发射率不是一个材料常数,它描述的是这个表面在这一状态下、在这一波段、从这一方向看过去的辐射能力。查表只能给出区间,给不出某一个测点的确定值:把表里的数直接填进仪器,等于把别人的表面当成了自己的表面。
材料的名字只是索引,真正决定数值的是表面那几微米发生了什么:有没有氧化层、粗糙度多少、有没有漆膜或污秽、涂层里含不含金属粉。同样是铝,抛光面与强氧化面能差出三四倍。同样是铸铁,加工面与完全生锈面能差出一倍多,表上给的那一个数,是某一批试样在某一状态下的结果。
红外测温的波段也在里面起作用。GB/T 19870-2018 在基本参数那一章给出,热像仪宜工作在长波范围内,即 7.5 μm 到 14 μm。同一材料在短波与长波上的发射率并不相等,抄表时若不看清表头标注的波段,数值会对不上。北京康高特(KGT)阳明红外热像仪的波长范围正是 7.5 μm 到 14 μm,与这一条一致。
方向同样算得进去。非金属在法线附近的值比较稳,偏离法线几十度以后会往下掉:金属的变化更复杂,总反射里镜面成分占的比例随角度上升。现场把入射角控制在三十度以内,一半是为了避开反射,一半是为了让发射率别偏离表值。
金属与非金属的分野在自由电子。金属内部有大量可自由迁移的电子,入射的红外电磁场被它们高效地反射回去,自身的热辐射出不去,于是发射率低、反射率高。非金属没有这层自由电子,晶格振动与分子振动能把热能有效地转成辐射发出去,发射率自然高。
这个差别解释了表上那条明显的断层:抛光铝 0.09、黄铜镜面 0.03 这类亮金属面处在底下一档,电瓷 0.90 到 0.92、橡胶 0.95、冰 0.98 这类非金属挤在上面一档。中间那些数,几乎都是金属表面长了氧化层、涂层或锈层之后的产物。
金属件在大气里放久了,表面会长出一层氧化物。这层氧化物的厚度只要到微米量级,对长波红外已经不再透明,仪器看到的是这层外套而不是底下的金属。于是发射率从金属档跳到非金属档。
厚度决定跳多少。薄而致密的氧化膜只把值抬上去一点点,厚而疏松的锈层会把值抬到 0.8 以上。DL/T 664-2025 附录 D 里同一族金属的几个数,排下来正是不同氧化程度的序列:轻度氧化铝取 0.10 到 0.20,强氧化铝取 0.30 到 0.40。抛光铸铁是 0.21,加工铸铁是 0.44,完全生锈铸铁到 0.95。
查表的作用是把初值定在正确量级,不是把终值定死。可行的顺序是先按材料与状态在表里取一个起点,再用现场手段把它校到这一个测点上,末了把这个数、取得它的方法、当时的背景温度一并记进检测记录。只查不校,读数只剩下参考意义。
热像仪收到的是被测目标方向上全部辐射的总和,至少有三处来源。头一处是目标表面自己发出来的,权重是发射率 ε,而第二处是目标表面把周围环境反射进来的,权重是一减 ε。第三处是目标表面与仪器之间那段大气自己发出来的,权重和透过率有关。近距离作业下第三处常常可以忽略,前两处的权重却始终相加为一。
把这三处写成式子,得到辐射测温的基本关系:仪器收到的波段辐射亮度,等于 ε 乘目标温度下的黑体波段辐射亮度,加上一减 ε 乘背景温度下的黑体波段辐射亮度,再加上大气路径那一项。温度不是量出来的,是从这个式子反解出来的。
JJF 1187-2008《热像仪校准规范》在概述那一章给出原话:热像仪可将物体表面的热辐射转换为可见图像,并通过发射率、反射率、透射率三项的修正,准确测量物体的表面温度和表面温度分布。这句话把三个修正量并列写出来,说明它们不是可选项,而是算出温度之前必须填上的三个空。
