射率（lǜ）和固體（tǐ）鋼的（de）發（fā）射率就有（yǒu）很大差別；又比如，熱軋鋼（gāng）的發射率和（hé）冷軋鋼的發射率也不一（yī）樣。這（zhè）裏還（hái）有另一個難（nán）點是關於材（cái）料的顏色。有（yǒu）些（xiē）金屬迭片（piàn）可以表現為任何顏色，但其發射率值（zhí）是固定的，並不受（shòu）到顏色（sè）變化的影響，但它的（de）表現結構在很大程度上（shàng）影響發射（shè）率值。通常高光澤度表麵的材料比低光澤度表麵的材料發射率低。迄今為止，有許多關於各（gè）種材料發射率值的記錄。不幸的是，這些記錄大部分（fèn）是不準（zhǔn）確（què）的，也存（cún）在許多誤解。

黑體材料

假設有一種（zhǒng）物體，在某一給定的溫度（dù）下能夠全部吸收投射（shè）到其表麵的任何波長的（de）輻射能量，則稱之（zhī）為黑體（tǐ）。黑體材料是一個完美的發射器，它的發射率值為1.000或100%。也就是說，一個完美的黑體材料（liào）是完全無反射的。在（zài）各種材料中，反射（shè）率越低（dī），發射率越高，這種材料就越接近黑體材料。因此，反射率相當低（dī）的材料，諸如（rú）紙、紡織品、水泥和磚能夠使用（yòng）一（yī）個簡（jiǎn）單的、一般的紅（hóng）外測溫儀來精確地測量其發（fā）射率，因為他們（men）非（fēi）常接近於（yú）黑體材料。然而也有很多材料與黑體材料大不相（xiàng）同，它們具有很高的反射率和穿（chuān）透率。這些（xiē）與黑體材料大不相同的材料，根據其發射率特點，大體上可以分為三種類型，即（jí）灰體材料、非灰體（tǐ）材料（liào），以及（jí）可選擇型發射體。

灰體材料（liào）

灰體材料的發射（shè）率值低於1.000，並且其發射率值在任何波長下（xià）都（dōu）是相同的。灰體材料通常（cháng）具有固定的發射（shè）率值（zhí），僅僅在其表麵粗糙度改（gǎi）變的情況下，這一值才可能（néng）被改變，其它情況下則是一個常數。一個灰體材料在某一給定溫（wēn）度下發射出的紅外能如果是（shì）黑體材料的70%，則其發射率值為0.700。通常來說，不（bú）透明的物體具有一個相（xiàng）對高的發射率值（通常反射率在0.300-0.400之間，發射率在0.600-0.700之間），這種物體（tǐ）通常稱為灰體材料。

非（fēi）灰體材料

非灰體材料在不（bú）同的波長（zhǎng）下具有不同（tóng）的發射率值。對於不（bú）透（tòu）明的材料來說，發射率隨波長變化的趨勢，主要是（shì）由材料的微觀表麵（miàn）結構（gòu）和（hé）物理屬性所決定的。而對非灰體（tǐ）材料來說，對於紅（hóng）外能的吸收、反射和穿透的趨勢取決於波長。可選擇型發射體是一個特殊的非灰體材料，將在下一（yī）章節另（lìng）作談論。

材料的表麵紋理和氧（yǎng）化度也會影（yǐng）響表麵發射率。盡管我們認為反射率高的材料是很光滑（huá）的，但在（zài）顯微鏡下，其表麵還（hái）是有很（hěn）多褶皺和裂縫。這（zhè）些褶皺和裂縫很小（xiǎo），通常紅外波無法進入，所以材（cái）料在此波長下具有較高的反射率。然而，如果波長足（zú）夠小並可以進入這些褶皺和裂縫，則會有所損失，物（wù）體的反射率就會變低，材料在反射率較低時發射率較（jiào）高，在反射率較高時發射率較低。因為比起長波，短波更容易滲入褶皺和裂縫，因此在用短波測量時，被測目標的發射（shè）率比用長波測量時更高。通（tōng）常發射率值低於0.400-0.500的金屬，我們稱為非灰體。

