短波与长波红外传感器

根据普朗克定律，温度测量在长波长和短波长下的表现截然不同。根据普朗克定律，黑体的光谱辐射亮度随温度升高而急剧增加，并向短波长方向移动——这一现象由维恩位移定律所描述。因此，对于高温物体而言，其发射的红外辐射中有更大比例落入短波长区域。普朗克定律表明，在给定温度下，发射的辐射亮度随着波长的减小而呈指数级增加。这为探测器提供了更强的信号。当对比短波长传感器与长波长传感器时，红外传感器的特征信号响应是物体温度的函数，针对不同的光谱带，每种响应都可以近似用幂律关系 [math]~T^n[/math]来表示，其中指数 n取决于传感器的波长敏感度。由于普朗克定律在短波长下具有更强的温度依赖性，短波长传感器的信号随温度升高而呈现出更陡峭的增长。相比之下，长波长传感器的响应则更为平缓，对应着较低的指数。图 1 在对数坐标系下展示了这一特性。

短波红外测温仪更适用于高温测量和快速的动态变化过程，而长波传感器则更适合用于较低温度的测量，以及具有低发射率或发射率多变材料的温度测量。 

然而，受限于普朗克辐射定律的物理学原理以及信噪比的限制，短波红外温度传感器通常具有较高的最低可测温度（即“起始测量温度”）。在低迷的温度下，大部分热辐射会向更长的波长方向移动（如维恩位移定律所描述）。在低迷温度下，短波长范围内的光谱辐射亮度变得非常微弱，往往会低于探测器的检测阈值。这意味着在较低的温度下，物体在短波长范围内发射的红外能量微乎其微，根本无法产生可供使用的有效信号。

此外，许多反光（光亮）物体的发射率特性也起着重要作用，这使得短波传感器相比长波传感器更具优势。许多金属的发射率会随着波长的减小而增加。在中长波红外波段，其发射率可能会大幅下降，尤其是在抛光表面上。而在较短的波长下，发射率往往更高且更稳定，从而提高了金属目标物上的温度测量准确性。因此，一些使用传统红外传感器可能无法测量的材料，由于其在短波光谱范围内具有更高的发射率，反而可以通过短波长传感器来进行测量。另外，由于普朗克定律的特性，在发射率设置不正确的情况下，短波传感器也更不容易产生误差。由于 [math]~ε \cdot T^n[/math]存在指数幂律关系 ，当与波长相关的指数 n很高时，在线性变化的发射率因子对来自目标的红外通量的影响，远不如温度本身对短波长红外通量的影响那么主导。而在长波长测量中，发射率的影响则与温度本身的影响处于同一数量级。

图 2 展示了当发射率设置出现 10% 的误差时所导致的测量偏差。其温度偏差要显著得多。请注意，Y 轴上的温度偏差是以对数刻度绘制的。值得注意的是，随着波长变短，可能产生的测量偏差呈指数级减小。 

相比之下，测量波长较长 investigate的传感器对发射率误差表现出明显更高的敏感性，而短波长传感器在整个温度范围内都能保持较低的偏差。图 3 插图展示了最大测量偏差随波长的变化关系。该图采用了与前文相同的计算方法，但将测量偏差与测量范围进行了对照。较短的波长对发射率变化的敏感性较低，而右侧较长的波长则表现出更大的易受影响性。

图 4 展示了在发射率不确定或发生变化的场景下，短波长传感器所具有的更佳的测量稳定性。在波长较长下工作的传感器相当容易受到发射率不确定性的影响，而短波长传感器对这类变化的敏感度则较低。这使得短波长传感器更适用于无法精确界定发射率的应用场景。