仪器拿到的是一个辐射亮度值,要靠人给的 ε 与背景温度把它还原成温度。填进仪器的 ε 与背景温度若与真实情况不符,反解出来的温度必然偏离,而且偏离的方向是确定的,不是随机的。
发射率、背景温度、距离,三样在仪器里都要给。现场常见的疏漏是把后两样留成默认值,背景温度沿用上一次的环境温度,距离干脆不填。这两项在低发射率目标上的影响,比发射率本身还大。
把反解式子写出来,方向一目了然。仪器按设定值 ε设 去解,得到的目标温度 T读 满足:目标温度下的辐射亮度,等于 ε真 除以 ε设 乘真实温度下的辐射亮度,加上一减这个比值乘背景温度下的辐射亮度。
比值小于一时,意味着设定的发射率高于真实值,读数会被拉向背景温度。背景通常比被测设备冷,于是读数偏低。反过来,设定的发射率低于真实值,读数偏高。方向只有这两种,没有第三种。
取真值 80 ℃、真实发射率 0.09、背景 25 ℃ 算一遍。设成 0.95,读数 31.4 ℃,偏低 48.6 ℃。设成 0.60,读数 35.0 ℃,偏低 45.0 ℃。设成 0.30,读数 44.2 ℃,偏低 35.8 ℃。设对 0.09,读数回到 80.0 ℃。
近五十摄氏度的偏低不是笔误。抛光铝在长波红外里的发射率原本只有 0.09 上下,按 0.95 去解,等于把九成的权重错记成自身发射,剩下那一成还要按高发射率去摊,读数自然塌到背景附近。
现场常犯的是把发射率设高,仪器默认 0.95,人不去动它,遇到金属等于把值设高了。于是所有金属测点的读数一致偏低,偏低的方向相同、幅度随温度上升。这类偏差不会互相抵消,只会让一批热点一起被判成正常。
设定值比真实值高 0.05,在不同发射率的表面上后果完全不同,真值 80 ℃、背景 25 ℃ 下算得下面一列。真实 0.90 设成 0.95,读数偏低 2.4 ℃。真实 0.70 设成 0.75,偏低 3.0 ℃。真实 0.50 设成 0.55,偏低 4.2 ℃。真实 0.30 设成 0.35,偏低 6.6 ℃。真实 0.20 设成 0.25,偏低 9.3 ℃。
同一个零点零五的差值,从 2.4 ℃ 变成 9.3 ℃,接近四倍,发射率越低的表面,同样的偏差越伤。
起作用的是相对偏差,即 Δε 除以 ε,不是那零点零五本身。零点零五放在 0.90 上是百分之五点六,放在 0.20 上是百分之二十五,差了四倍多,与上面那一列读数的比例吻合。
这条结论直接改写操作习惯:高发射率表面上,发射率那一档可以粗一点。低发射率表面上,小数点后两位都要较真。
不必每次去积分普朗克公式,波段内辐射亮度随温度大致按 T 的 n 次方变化,n 等于辐射亮度对温度的双对数斜率。按 7.5 μm 到 14 μm 波段算,300 K 附近 n 约 4.7,350 K 附近约 4.1。有了它,辐射亮度上的相对偏差换算成温度偏差,得 ΔT 约等于 T 除以 n 再乘 ΔL 除以 L。
举例:350 K 上辐射亮度差百分之十,按 n 取 4.1 算,温度偏差约 350 除以 4.1 乘 0.10,得 8.5 ℃,这个数与逐点积分的结果在同一量级,够用来现场判断。
北京康高特(KGT)阳明红外热像仪的测温精度标为 ±2 ℃ 或 ±2% 读数,取两者中较大的。发射率这一项在氧化金属上轻易到十几摄氏度,在抛光面上能到近五十摄氏度,比仪器那一项高出一个数量级。把两者加在一起评论测得准不准,是拿小数去掩盖大数。
仍取真实发射率 0.70、设成 0.95、背景 25 ℃,只改真实温度。真实 30 ℃ 时读数偏低 1.3 ℃。50 ℃ 时偏低 6.1 ℃。80 ℃ 时偏低 12.4 ℃。120 ℃ 时偏低 19.9 ℃。160 ℃ 时偏低 27.0 ℃。
