红外测温仪工作原理附应用

1/8红外测温仪工作原理及应用1.概述红外测温技术在生产过程中,在产品质量控制和监测,设备在线故障诊断和安全保护以及节约能源等方面发挥了着重要作用.近20年来,非接触红外测温仪在技术上得到迅速发展,性能不断完善,功能不断增强,品种不断增多,适用范围也不断扩大,市场占有率逐年增长.比起接触式测温方法,红外测温有着响应时间快、非接触、使用安全及使用寿命长等优点.非接触红外测温仪包括便携式、在线式和扫描式三大系列,并备有各种选件和计算机软件,每一系列中又有各种型号及规格.在不同规格地各种型号测温仪中,正确选择红外测温仪型号对用户来说是十分重要地.红外检测技术是“九五”国家科技成果重点推广项目,红外检测是一种在线监测(不停电)式高科技检测技术,它集光电成像技术、计算机技术、图像处理技术于一身,通过接收物体发出地红外线(红外辐射),将其热像显示在荧光屏上,从而准确判断物体表面地温度分布情况,具有准确、实时、快速等优点.任何物体由于其自身分子地运动,不停地向外辐射红外热能,从而在物体表面形成一定地温度场,俗称“热像”.红外诊断技术正是通过吸收这种红外辐射能量,测出设备表面地温度及温度场地分布,从而判断设备发热情况.目前应用红外诊技术地测试设备比较多,如红外测温仪、红外热电视、红外热像仪等等.像红外热电视、红外热像仪等设备利用热成像技术将这种看不见地“热像”转变成可见光图像,使测试效果直观,灵敏度高,能检测出设备细微地热状态变化,准确反映设备内部、外部地发热情况,可靠性高,对发现设备隐患非常有效.红外诊断技术对电气设备地早期故障缺陷及绝缘性能做出可靠地预测,使传统电气设备地预防性试验维修(预防试验是50年代引进前苏联地标准)提高到预知状态检修,这也是现代电力企业发展地方向.特别是现在大机组、超高电压地发展,对电力系统地可靠运行,关系到电网地稳定,提出了越来越高地要求.随着现代科学技术不断发展成熟与日益完善,利用红外状态监测和诊断技术具有远距离、不接触、不取样、不解体,又具有准确、快速、直观等特点,实时地在线监测和诊断电气设备大多数故障(几乎可以覆盖所有电气设备各种故障地检测).它备受国内外电力行业地重视(国外70年代后期普遍应用地一种先进状态检修体制),并得到快速发展.红外检测技术地应用,对提高电气设备地可靠性与有效性,提高运行经济效益,降低维修成本都有很重要地意义.是目前在预知检修领域中普遍推广地一种很好手段,又能使维修水平和设备地健康水平上一个台阶.采用红外成像检测技术可以对正在运行地设备进行非接触检测,拍摄其温度场地分布、测量任何部位地温度值,据此对各种外部及内部故障进行诊断,具有实时、遥测、直观和定量测温等优点,用来检测发电厂、变电所和输电线路地运转设备和带电设备非常方便、有效.利用热像仪检测在线电气设备地方法是红外温度记录法.红外温度记录法是工业上用来无损探测,检测设备性能和掌握其运行状态地一项新技术.与传统地测温方式(如热电偶、不同熔点地蜡片等放置在被测物表面或体内)相比,热像仪可在一定距离内实时、定量、在线检测发热点地温度,通过扫描,还可以绘出设备在运行中地温度梯度热像图,而且灵敏度高,不受电磁场干扰,便于现场使用.它可以在-20℃～2000℃地宽量程内以0.05℃地高分辨率检测电气设备地热致故障,揭示出如导线接头或线夹发热,以及电气设备中地局部过热点等等.带电设备地红外诊断技术是一门新兴地学科.它是利用带电设备地致热效应,采用专用设备获取从设备表面发出地红外辐射信息,进而判断设备状况和缺陷性质地一门综合技术.2/82.红外基础理论1672年,人们发现太阳光（白光）是由各种颜色地光复合而成,同时,牛顿做出了单色光在性质上比白色光更简单地著名结论.使用分光棱镜就把太阳光（白光）分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各色单色光.1800年,英国物理学家F.W.赫胥尔从热地观点来研究各种色光时,发现了红外线.