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1培训大纲一、红外基本理论：1．红外线的发现1800年英国物理学家赫胥尔（Herschel）在研究太阳光谱的热效应时发现：七色光中在红光谱的边界以外人眼看不见有任何光线的黑暗区，温度反而比红光区域的温度高。反复实验证明，在红光的外侧，确实存在一种人眼看不见的“热线”，后来称为“红外线”，又称“红外辐射”。红外线处于波长为0.76~1000μm之间。2．红外线的本质经研究表明：红外线是从物质内部发射出来，产生红外线的根源是物质内部运动。众所周知，物资是由原子、分子组成，它们按照一定的规律不断地做变速运动，因而不断向外辐射能量，这就是红外辐射现象。由此可见，红外辐射的物理本质是热辐射。这种辐射的能量主要由这个物体的温度和材料本身的性质决定，特别是热辐射的强度取决于辐射体的温度，也就是说，温度对热辐射现象起着决定性的作用。3．有关基本名词解释温度：反映物体原子活动的激烈程度。（微观）冰水混合物到水沸腾之间分为100等份每一份为1℃，红外线辐射的能量可用物体表面的温度来度量，辐射能量越大，物体的表面温度越高，反之亦然。常用衡量温度变化的温标有三种：1.华氏温标：°F2.摄氏温标：℃3.热力学温标：K几个温标之间的换算：℃=（°F–32）×5／9K=℃+273.15℃绝对零度0K=－273.5℃黑体：具有理想中最大辐射功率的物体，称为黑体。黑体所吸收的红外线能量与发射的红外线能量相等。即：Ia/Ib=1Ia—黑体在单位时间内吸收的红外线能量强度Ib—黑体在单位时间内发射的红外线能量温度2所谓的黑体其实并不存在，只能无限的接近于它，但设定这样的黑体，对研究红外热辐射规律是非常必要的。高温黑体1273K以上中温黑体223K~1273K低温黑体＜223K辐射率：当即个物体处于同一温度下，各物体的红外辐射功率与吸收的功率成正比。实际物体红外辐射的功率与相同条件下黑体红外辐射功率的比值，称为辐射率，又称为发射率，用符号ε表示，其比值是一个小于1的数。辐射率的影响因素：颜色、粗糙度、材质、温度、厚度、平整度有关。灰体：辐射率在0到1之间的物体。大气窗口：空气中的三原子气体（如O3、H2O、CO2等）对红外的吸收很强烈。只有三个波段的红外能透过大气窗口。1—2μm3—5μm8—14μm国外SW（高能波段）MWLW国内短波长波工作波段：工作波段是指红外热像仪的波谱响应范围。普朗克定律：P=δεT4红外热像仪测温、成像的核心。其中P是红外辐射功率，δ是普朗克系数，ε是辐射率，T是温度。维恩位移定律：λ=2897/T4．红外线的特性a.红外线是一种电磁波0.5纳米~0.76微米0.76~1000微米紫外线可见光红外线无线电波红外光与可见光相同的特性：红外线是一种电磁辐射，它也具有反射、折射、干涉、衍射和偏振，同时又具备粒子性，即它以光量子的形式发射和吸收。红外光与可见光不同的特性：红外线对人的眼睛不敏感，所以必须用红外线敏感的红外探测器才能接收到。红外光的能量比可见光弱，更容易被物质所吸收，穿透能力差。但对于薄雾来说，长波红3外线更容易通过。红外线的热效应比可见光要强得多。b.波长分布与物体表面的温度成反比。根据描述峰值波长与温度关系的维恩定律λ=2897/T，显然，高温测温宜采用较短的工作波长，低温测温宜采用较长的工作波长，对于电力设备由于大多目标尺寸小辐射能量低，一般的缺陷温度低于500K，应选择长波8—14μm的工作波长。短波仪器白天使用，受阳光干扰较大，太阳光发射的红外波长主要集中在短波，在5μm以后辐射变弱。与此同时，在石油化工方面，由于时常涉及火焰，而火焰是一种等离子气体，温度忽高忽低，成分复杂，能量主要集中在短波范围，短波仪器能清楚地看清火焰，但不能看清炉管，影响很大。波长最灵敏响应温度适用系统1-2μm1500K-3000K核反应堆3-5μm600K-1000K石油化工8-14μm400K电力消防二、红外热像仪技术理论1．红外热像仪成像原理红外探测器:感受红外辐射，将能量转化电信号，通过电子处理，最终转化人眼可见的红外图象。热电效应：产生三种变化2K0.002K变化信号设备型号探测器材料特点优点ΔUGD2000热释电管能较准确测定测温较准ΔRHY6000微热辐射器能精确测定测温准确ΔCNEC7102铁电材料很难测定很难测准4光电效应：2S2P电子从2S到2P跃迁，产生电荷。条件是必须制冷（-196℃），以确保原子核的稳定性，减少对电子的束缚力。2.非制冷焦平面探测器介绍焦平面探测器：新一代的热成像装置，在性能上大大优于光机扫描式热像仪，又逐步取代光机扫描式热像仪的趋势。关键技术使探测器由单片集成电路组成，被测目标的整个视野聚焦在这片选用了数万个性能接近的芯片上，使得图像更加清晰，使用更加方便，体积更加小巧轻便。热电材料（像素）320×240（HY6000）像素尺寸：即焦平面探测器中热电材料的大小。热电材料越小越好，尺寸越小，图像越清晰，灵敏度越高。45μm（HY6000）填充功率：热电材料的总面积占探测器表面总面积的百分比。比值越大探测器越好。有效像元数：热电材料中有效的像素数。