同一处设置错误,在三十摄氏度上几乎看不出来,在一百六十摄氏度上能差出二十七摄氏度。发射率偏差的后果随被测温度上升而放大。
反解式子中被拉向背景的那一块,权重是真实温度与背景温度下辐射亮度之差。温度越高,这个差越大,同样比例的误设带走的量也越多,低温测点上那点偏差看不出来,不是因为它不存在,是因为基数小。
过热缺陷恰恰长在高温区。现场若在低温点上随便设一个值、在高温点上沿用同一个值,出事的往往是后者:读数被压下来,把本该判危急的点压进一般那一档。
式子里的第二项,权重是一减 ε。发射率 0.95 的绝缘表面只反射 0.05 的环境辐射,这一项几乎可以忽略。发射率 0.30 的铝外壳反射 0.70,环境辐射成了信号的主要成分,发射率越低,背景温度这一项越占主导。
取一个发射率 0.30 的铝制外壳,真实温度 60 ℃,它真正反射的背景是旁边的变压器本体与晒热的墙面,折算下来约 45 ℃。此时把仪器里的背景温度填成 20 ℃,读数 100.4 ℃,偏高 40.4 ℃。填成 25 ℃,读数 93.8 ℃,偏高 33.8 ℃。填成 35 ℃,读数 78.6 ℃,偏高 18.6 ℃。填成 45 ℃,读数 60.0 ℃,偏差归零。填成 55 ℃,读数 36.3 ℃,偏低 23.7 ℃。
发射率设对了,只是背景填错,仍能错出四十摄氏度,这一项在低发射率目标上的杀伤力不低于发射率本身。
测点周围往往不空。变压器本体、晒热的墙体、旁边带电设备的散热面,都会成为反射源。仪器里那个背景温度问的是目标表面反射的是谁的温度,不是当日气温多少。两者在户外空旷处接近,在设备密集的间隔里能差出二三十摄氏度。
常规做法是在测点旁放一块皱成一团的铝箔,把它调到与被测面相同的取向,用高发射率设置读出它的表观温度,这个读数便是被测面反射的背景温度。铝箔皱起来是为了把镜面反射打散,让读到的更接近漫反射背景,这一步花不了两分钟,换掉的是上面那四十摄氏度。
DL/T 664-2025 在附录 D 以资料性附录的形式列出常用材料辐射率的参考值,表题用的正是这个名称。资料性意味着它给的是工程参考,不是判定依据,仪器设置与报告记录都不宜把它当成规定值引用。表上每个数都带着两个附加栏,一栏是取得该值时的温度,一栏是表面状态。
规程在这个附录里用的词是辐射率,红外测温习惯说发射率,两者指的是同一个量纲为一的量。
抛光铝或铝箔取 0.09,测量温度 100 ℃,轻度氧化铝取 0.10 到 0.20,覆盖 25 ℃ 到 600 ℃。强氧化铝取 0.30 到 0.40,覆盖 25 ℃ 到 600 ℃,三个数把铝排成一条从亮到暗的序列,取值时先看表面有没有氧化、氧化到什么程度。
黄铜镜面取 0.03,测量温度 28 ℃,氧化黄铜取 0.59 到 0.61,覆盖 200 ℃ 到 600 ℃。完全生锈氧化铜取 0.66,测量温度 22 ℃,铜与黄铜在光亮态下处在表上靠下的一档,值比抛光铝还低,按默认值设置时偏差也更大。
抛光铸铁取 0.21,测量温度 200 ℃。加工铸铁取 0.44,测量温度 20 ℃。完全生锈轧铁板取 0.69,测量温度 20 ℃,完全生锈铁板取 0.80,测量温度 25 ℃。完全生锈铸铁取 0.95,覆盖 40 ℃ 到 250 ℃,镀锌亮铁板取 0.23,测量温度 28 ℃。镀锌这一项值得单独记住,镀锌层是金属镀层,发射率仍停在 0.23 这一档,按铁去取会高出一大截。
