导读
使用红外测温仪测量一个物体时，仪器可能显示“120.0 ℃”，但这并不意味着被测表面的真实温度一定恰好等于 120.0 ℃。
任何实际测量都存在一定程度的不确定性。对于红外测温而言，这种不确定性不仅与仪器本身的性能有关，还可能受到被测材料发射率、反射背景温度、测量距离、目标尺寸、测量角度以及环境条件等因素影响。
因此，在要求较高的温度测量应用中，仅知道仪器显示了多少温度还不够，还需要进一步了解：这个测量结果的可信范围有多大。
这就是测量不确定度（Measurement Uncertainty）需要解决的问题。
本文重点
● 测量不确定度表示对测量结果可信程度的量化评价。
● 不确定度不是“测量错误”，也不能简单等同于仪器标称精度。
● 红外测温的不确定度通常来自仪器、被测目标、环境和测量方法等多个方面。
● 发射率和反射背景温度通常是红外测温中特别重要的不确定度来源。
● 测量距离过远、目标小于测量光斑、测量角度过大，都可能增加最终测量结果的不确定性。
● 在专业测量中，可以通过建立不确定度预算，对各项影响因素进行综合评价。
什么是测量不确定度？
测量不确定度可以理解为：根据现有测量条件，对被测量真实值可能分布范围的量化描述。
例如，对某个表面进行红外测温后得到：
120.0 ℃
经过对仪器、发射率、环境以及测量重复性等因素进行综合评价，最终结果可能表示为：
120.0 ℃ ± 2.0 ℃
这里的“±2.0 ℃”如果是按照规定方法计算得到的扩展不确定度，就表示测量结果存在一个经过量化评估的合理变化范围。
需要注意，这并不是说真实温度一定在简单意义上的“118～122 ℃”之间，更不是说仪器产生了 2 ℃的测量错误。严格来说，不确定度应同时说明采用的评价方法、置信水平或覆盖因子等条件。
对于一般工业应用，可以把它理解为：不确定度越小，说明我们对当前测量结果的可信程度越高。
测量不确定度和测量误差有什么区别？
这两个概念很容易混淆。
测量误差表示：
测量结果 − 参考值或真实值
例如，标准温度为 100.0 ℃，仪器测得 101.2 ℃，在参考值已知的情况下，可以说这次测量相对于参考值存在约 +1.2 ℃的偏差。
但在大多数实际测量中，被测物体的“真实温度”并不能被完全准确地知道，因此也无法直接知道真正的测量误差是多少。
测量不确定度解决的是另一个问题：
我们对于测量结果究竟有多大把握？
所以：
● 误差描述的是测量结果与参考值之间的差异；
● 不确定度描述的是对测量结果可信程度的评价；
● 已知系统偏差可以在一定条件下进行修正；
● 即使进行了修正，测量结果通常仍然存在不确定度。
因此，不能简单地把“误差”和“不确定度”当成同一个概念。
测量不确定度和仪器精度有什么区别？
红外测温仪说明书中通常会标注测量精度，例如：
±1.5 ℃
或者：
±1.5% of reading
这属于仪器的性能指标之一，但它并不等同于一次实际红外测温的全部测量不确定度。
实际测量结果还可能受到：
● 发射率设定；
● 被测表面的反射；
● 测量距离；
● 光斑大小；
● 环境温度；
● 测量角度；
● 大气吸收；
● 目标温度分布；
● 测量重复性；
等因素影响。
因此：
仪器精度只是测量不确定度的重要来源之一，而不是全部。
即使使用一台标称精度非常高的红外测温仪，如果发射率设置错误或者测量光斑超出了目标范围，最终实际测量的不确定度仍然可能很大。
红外测温的不确定度主要来自哪些方面？
红外测温与接触式温度测量相比有一个明显特点：仪器并不是直接接触目标，而是根据目标表面接收到的红外辐射推算温度。
因此，任何影响红外辐射接收和温度换算的因素，都可能成为不确定度来源。
通常可以将主要因素分成以下几类。
● 仪器因素：包括红外测温仪本身的测量精度、分辨率、重复性、长期稳定性、探测器性能以及校准状态等。
● 目标因素：包括表面发射率、表面粗糙度、氧化状态、颜色和涂层、目标尺寸以及表面温度是否均匀等。
● 环境因素：包括环境温度、附近高温物体产生的反射辐射、空气中的水汽、烟雾、粉尘以及仪器自身温度变化等。
● 测量方法因素：包括测量距离、D:S 距离系数、测量角度、目标是否完全覆盖测量光斑以及操作人员使用方法等。
不同应用中，各因素的重要程度并不相同。
为什么发射率是不确定度的重要来源？
发射率是红外测温中最关键的参数之一。
红外测温仪通过接收目标表面的红外辐射计算温度，而不同材料表面发射红外辐射的能力并不相同。
如果目标真实发射率为 0.80，而仪器设置为 0.95，仪器在进行辐射信号与温度之间的换算时就会产生偏差。
