材料之放射率值在非接觸式紅外線溫度量測上，扮演著舉足輕重的角色，尤其對具低放射率之材料或高溫狀態下之材料的紅外線溫度量測誤差更為明顯。而全球在解決因材料放射率改變而造成之紅外線溫度量測誤差問題上，也有著多種不同之對策，如演算法補償、資料庫補償等。
本文中展示一個材料放射率驗證環境，用以實驗取得材料在不同溫度下之放射率值，此放射率-溫度特性曲線將可作為非接觸式紅外線溫度量測之輸出補償參考。此放射率驗證環境可使用於高達1,200˚C，環境溫度控制穩定度在10˚C（@1,200˚C溫度設定），基於文獻上之現有資料比對，此驗證環境之可能量測不確定性約為3˚C（@1,200˚C溫度設定）。
‧材料之放射率
‧放射率驗證環境
‧放射率驗證評估
‧國際作法
‧總結
【內文精選】
材料之放射率
放射率（Emissivity，代號ε）廣義上指的是「物體輻射的能量與同溫度的黑體(Black Body)輻射能量之比值」，它是物質吸收與輻射能量能力的指標。一般廣泛的理解，材料依據放射率之屬性，大約可廣義地被區分為下列三類：放射率恆定為1者，且該材料之放射率值不會隨著該材料之溫度或所量測溫度之紅外線(Infrared)波長改變/不同而變化，稱為黑體(Black Body)材料，也就是說材料之輻射能可以百分之百地被放射出來，亦即材料所吸收之輻射能等於放射出來之輻射能，此時紅外線感測元件之溫度輸出值，在無輻射能傳遞空間之衰減輻射能訊號強度下，就相等於待測物實際的溫度值。第二類為放射率為恆定固定值且小於1者，則稱為灰體(Gray Body)材料，依據前敘非接觸紅外線模組之學理說明，環境或背景輻射源將與紅外線感測元件之溫度輸出值變異有關聯性存在。最後一類材料廣泛地通稱為選擇性材料(Selective Materials)，大多數材料的放射性特性皆歸為此類，此類材料之放射率不是一個固定值，該類材料的放射率隨著不同之外在或內在條件不同而有不同，一般的金屬類材料大多屬於此類。圖一為材料放射率特性說明示意圖。
圖一、材料放射率特性說明示意圖
放射率驗證評估
高週波感應加熱是根據法拉第定律(Faraday Law)，當電流通過線圈，線圈內及周圍會產生磁場，磁場強度取決於線圈設計以及流經線圈的電流量，被加工物件壓在加有高頻電磁場的電極之間，其內部分子被激化而高速運動相互磨擦自身產生熱量而達到被加熱的目的。由於控制電流之瞬間開關即可能引發相對高的感應加熱效果，因此在整個系統之加熱穩定度控制是一個相當大之挑戰。圖五、圖六分別為此放射率驗證環境中，針對不鏽鋼304材料待測物試片，在800˚C及1,200˚C之加熱溫度設定下的加熱溫度控制曲線圖，由溫度控制曲線資訊可得知，此放射率驗證環境之加熱控制誤差約在10˚C左右。
圖六、驗證環境之1,200˚C加熱溫度控制曲線圖，(a)加熱控制30分鐘後；(b)加熱控制2小時後
10˚C放射率驗證環境之加熱控制變異範圍，其所造成之放射率量測誤差必須被探討。由於目前相關特定材料之完整放射率-溫度曲線資料庫訊息，皆被全球知名紅外線溫度感測器廠商視為自家之機密檔案，少有外流與發表，而目前由學者投稿期刊與材料手冊(Hand Book)收錄之資訊也片片斷斷，無法取得一完整之特定材料組成的放射率-溫度曲線資料。表一為自一有關熱傳教科書中所摘錄之放射率-溫度的實驗數據整理表，其中以色框所框列的是有關有拋光加工與原始清潔表面之不鏽鋼材料，在400~1,000開氏溫標(Kelvin, K)溫度範圍內之放射率量測值。
國際作法
全球在解決因材料放射率改變而造成之紅外線溫度量測誤差問題上，有著多種不同之對策，如演算法補償、資料庫補償等，接下來就幾個較具特色之產品內容與作法摘要式地說明。
美國Exergen公司之專利自動放射率補償系統(Automatic Emissivity Compensation System; AECS)設計(圖八)，其作法為採用人工之無反射腔罩探頭結構設計，接觸式地罩住整個待測物之紅外線感測局部區域，用來創造類似黑體（也就是該區域無環境輻射源的輻射能）所反映出來的輻射能值之紅外線檢測區域，如此一來將可屏除待測物表面反射率所造成的紅外線溫度感測輸出誤差。另一方面，由於該感測方式須採用接觸式人工之無反射腔罩探頭結構設計，因此可適用之感測溫度範圍相對...…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
作者：陳榮泰、陳志仁、柯呈達、蔡淙宇／工研院微系統中心
★本文節錄自「工業材料雜誌」380期，更多資料請見下方附檔。