黑亮漆喷在粗糙铁上取 0.88,测量温度 26 ℃。黑漆或白漆取 0.80 到 0.95,覆盖 38 ℃ 到 90 ℃。平滑黑漆取 0.96 到 0.98。亮漆不论颜色取 0.90。非亮漆取 0.95。纸取 0.80 到 0.95,覆盖 0 ℃ 到 100 ℃。不透明塑料取 0.95。亮瓷器取 0.92,测量温度 23 ℃。电瓷取 0.90 到 0.92。软硬橡胶取 0.95,测量温度 20 ℃。水取 0.95 到 0.96。冰取 0.98。皮肤取 0.98。
这一档整体落在 0.9 以上,与仪器常用的默认值接近:默认值之所以在非金属上勉强可用,是因为这些材料的真实值原本在这个位置附近。
其一,先看状态栏再看材料名,材料名只是索引。其二,温度栏是这条数值的取得条件,不是它的适用范围,超出该温度时应注明是外推。其三,资料性附录不能当判据,报告里要写清取值的依据与校正方法。
抛光铝或铝箔 0.09,完全生锈铸铁 0.95,两者相差十倍多,却同属金属材料。金属这一族内部的分化比金属与非金属之间的分化还要大,只按材料名取值必然出错。
氧化程度、表面粗糙度、有无涂层或污秽,这三件事排下来基本定了档位。氧化膜从无到厚,值可以从 0.1 抬到 0.9,粗糙度升高让表面反复反射,值随之上移。漆膜与污秽只要不含金属粉,便把表面的辐射行为改写成非金属的。
含金属粉的涂料是例外。铝粉漆随铝粉含量增加,发射率反降到 0.3 到 0.65 这一段,看上去是漆,行为仍偏金属。
先看颜色与光泽:亮银色、能照出人影的面,取低档。灰暗、无光泽、有锈迹的面,取中档偏上,有漆膜或橡胶外套的面,取 0.9 以上。再看有没有涂层记录或厂家资料,有则优先采信,判断不了时,按偏低的那一档取,同时用实测手段校一遍。
仪器出厂常把发射率停在 0.95 或 0.90,这两个数在非金属上偏差只有一两摄氏度,在亮金属上能偏低几十摄氏度。默认值不是错值,它只是为非金属准备的,遇到金属必须改。
DL/T 664-2025 在术语那一章把相对温差定义为两同类设备相对应测点之间的温升之差,与其中较高温度点的温升之比的百分数。温升是测点温度减环境温度,展开来 δ 等于 T1 减 T2 除以 T1 减 T0,结果以百分数表示,式中 T1 是发热点温度,T2 是正常相对应点温度,T0 是环境温度。
取真值 T1 等于 80 ℃、T2 等于 40 ℃、T0 等于 25 ℃、两点真实发射率同为 0.70。真实的 δ 是 72.7%。此时把仪器的发射率设成 0.95,T1 读到 67.6 ℃,T2 读到 36.2 ℃,算出的 δ 是 73.6%,只差 0.9 个百分点。
同一个设置错误让温度读数偏低 12.4 ℃,却几乎没动 δ,原因是 δ 是比值,分子分母同时被压缩,比值基本保住。
换一个条件:发热点因氧化重,真实发射率 0.80。正常相表面较新,真实发射率 0.50。仪器统一设 0.95。此时 T1 读到 72.7 ℃,T2 读到 33.2 ℃,δ 算得 82.9%,比真实的 72.7% 高出 10.2 个百分点。
十个百分点不是小数。δ 是判据的直接输入,这个量级的偏移足以让定级结论跨过一档。
DL/T 664-2025 把判据放在两个规范性附录里,附录 I 管外部通流类设备部件,附录 J 管非外部通流类设备部件。判据不是一个通用的百分数门槛,而是按设备类型分别列出的表,用 δ 之前要先确认被测对象归在哪一个附录。