尤其是在以下表面上，需要更加注意：
● 抛光金属；
● 光亮铝材；
● 不锈钢表面；
● 铜材；
● 镀层表面；
● 表面状态不断变化的材料。
相比之下，油漆、橡胶、塑料、纸张以及多数非金属材料通常具有相对较高的发射率，测量条件往往更加稳定。
因此，在低发射率材料测量中，发射率的不确定性本身可能成为整个测量不确定度中的主要贡献项。
为什么反射背景温度也会影响不确定度？
实际红外测温仪接收到的辐射并不一定全部由目标自身产生。
对于不透明物体，可以近似理解为：
目标自身发射的辐射 + 表面反射的环境辐射
特别是低发射率、高反射率的金属表面，很容易反射周围的：
● 加热炉；
● 高温管道；
● 加热元件；
● 人体；
● 天花板；
● 墙面；
● 其他高温设备。
如果这些反射辐射进入红外测温仪的视场，就可能影响最终温度结果。
如果周围热环境本身又在不断变化，那么这种影响更加难以确定，相应的不确定度也会增加。
这也是为什么在高精度红外测温应用中，除了考虑发射率之外，还需要评估反射背景温度。
测量距离为什么会影响不确定度？
红外测温仪具有一定的光学视场，其测量区域通常会随着距离增加而扩大。
仪器常通过 D:S（Distance-to-Spot Ratio，距离与光斑直径比）描述这一特性。
例如，一台 D:S 为 12:1 的红外测温仪，在理想情况下距离目标约 1200 mm 时，对应的测量光斑直径约为 100 mm。
如果目标本身只有 50 mm，而测量光斑已经达到 100 mm，那么仪器接收到的红外辐射就可能同时包含：
● 被测目标；
● 背景；
● 周围结构。
此时仪器显示的温度已经不能完全代表目标本身。
因此，为了降低这一因素带来的不确定性，实际测量时通常应保证被测目标明显大于测量光斑，而不能只让目标刚好覆盖理论光斑范围。
测量角度为什么也会增加不确定性？
理想情况下，红外测温仪应尽可能接近垂直方向测量目标表面。
随着测量角度逐渐偏离表面法线：
● 测量光斑会发生拉伸；
● 实际覆盖区域增大；
● 某些材料的有效发射率可能发生变化；
● 表面反射方向也可能发生变化。
对于粗糙、高发射率的非金属材料，这种影响在小角度范围内可能并不明显。
但对于光滑金属、低发射率材料以及需要较高测量精度的应用，角度变化可能明显增加测量不确定度。
环境温度会怎样影响测量不确定度？
红外测温仪自身也具有工作环境温度范围。
如果仪器突然从低温环境进入高温环境，或者从空调房进入高温生产现场，仪器内部光学系统、探测器和电子电路可能需要一定时间达到新的热平衡状态。
在尚未稳定之前进行测量，可能增加测量结果的不确定性。
此外，环境温度还可能通过以下方式产生影响：
● 改变仪器内部温度；
● 改变反射背景辐射；
● 引起目标自身温度变化；
● 产生空气热流；
● 导致镜头结露或污染。
因此，在高精度测量中，应尽量让仪器适应当前环境后再开始正式测量。
重复测量为什么仍然有价值？
对同一个稳定目标连续测量多次，得到的结果可能并不完全相同，例如：
120.1 ℃
120.3 ℃
120.2 ℃
120.4 ℃
120.2 ℃
这种测量结果之间的离散程度可以用于评价测量的重复性。
在测量不确定度分析中，这类通过重复观测并利用统计方法评价的不确定度，通常可以作为A 类评定的一部分。
而仪器校准证书、制造商精度参数、发射率资料、环境条件估计等非统计来源，则通常采用B 类评定进行评价。
最终将不同来源的标准不确定度综合起来，得到整个测量结果的综合标准不确定度。
什么是不确定度预算？
在专业计量或实验室测量中，通常不会简单说“估计误差大约是 ±2 ℃”，而是建立一个不确定度预算（Uncertainty Budget）。
例如，一次红外测温可能需要考虑：
● 仪器校准产生的不确定度；
● 仪器分辨率；
● 仪器重复性；
● 发射率设定；
● 反射背景温度；
● 测量距离和光斑尺寸；
● 环境温度变化；
● 目标温度不均匀性。
然后分别评估这些因素对应的标准不确定度，并按照适当的方法进行合成。
得到综合标准不确定度后，可以进一步计算扩展不确定度：
U = k × u₍c₎
其中：
● U 为扩展不确定度；
● u₍c₎ 为合成标准不确定度；
● k 为覆盖因子。
在很多常见应用中会采用约 k = 2 的覆盖因子，对应接近 95% 的覆盖概率，但具体使用条件应根据测量模型和不确定度分布确定，不能机械套用。
一个简单的红外测温不确定度示例
假设使用红外测温仪测量某设备表面，仪器显示：
150.0 ℃
经过评估，主要不确定度来源包括仪器校准、重复性、发射率设定以及反射背景温度等。