探测器中或多或少有一些坏点或叫“盲点”。坏点越少，探测器性能越好。HY6000与PM525/595焦平面探测器的比较HY6000PM525PM595材料多晶硅VoxVOx尺寸45mm51mm51mm原子核焦平面探测器5填充因子80%65%65%有效像数元99%97%99%3．红外光学材料介绍红外镜头：能够将红外辐射能量聚焦到探测器上的特殊镜头。材料一般为锗单晶，表面镀金刚石，红外线透过率＞80%，或＞97%（加增透膜）。镜头材料透过波长透过率Ge8-1470%（不镀膜）96%（镀膜）单晶Si3-550%ZnSn3-550%PUC3-5；8-14＜50%Ge是红外长波仪器镜头最好的材料，价格昂贵，30000元/kg，1kg只能作成2个镜头。孔径比（f数）：光学系统相对孔径。A=F/DF为焦距，D为通光孔径。f数（即A值）越大，通光量越大。红外滤光片：对红外镜头起到过滤杂波或高温衰减的作用。4．热像仪基本参数介绍响应时间：即反映探测器变化快慢的量。频率为60Hz即1/60秒（HY6000）NECTH5100.65STVS1000.1S噪声等效温度分辨率：即MRTD值（主观量）。实验方法：标准温差源杆靶：温度任意调整43/4的人可以看到3/4的靶，该杆靶与背景的温差就是MRTD。最小可辩温度分辨率：NETD=ΔT/S/N，通过科学检测手段得出的客观数值（客观量）。一般情况下，MRTD数值＜NETD的数值。人眼的感觉总要比机器灵敏。以HY60006探测器为例，它的MRTD为0.08℃；而它的NETD则为0.1℃。空间分辨率：红外热像仪分辨物体的能力，单位mrad。半径为R的园，周长为2πR如果目标距离热像仪为1000m，则空间分辨率为1mrad的热像仪（HY6000）可以分辨的目标直径为：1mrad×1000=1m红外侧温技术：通过黑体的标准温度，对应能量与温度的表格反查。（标定法）测温范围（量程）：黑体的温度光圈衰减片测温精度：读数与实际温度的差别，用量程的百分比表示。影响测温的因素：环境温度、背景、辐射率、相对湿度实际上，我们是不可能通过红外来测出物体的精确温度的。电力系统红外导则有“相对温度测试法”。三、热像仪的简介1．热像仪的分类与划代第一代：点阵式光机扫描。（32×32、64×64）八棱镜（水平扫描）三棱镜（垂直扫描）第二代：阵列式光机扫描（288×4）三棱镜（垂直扫描）探测器（阵列式）7第三代：焦平面热像仪，无需扫描系统。热电材料称为微热辐射计“Microbolometer”材料多晶硅、Vox热电视热释电管：“热释电系列”材料TGS（GD2000）、“铁电系列”BST—++注释：温度升高，膨胀使正负电核的电距加大，外面的电子来不及中和，产生电荷。2.制冷与非制冷型红外热像仪MCT碲镉汞致冷光电效应军用材料InSb碲化铟PbSi硅化铂非致冷热电效应民用材料VOxSi致冷的工作温度为-196℃，几种致冷方式：1、氮：杜瓦瓶。如AGA4782、T-J节流：大气瓶，气体在突然间膨胀吸收大量的热，达到致冷的效果。3、半导体：致冷的温度不够低4、斯特林致冷：压缩机冰箱，把探测器放在冰箱里，用He气、电池，温度可达-196℃。如：AGEMA550缺点：1、2是分体式，很笨重。3温度不够低，效率低下。4是最常用的，有以下缺点：寿命短2500小时，换一个致冷机需要20万。He气会逐渐漏光，新机开机只需要3分钟，以后逐渐变慢，两年后得半小时，最后可能启动不了。受环境影响很大，尤其是天气太热，散热不良，必须强迫开机，制冷设备寿命更短。而非制冷探测器的寿命在10000小时左右。+—83．热像仪工作原理图光线4．衡量热像仪先进性的主要内容a．主要热像参数：温度分辨率、像素、有效像元数等b．热像仪的功能及操作系统c．整机结构设计d．图像后处理系统及附件四、使用热像仪的优势-便捷!热像仪可快速提供温度测量，在用热偶读取一个渗漏连接点的时间内，用热像仪几乎可以读取所有连接点的温度。另外由于热像仪坚实.轻巧，且不用时易于放在皮套中。所以当你在工厂巡视和日常检验工作时都可携带。-精确!热像仪的另一个先进之处是精确，通常精度都是2度以内。这种性能在你做预防性维护时特别重要，如监视恶劣生产条件和将导致设备损坏或停机的特别事件时。因为大多数的设备和工厂运转365天，停机等同于减少收入，要防止这样的损失，通过扫描所有现场电子设备-断路器、变压器、保险丝、开关、总线和配电盘以查找热点。用热像仪，你甚至可快速探测操作温度的微小变化，在其萌芽之时就可将问题解决，减少因设备故障造成的开支和维修的范围。-安全!安全是使用热像仪最重要的益处。不同于接触测温仪，热像仪能够安全地读取难以接近的或不可到达的目标温度，你可以在仪器允许的范围内读取目标温度。非接触温度测量还可在不安全的或接触测温较困难的区域进行，像蒸汽阀门或加热炉附近，他们不需在冒接触测温时一不留神就烧伤手指的风险。高于头顶10米的供/回风口温度的精确测量就象在手边测量一样容易。热像仪一般都带有激光瞄准，便于识别目标区域。有了它你的工作变的轻松多了。热像仪使用的主要领域（民用）光学镜头探测器电子处理储存电源屏幕显示9电力检测工业检测/过程控制石化行业检测安防搜救监控矿用检测车载夜视医疗检验建筑节能检测