相对温差法能压住发射率偏差,前提是热点与参考点同材质、同表面状态、同一发射率设置、同一观测条件。这四样里坏掉一样,上面那个十个百分点便会出现,发射率设错毁掉的主要是表面温度判据,不是 δ。δ 的免疫是有条件的,不能拿它去给粗糙的设置背书。
把一片已知发射率的胶带或专用贴片贴到测点上,等它与被测面建立热平衡,再用高发射率设置读贴片区,读到的便是被测面的真实温度。随后把测点移到旁边的裸面上,反调发射率使读数等于刚才那个值,此时的设定即该表面的实测发射率。
这一法的要点是热平衡要等够。薄胶带在金属上通常几分钟便够,厚贴片与低导热基材要更久。贴片本身的热阻与导热也会让读数略偏低,贴得越薄越准。
用热电偶或接触式点温仪贴住测点,读到一个接触温度,再调热像仪的发射率使非接触读数与它相等。这一法直接、不需要额外材料,代价是要靠近带电部位,且接触点的温度会受贴压与散热影响。
给被测件加负载或局部加热,让它升到另一个温度,用前后两组读数反解。原理是同一个表面在两种温度下给出两个方程,可以解出 ε 与背景温度两个未知量。这一法适合停机或可调负载的场合,带电运行设备上很难实施。
在测点涂一小块已知发射率的哑光漆,按漆的值读该区温度,即视为被测面温度。这一法简单,代价是改变了表面,且不适用于不允许涂装的设备。
四种方法各有边界:贴片法用得多,接触法来得直接,加热法要求能改工况,涂漆法改变表面。现场取不到实测值时,退一步也要在记录里写清取值的来源、表面状态的描述,还要写清背景温度的取法,让下一次复测有可比性。
GB/T 19870-2018《工业检测型红外热像仪》在性能要求那一章给出,环境温度在 23 ℃±5 ℃ 时,测温的误差允许上限不超过 ±2 ℃ 或被测温度的 ±2%,取两者中较大的。这是仪器在规定条件下对标称值的约束,不是现场测得准不准的总账。
噪声等效温差在环境温度 23 ℃±5 ℃、相对孔径为一时考核,高分辨率高灵敏度型小于 0.06 ℃,高灵敏度型小于 0.08 ℃,普通型小于 0.15 ℃。测温一致性要求视场内不同区域的偏差不超过 ±2 ℃ 或视场中心区域测量值乘 ±2%,取两者中较大的。可分辨温差在零点五倍特征空间频率下考核,高分辨率高灵敏度型小于 0.6 ℃,高灵敏度型小于 0.8 ℃,普通型小于 1.3 ℃。
这几项管的是仪器自身的分辨能力与稳定程度,与被测表面是什么材料无关。
JJF 1187-2008《热像仪校准规范》适用于测温范围 -20 ℃ 到 2000 ℃ 的热像仪校准。它要求校准环境温度 23 ℃±5 ℃、相对湿度不大于 85% RH,标准器用黑体辐射源:腔式黑体的空腔有效发射率为 0.99 到 1.00,允许偏差 ±0.01。面辐射源在 100 ℃ 以下的靶面有效发射率为 0.97,允许偏差 ±0.02。规范建议复校间隔为一年。
关键在黑体这两个字:校准与检定面对的是发射率接近一的标准源,那一项 ±2 ℃ 是在这个条件下取得的。
现场读数与真值之差,包含仪器自身那一项,也包含发射率与背景温度那一项。前者有出厂指标与校准证书可查,后者只存在于作业方法里。把这两项混在一起说仪器不准,会让人去换仪器。分开算,才知道该改的是设置。
在低发射率表面上,这一项可以单独到几十摄氏度,在高发射率表面上,若设定值与真实值相差不超过 0.05,通常落在三摄氏度以内。它随材料突变,方向也确定,其余几项都不具备这两条。
权重是一减发射率。发射率 0.30 的外壳上,背景温度每错十摄氏度,读数能错出二十摄氏度上下。发射率 0.90 以上的表面上,同样错十摄氏度只带来一摄氏度上下。这一项与发射率项同源,治理办法也一样。