综合计算后，如果扩展不确定度为：
U = 2.5 ℃，k = 2
那么测量结果可以写成：
150.0 ℃ ± 2.5 ℃（k = 2）
这种表达方式比单独写“150.0 ℃”提供了更多信息。
它告诉使用者的不只是测量值，还包括在当前测量方法和条件下，对该结果可信程度的量化评价。
需要注意，这个 ±2.5 ℃并不是红外测温仪本身的“精度参数”，而是综合多个不确定度来源后得到的结果。
如何降低红外测温的不确定度？
实际应用中，可以从测量条件和操作方法两个方面降低不确定度。
● 根据被测材料合理设置发射率，不要对所有材料统一使用同一个发射率。
● 对低发射率金属表面特别注意周围热源产生的反射辐射。
● 尽量缩短不必要的测量距离，确保目标充分覆盖测量光斑。
● 尽可能接近垂直方向测量目标表面。
● 避免透过普通玻璃、塑料窗口或未知红外透射材料进行测量。
● 尽量减少蒸汽、烟雾、粉尘等对红外辐射传播的影响。
● 仪器进入温差较大的新环境后，应给予适当时间达到热稳定。
● 对关键测量点进行多次重复测量，而不是完全依赖单次读数。
● 对高精度应用，应定期使用可追溯的参考设备或黑体辐射源进行校准或验证。
● 对重要测量任务建立固定的测量距离、角度、发射率和测量位置，减少人为变化。
为什么不能只看红外测温仪的标称精度？
假设两台红外测温仪的标称精度分别为：
仪器 A：±1.0 ℃
仪器 B：±1.5 ℃
从参数上看，仪器 A 的精度更高。
但是，如果实际测量时：
● 仪器 A 的发射率设置错误；
● 测量距离过远；
● 目标没有完全覆盖测量光斑；
● 周围存在明显高温反射源；
而仪器 B 的测量条件控制得更加合理，那么仪器 B 得到的实际结果反而可能更加可信。
因此，评价红外测温质量不能只比较仪器规格表中的精度数值。
仪器性能决定了测量能力的基础，而正确的测量条件决定了这种能力能否真正实现。
哪些应用更需要关注测量不确定度？
普通设备巡检时，使用者可能只需要判断设备表面是 40 ℃还是 100 ℃，此时没有必要对每一个读数建立完整的不确定度预算。
但以下应用通常更加需要关注测量不确定度：
● 实验室温度测量；
● 产品研发和测试；
● 温度校准；
● 工艺温度验证；
● 高温工业过程；
● 质量控制；
● 多台仪器测量结果比对；
● 不同实验室之间的数据比较；
● 对测量结果具有明确允差要求的检测任务。
测量要求越严格，越不能只关注显示值本身，而应同时考虑测量结果的可信范围。
FAQ
红外测温仪显示 100 ℃，真实温度就是 100 ℃吗？
不一定。100 ℃是仪器根据接收到的红外辐射以及当前参数计算得到的测量结果。仪器精度、发射率、反射背景温度、测量距离和环境条件等因素都会影响实际结果，因此测量值本身存在一定的不确定度。
测量不确定度是不是越小越好？
在其他条件相同的情况下，不确定度越小，通常表示测量结果的可信程度越高。但降低不确定度往往需要更好的仪器、更严格的环境控制、更完善的校准以及更加规范的测量方法。
仪器精度 ±1.5 ℃，是不是测量不确定度就是 ±1.5 ℃？
不是。±1.5 ℃通常只是仪器性能规格。实际测量不确定度还可能包括校准、重复性、发射率、反射背景、测量距离、环境条件等因素。
每次使用红外测温仪都需要计算不确定度吗？
不需要。普通工业巡检和一般故障排查通常不需要进行完整的不确定度计算。但对于实验室、校准、质量控制或具有明确测量允差要求的应用，进行系统的不确定度评价具有重要意义。
发射率和仪器精度哪个对不确定度影响更大？
没有固定答案，需要根据具体测量对象判断。对于高发射率、表面稳定的材料，仪器自身性能可能占较大比例；对于抛光金属等低发射率表面，发射率和反射背景温度的不确定性可能远大于仪器本身的标称精度。
总结
红外测温中的测量不确定度，并不是简单描述仪器“可能测错多少”，而是用于评价测量结果可信程度的重要计量概念。
红外测温的不确定度通常来自多个方面，包括仪器精度和校准状态、测量重复性、目标表面发射率、反射背景温度、目标尺寸、测量距离、测量角度以及环境条件等。
其中，红外测温与接触式测温最大的区别之一，就是测量结果高度依赖目标表面的辐射特性。因此，即使使用高精度红外测温仪，如果发射率、光斑覆盖范围或反射背景等条件控制不当，实际测量结果仍可能具有较大的不确定性。
对于一般现场检测，正确设置发射率、控制测量距离和角度、确保目标充分覆盖测量光斑以及保持稳定的测量环境，通常已经能够明显提高结果可靠性。
而对于实验室、校准、质量控制和高精度工业测量，则应进一步建立完整的不确定度预算，将不同影响因素纳入统一的量化评价体系。
