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非接触式温度传感器，如红外测温仪，通过探测目标发射的红外能量来实现快速响应。这些设备非常适合测量运动或间歇性目标的温度，也适用于测量真空环境中的物体，或者由于几何空间或安全限制而难以进入、存在危险的环境。它们不仅具备经济高效、应用广泛、响应迅速的特点，而且不会干扰目标物。

深入理解红外测温的基本原理对于设计一个精准的监测系统至关重要。为了避免产生误解，并防止非接触式温度测量被误认为“不可靠”而弃之不用，本节将重点阐述红外测温的物理原理。

01. 红外线的发现

辐射度学（Radiometry）主要研究电磁辐射的测量，它构成了红外温度测量的科学基石。辐射度学的发展历程跨越了赫歇尔（Herschel）对红外辐射的发现，直至普朗克（Planck）的黑体辐射理论，后者确立了现代红外传感技术至今仍在沿用的物理定律。

红外辐射的波长范围超越了可见光，占据了电磁波谱中用于非接触式温度测量的关键部分。它被划分为近红外（NIR）、短波红外（SWIR）、中波红外（MWIR）和长波红外（LWIR）等多个波段，每个波段适用于不同的传感技术和应用场景。

普朗克辐射定律通过将物体发射的红外辐射与其温度和波长联系起来，奠定了非接触式温度测量的物理基础。它阐明了为何物体的辐射强度会呈指数级增长，并且其辐射峰值会向短波方向移动，从而实现了精确的红外测温。

瑞利-金斯近似描述了长波段和高温度条件下的黑体辐射，为部分红外光谱提供了一个简化模型。其在短波段的局限性也说明了为何精确的温度测量必须依赖普朗克定律。

朗伯余弦定律描述了由于几何投影的原因，漫反射表面产生的热辐射在倾斜观测角下显得更弱。它解释了为何红外传感器在垂直于表面法线的方向上进行观测时测得的辐射强度最高，而随着观测角度的增大，辐射强度逐渐降低。

斯特藩–玻尔兹曼定律描述了物体所发射的总热辐射随着其绝对温度的四次方而增加。它阐明了发射率和表面积如何决定总辐射功率，为红外温度测量奠定了根本性的理论基础。

维恩位移定律描述了随着温度的升高，热辐射的峰值波长如何向短波方向移动。它解释了为何高温物体在更短的红外波段辐射出更多能量，从而为温度测量中的波段选择提供了核心依据。

反射、透射和吸收描述了红外辐射与材料之间的相互作用，三者的贡献之和始终等于 1。这些效应取决于波长、材料特性、入射角以及偏振状态，并受到诸如斯涅尔定律（Snell’s law）和菲涅耳方程（Fresnel equations）等基本光学定律的制约。

基尔霍夫定律指出，在热平衡状态下，材料在给定波长下的发射率等于其吸收率。这解释了为何良好的吸收体同样也是良好的发射体，以及为何发射率是实现精确红外测温的关键参数。

发射率用于描述材料与黑体相比发射红外辐射的效率，是实现精确红外测温的关键参数。它受波长、材料种类、表面特性以及观测角度的影响，这使得方向性发射率对红外热像仪和测温仪尤为重要。

红外窗口使得透过封闭系统进行温度测量成为可能，但其材质必须与传感器的波长范围相匹配以确保测量准确性。窗口材料、透射率以及镀膜会直接影响信号强度，因此在校准过程中须对其进行充分考虑和加以补偿。

只有当被测目标完全覆盖由光学镜头决定的传感器测量光斑时，红外测量才是准确的。标准镜头、远场镜头和近焦镜头可控制光斑大小随距离的变化，从而实现对远距离或高分辨率近距应用的优化测量。

光学分辨率定义了红外传感器能够多精准地分辨微小的测量光斑并准确测量温度。它受到光学镜头质量、探测器或像素尺寸以及衍射效应等多重因素的综合制约，这些因素最终决定了可分辨的最小光斑。

红外传感器通过测量物体自身辐射的红外能量，结合普朗克定律与被测物体发射率换算得出物体温度。在实际测量场景中，由于存在其他辐射干扰源，且传感器采用宽波段探测模式，需要通过数值运算，并对传感器自身温度进行补偿修正，才能得到精准的测温结果。

红外测温仪属于非接触式红外测温设备，它通过采集物体辐射的红外能量，对单一测量点的表面温度进行测量。设备内部光学系统将红外辐射汇聚至特定波长探测器，探测器会把红外光信号转化为电信号；电信号经过处理运算后，最终输出温度数值。

正如普朗克定律和维恩位移定律所描述的那样，温度测量的灵敏度强烈依赖于波长。对于高温物体，短波红外传感器能够提供比长波红外传感器强得多且对温度变化更为敏感的信号，从而显著提高了在高温环境下的测量灵敏度。

双色测温法利用两个不同的波长来评估物体的温度，同时能够降低对未知发射率以及常见光学损耗的敏感度。该方法依赖于对发射率比值和波长间距的假设，这也体现了在发射率鲁棒性与温度灵敏度之间的一种折中权衡。

非制冷微测热辐射计制造技术的进步降低了成本并提高了像素密度，推动了红外热像仪在工业领域的广泛应用。与此同时，像素尺寸、噪声等效温差（NETD）以及光学衍射共同制约着探测系统的灵敏度和分辨率，决定了温度测量的可靠程度。

噪声等效温差（NETD）用于描述红外热像仪或测温仪的热灵敏度，表示系统在自身噪声水平之上能够分辨的最小温差。NETD 代表的是短期随机噪声，并不代表绝对精度或温漂。