GB/T 19870-2018 给的误差允许上限是 ±2 ℃ 或 ±2%,测温一致性再给一个 ±2 ℃ 量级,环境温度影响要求变化量不大于 2 ℃ 或测量值乘 2%,取两者中较大的。这几项合起来仍处在摄氏度量级。
目标与仪器之间那段大气既衰减又自发光,距离越远、湿度越大,这一项越大。电力巡检常在几米到十几米上作业,这一项通常远小于前两项,远距离或高湿环境下的测量要把它单独估一遍。
目标若填不满像元视场,读数会被背景稀释:空间分辨力 0.66 mrad 的镜头在十米距离上对应的可分辨尺寸约 6.6 mm,比这更小的目标测出来必然偏低。这一项与发射率无关,却同样表现为读数偏低,排查时要能分开。
排序很清楚:高发射率表面上,仪器项与空间分辨力项排在前头。低发射率目标上,发射率项与背景温度项压倒其余。现场把精力投在哪一项,取决于被测面是金属还是非金属。
对电瓷、橡胶、塑料、漆面这类非金属可以,偏差通常一两摄氏度。对金属不行。抛光铝在 80 ℃ 上按 0.95 设置,读数会偏低 48.6 ℃,凡是亮金属面、镀锌面、铝排、铝外壳,都要单独设,且设完之后要用贴片或接触法校一遍。
先看光泽。能映出轮廓的面取低档,落在 0.1 到 0.3 这一段。灰暗无光的氧化面取中档,落在 0.4 到 0.7。有漆膜、橡胶外套或厚锈层的取高值,取 0.9 以上,再看设备档案里的材质与涂装记录,有记录以记录为准。两头都不靠时取低档,再用实测校正。
两个都要写。报告里应给出测点的表面温度或经过校正的温度,同时注明该值是按哪一种方法取得的、校正前的直读值是多少,当时设定的发射率、背景温度又是多少。只写一个温度而不写取得方法,下一次复测的人无法复现,趋势随之断掉。
要,但先看两点是否同材质。若两者是同类设备的对应部位,材质相同、表面状态一致,δ 对发射率偏差基本免疫,可以不用回改;若两点材质或氧化程度不同,δ 会被拉高十个百分点上下,此时必须把两点的发射率分别定准再算。
先查发射率与背景温度这两项设置是否一致,再查距离与角度,末了才比对仪器本身。两台仪器的出厂指标都在 ±2 ℃ 量级,若差值到了十几摄氏度,问题几乎不会出在仪器上,而出在设置与测点选择上。
发射率这一项的特别之处在于,它把误差的方向也定死了。仪器自身那几项误差是双向的、随机的,多次测量能压下去,而发射率设错的偏差是单向的、系统的,测多少次都压不掉。设高了读数一律偏低,偏低的量随被测温度上升而放大,于是一批本该报缺的热点会一起沉进正常区间。
治理它的办法不在仪器上,在作业方法上。查表只能定起点,真正起作用的是现场那一步校正:贴片法、接触比对法、加热法、涂漆法,任选一种把值落到这一个测点上。背景温度要一并实测,它在低发射率目标上的权重并不比发射率小。
相对温差法能压住这一类偏差,但它压住的前提是热点与参考点同材质、同表面状态、同一设置。前提守住,δ 几乎不动。前提破了,δ 能失真十个百分点,发射率设错毁的主要是表面温度判据,可一旦两点材质不同,δ 也一起失真。
末了回到仪器这一侧。GB/T 19870-2018 给出的误差允许上限是 ±2 ℃ 或 ±2%,这个值是在黑体源上、在 23 ℃±5 ℃ 的环境里取得的,它管的是仪器,管不了被测表面。把这两笔账分开,才知道该换设备还是该改设置。北京康高特(KGT)阳明红外热像仪的波段覆盖 7.5 μm 到 14 μm,与标准推荐的长波范围一致,测温精度标为 ±2 ℃ 或 ±2% 读数,标准镜头空间分辨力 0.66 mrad,配三种视场镜头可选。仪器把自身那一项压到了摄氏度量级,剩下的那一部分,交给现场的设置与记录。