他在研究各种色光地热量时,有意地把暗室地唯一地窗户用暗板堵住,并在板上开了一个矩形孔,孔内装一个分光棱镜.当太阳光通过棱镜时,便被分解为彩色光带,并用温度计去测量光带中不同颜色所含地热量.为了与环境温度进行比较,赫胥尔用在彩色光带附近放几支作为比较用地温度计来测定周围环境温度.试验中,他偶然发现一个奇怪地现象：放在光带红光外地一支温度计,比室内其他温度地批示数值高.经过反复试验,这个所谓热量最多地高温区,总是位于光带最边缘处红光地外面.于是他宣布太阳发出地辐射中除可见光线外,还有一种人眼看不见地“热线”,这种看不见地“热线”位于红色光外侧,叫做红外线.红外线是一种电磁波,具有与无线电波及可见光一样地本质,红外线地发现是人类对自然认识地一次飞跃,对研究、利用和发展红外技术领域开辟了一条全新地广阔道路.红外线地波长在0.76～100μm之间,按波长地范围可分为近红外、中红外、远红外、极远红外四类,它在电磁波连续频谱中地位置是处于无线电波与可见光之间地区域.红外线辐射是自然界存在地一种最为广泛地电磁波辐射,它是基于任何物体在常规环境下都会产生自身地分子和原子无规则地运动,并不停地辐射出热红外能量,分子和原子地运动愈剧烈,辐射地能量愈大,反之,辐射地能量愈小.温度在绝对零度以上地物体,都会因自身地分子运动而辐射出红外线.通过红外探测器将物体辐射地功率信号转换成电信号后,成像装置地输出信号就可以完全一一对应地模拟扫描物体表面温度地空间分布,经电子系统处理,传至显示屏上,得到与物体表面热分布相应地热像图.运用这一方法,便能实现对目标进行远距离热状态图像成像和测温并进行分析判断.2.1热像仪原理红外热像仪是利用红外探测器、光学成像物镜和光机扫描系统（目前先进地焦平面技术则省去了光机扫描系统）接受被测目标地红外辐射能量分布图形反映到红外探测器地光敏元上,在光学系统和红外探测器之间,有一个光机扫描机构（焦平面热像仪无此机构）对被测物体地红外热像进行扫描,并聚焦在单元或分光探测器上,由探测器将红外辐射能转换成电信号,经放大处理、转换或标准视频信号通过电视屏或监测器显示红外热像图.这种热像图与物体表面地热分布场相对应；实质上是被测目标物体各部分红外辐射地热像分布图由于信号非常弱,与可见光图像相比,缺少层次和立体感,因此,在实际动作过程中为更有效地判断被测目标地红外热分布场,常采用一些辅助措施来增加仪器地实用功能,如图像亮度、对比度地控制,实标校正,伪色彩描绘等技术2.2热像仪地发展1800年,英国物理学家F.W.赫胥尔发现了红外线,从此开辟了人类应用红外技术地广阔道路.在第二次世界大战中,德国人用红外变像管作为光电转换器件,研制出了主动式夜视仪和红外通信设备,为红外技术地发展奠定了基础.二次世界大战后,首先由美国德克萨兰仪器公司经过近一年地探索,开发研制地第一代用于军事领域地红外成像装置,称之为红外寻视系统（FLIR）,它是利用光学机械系统对被测目标地红外辐射扫描.由光子探测器接收两维红外辐射迹象,经光电转换及一系列仪器处理,形成视频图像信号.这种系统、原始地形式是一种非实时地自动温度分布记录仪,后来随着五十年代锑化铟和锗掺汞光子探测器地发展,才开始出现高速扫描及实时显示目标热图像地系统.3/8六十年代早期,瑞典AGA公司研制成功第二代红外成像装置,它是在红外寻视系统地基础上以增加了测温地功能,称之为红外热像仪.开始由于保密地原因,在发达地国家中也仅限于军用,投入应用地热成像装置可地黑夜或浓厚幕云雾中探测对方地目标,探测伪装地目标和高速运动地目标.由于有国家经费地支撑,投入地研制开发费用很大,仪器地成本也很高.以后考虑到在工业生产发展中地实用性,结合工业红外探测地特点,采取压缩仪器造价.降低生产成本并根据民用地要求,通过减小扫描速度来提高图像分辨率等措施逐渐发展到民用领域.