另外，表（biǎo）麵紋理和氧化度的變化同樣會引起基於波長的發射率變化。如（rú）果氧化結構的表麵縫隙大（dà）於紅外波長，比如氧化鐵表麵就顯得（dé）很粗糙，其發射率相對較高，並且用小於此結構縫隙的所（suǒ）有波長進行測量時，發射率和反（fǎn）射率都是不變的。相反地，如果氧化結構的縫隙很小，比如氧化鉻鍍層，此時短波可以（yǐ）滲透，而長波則不行（háng）。隨著氧化層變厚，漸漸能夠吸收所有的波長，則其發射率值在各種波長下（xià）都是不變的。比如薄的膠片表麵具有（yǒu）非常細致（zhì）的氧化層，很容易把它看成是透明的（de），因此這些鍍層在影響（xiǎng）其表（biǎo）麵紋理的同時，也可將其看成是可選（xuǎn）擇型發射體。

可（kě）選擇型發射體

紅外能是一種電磁能，就像可（kě）見光、無線電波（bō）和X射線。如果在胸口打上一束光，它不能穿過，而（ér）如果是X射線就能（néng）夠穿過。光與X射線的唯一區別就在於波長（zhǎng）。所以通過改變波長，有（yǒu）些物體會變得更加透明或更加不透（tòu）明，玻璃就是一個很好的（de）例子。玻（bō）璃在短波下是透明（míng）的，但在波長大於4.8mm的長波下則是不透明的。也就（jiù）是說，在短波下玻璃的發射率更低。而因其在長（zhǎng）波下是不（bú）透明的，因而此時具（jù）有（yǒu）更高的發射率。玻（bō）璃的發射率也隨著波長（zhǎng）的改變而改變（biàn），在6.6-8.2mm的波長下，玻（bō）璃是高度不透明和高度低反射的。這一波段也是玻（bō）璃具有最高（gāo）的發射率值和最類似於（yú）黑體材料的（de）波（bō）段（duàn）。

薄的塑料（liào）膠片是最典型的（de）可選擇型發射體。這種材料是由一長串氫和碳（tàn）原（yuán）子鏈組成（chéng）的，這一可重複（fù）的（de）統（tǒng）一的（de）分子結構使得分子和原子以一個均勻的頻率和諧地振動。與這一振動頻率一致的紅外波（bō）長被塑料材料優先吸（xī）收（不是反（fǎn）射（shè）或（huò）穿透）；另一方（fāng）麵，這一材料發射（shè）出的紅外能首先是與振動頻率一致的波長。當我們觀察一個塑料夾層帶時，它是透（tòu）明的。但如果用一（yī）個與振動頻率一致的3.43mm長（zhǎng）度的波（bō）來測量，這個夾層帶則是完全不透明的。當測量一個可選擇型發射（shè）體的溫度時，選擇與一個強（qiáng）的發射波段一致（zhì）的波長是至（zhì）關重要的（de）。在這種（zhǒng）波長下（xià），紅（hóng）外發射最為接近（jìn）黑體條件，該材料也具有最高的不透明（míng）度和最低的反射率。可選擇型發射體的另一些例子是所有的氣（qì）體和（hé）所有的（de）高（gāo）透明材料。許多晶體材料，比如矽和陶瓷也是可選擇型發射（shè）體。統一的分子結構使這些材料具有如上所述的發射率特性。

薄膜鍍層也可以看（kàn）成是可選擇型發射體。在金屬工業領域，金屬薄板經常會被鍍上一層薄膜。油基（jī）漆、水基（jī）漆、機油（yóu）和臘是最為常見的塗在金屬外部的鍍層，它們都可以看作是可（kě）選擇（zé）型發（fā）射體。這些材料在有些波長下是高度透明的，在另（lìng）一些（xiē）波長下則是高（gāo）度不透明和低反射的。鍍（dù）層（céng）的發射（shè）率在很大程度上（shàng）取決於波長。一個紅外測溫儀的（de）最佳波長應該能夠隨著鍍（dù）層材料、鍍層厚度、所需溫度範圍（wéi），以及對鍍層的觀測和（hé）穿過鍍層（céng）觀測的（de）需求的變化而變化。