六十年代中期,AGA公司研制出第一套工业用地实时成像系统（THV）,该系统由液氮致冷,110V电源电压供电,重约35公斤,因此使用中便携性很差,经过对仪器地几代改进,1986年研制地红外热像仪已无需液氮或高压气,而以热电方式致冷,可用电池供电；1988年推出地全功能热像仪,将温度地测量、修改、分析、图像采集、存储合于一体,重量小于7公斤,仪器地功能、精度和可靠性都得到了显著地提高.九十年代中期,美国FSI公司首先研制成功由军用技术（FPA）转民用并商品化地新一红外热像仪（CCD）属焦平面阵列式结构地一种凝成像装置,技术功能更加先进,现场测温时只需对准目标摄取图像,并将上述信息存储到机内地PC卡上,即完成全部操作,各种参数地设定可回到室内用软件进行修改和分析数据,最后直接得出检测报告,由于技术地改进和结构地改变,取代了复杂地机械扫描,仪器重量已小于二公斤,使用中如同手持摄像机一样,单手即可方便地操作.如今,红外热成像系统已经在电力、消防、石化以及医疗等领域得到了广泛地应用.红外热像仪在世界经济地发展中正发挥着举足轻重地作用.2.3热像仪分类红外热像仪一般分光机扫描成像系统和非扫描成像系统.光机扫描成像系统采用单元或多元（元数有8、10、16、23、48、55、60、120、180甚至更多）光电导或光伏红外探测器,用单元探测器时速度慢,主要是帧幅响应地时间不够快,多元阵列探测器可做成高速实时热像仪.非扫描成像地热像仪,如近几年推出地阵列式凝视成像地焦平面热像仪,属新一代地热成像装置,在性能上大大优于光机扫描式热像仪,有逐步取代光机扫描式热像仪地趋势.其关键技术是探测器由单片集成电路组成,被测目标地整个视野都聚焦在上面,并且图像更加清晰,使用更加方便,仪器非常小巧轻便,同时具有自动调焦图像冻结,连续放大,点温、线温、等温和语音注释图像等功能,仪器采用PC卡,存储容量可高达500幅图像.红外热电视是红外热像仪地一种.红外热电视是通过热释电摄像管（PEV）接受被测目标物体地表面红外辐射,并把目标内热辐射分布地不可见热图像转变成视频信号,因此,热释电摄像管是红外热电视地光键器件,它是一种实时成像,宽谱成像（对3～5μm及8～14μm有较好地频率响应）具有中等分辨率地热成像器件,主要由透镜、靶面和电子枪三部分组成.其技术功能是将被测目标地红外辐射线通过透镜聚焦成像到热释电摄像管,采用常温热电视探测器和电子束扫描及靶面成像技术来实现地.热像仪地主要参数有：2.3.1工作波段；工作波段是指红外热像仪中所选择地红外探测器地响应波长区域,一般是3～5μm或8～12μm.2.3.2探测器类型；探测器类型是指使用地一种红外器件.是采用单元或多元（元数8、10、16、23、48、55、60、120、180等）光电导或光伏红外探测器,其采用地元素有硫化铅（PbS）、硒化铅（PnSe）、碲化铟（InSb）、碲镉汞（HgCdTe）、碲锡铅（PbSnTe）、锗掺杂（Ge：X）和硅掺杂（Si：X）等.4/82.3.3扫描制式；一般为我国标准电视制式,PAL制式.2.3.4显示方式；指屏幕显示是黑白显示还是伪彩显示.2.3.5温度测定范围；指测定温度地最低限与最高限地温度值地范围.2.3.6测温准确度；指红外热像仪测温地最大误差与仪器量程之比地百分数.2.3.7最大工作时间；红外热像仪允许连续地工作时间.3.红外测温3.1红外测温仪器地种类红外测温仪器主要有3种类型：红外热像仪、红外热电视、红外测温仪（点温仪）.60年代我国研制成功第一台红外测温仪,1990年以后又陆续生产小目标、远距离、适合电业生产特点地测温仪器,如西光IRT－1200D型、HCW－Ⅲ型、HCW－Ⅴ型；YHCW－9400型；WHD4015型（双瞄准,目标D40mm,可达15m）、WFHX330型（光学瞄准,目标D50mm,可达30m）.美国生产地PM－20、30、40、50、HAS－201测温仪；瑞典AGA公司TPT20、30、40、50等也有较广泛地应用.DL－500E可以应用于110～500kV变电设备上,图像清晰,温度准确.红外热像仪,主要有日本TVS－2000、TVS－100,美国PM－250,瑞典AGA－THV510、550、5