红外检测技术介绍及应用

彼岸科仪有限公司广州办事处技术部–李梦2010年12月24日用分光棱镜将太阳光分解成从红色到紫色的单色光，依次测量不同颜色光的热效应。他发现，当水银温度计移到红色光边界以外，人眼看不见任何光线的黑暗区的时候，温度反而比红光区更高。反复试验证明，在红光外侧，确实存在一种人眼看不见的“热线”，后来称为“红外线”，也就是“红外辐射”。红外线的发现--1800年WilliamHerschel红外线就在我们身边！任何温度高于绝对零度（-273.16K）的物体都会发出红外线。比如冰块也会辐射红外线。不论是白天还是夜晚红外辐射都在我们的身边。电磁辐射频谱图通常把波长大于红色光线波长0.75µm，小于1000µm的这一段电磁波称作“红外线”，也常称作“红外辐射”红外根据红外线的波长分为：近红外线--0.75µm~3µm；中红外线--3µm~6µm；(中波)远红外线--6µm~15µm；(长波)极远红外线--15µm~1000µm红外线的分类吸收分子透射率近红外中红外远红外波长053181415红外线在大气中穿透比较好的波段，通常称为“大气窗口”。红外热成像检测技术，就是利用了所谓的“大气窗口”。短波窗口在1-5μm之间，而长波窗口则是在8-14μm之间红外辐射的大气穿透一般红外线热像仪使用的波段为:短波(3µm--5µm);长波(8µm--14µm)物体接收的入射辐射物体发出的红外辐射辐射率和吸收率黑体实际物体的红外辐射二、物体的红外辐射物体接收的入射辐射•辐射—物体向外发出自身能量•吸收—物体获得并保存来自外界的辐射•反射—物体弹回来自外界的辐射•透射—来自外界的辐射经过物体穿透出去入射辐射Win反射辐射W吸收辐射W透射辐射WWа+Wρ+Wτ=Win=100%а+ρ+τ=1物体发出的红外辐射反射辐射源反射辐射WTTTε透射辐射源透射辐射W自身辐射Wε物体发出的辐射WexWε+Wρ+Wτ=Wex=100%ε+ρ+τ=1史蒂芬-波兹曼定律W=εóT4物体自身的红外辐射是各个方向的，辐射量取决于物体自身的温度以及它的表面辐射率，所有物体都有温度以及表面辐射率，所以所有物体都有红外辐射物体温度越高，红外辐射越强，反之，物体温度越低，辐射越低；辐射率也一样，即使物体温度一样，高辐射率物体的辐射要比低辐射率物体的辐射要多。所以物体的温度及表面辐射率决定着物体的辐射能力。Tε物体的辐射能力表述为辐射率(Emissivity简写为)是描述物体辐射本领的参数。茶壶中装满热水，茶壶右边玻璃的表面辐射率比左边不锈钢的高，尽管两部分的温度相同，但右边的辐射要比左边的高，这也意味着物体右边的散热效率要比左边的高，如果用红外热像仪观看，右边看上去要比左边热辐射率和吸收率一般来说，物体接收外界辐射的能力与物体辐射自身能量的能力相等，亦即а=ε也就是说，如果一个物体吸收辐射的能力强，那么它辐射自身能量的能力就强，反之亦然。所以一个不透明的差的吸收体是一个好的反射体，一个好的反射体同时也是一个差的辐射体。例如我们在物体表面覆上一层铝箔来保温，就是这个道理黑体黑体是一个理想的辐射体，真正的黑体并不存在黑体100%吸收所有的入射辐射，也就是说它既不反射也不穿透任何辐射，即а=1黑体100%辐射自身的能量ε=1实际物体的红外辐射实际测量的物体并不是黑体，但它具有我们上面所说物体的所有特性，即具有吸收、辐射、反射、穿透红外辐射的能力。但对大多数物体来说，对红外辐射不透明，即•τ=0•所以对于实际测量来说•ε+ρ=1反射辐射源反射辐射WTTTε自身辐射Wε物体发出的辐射Wex实际物体的辐射由两部分组成：自身辐射和反射环境反射（r)、辐射(a)、穿透(t)：r+a+t=1光滑表面的反射率较高，容易受环境影响。（反光）粗躁表面的辐射率较高•不同的材料、不同的温度、不同的表面光度、不同的颜色等，所发出的红外辐射强度都不同（辐射率不同）。•在检测过程中，由于辐射率对测温影响很大，因此必须选择正确的辐射系数。9.3um人体的辐射波谱5.0um300ºC电烙铁的辐射波谱0.5um太阳的辐射波谱物体表面温度与辐射率从红外热图中看到的物体表面温度与辐射率有着密切的关系，我们要学习识别和分析红外图像因辐射率的不同而产生的不同现象，不要产生错觉胶带ε=0.95杯子ε=0.10环境温度T=25℃(1)杯中不倒水(2)杯中倒入20℃的凉水(3)杯中倒入60℃热水高辐射率物体的红外图像表面温度接近它的真实温度,低辐射率物体的红外图像表面温度接近环境温度60℃20℃25℃三、红外热成像技术红外热像技术是研究红外辐射的产生、传输、转换、探测并付诸于应用的科学技术就像照相技术意味着“可见光写入”一样，热成像技术意味着“热量写入”。热成像技术生成的图片被称作“温度记录图”或“热图”。目标空气热像仪热图红外热像图和可见光图比较红外热图可见光图红外热像仪的原理图信号处理器显示器二维焦平面列阵探测器(FPA)光学系统将不可见的红外辐射转换成可见的图像光学系统:接收目标物体发出的红外线并聚焦到红外探测器上；红外探测器：感应透过光学系统的红外线，并把信号发送给信号处理器。信号处理器：将来自于红外探测器的信号转化成红外热图像；显示器：显示红外热图像。红外探测器红外探测器由过去的单元探测器发展成现在的焦平面探测器（FPA）。现在工业上普遍使用320x240或160x120像素的探测器（民用最高640x480像素）。焦平面阵红外辐射探测器微桥CMOS输入单元FPA单元控制在室温附近的热电稳定器探测器的演变热像仪的演变1958年2000年以后红外热成像系统--目标追踪监控，多用于国防军事领域热像仪按用途大概分成两大类:红外热成像检测系统--以工业检测为目的，对设备进行预知性检测及研究四、红外热成像仪的种类長波、非制冷热像仪--手提式高、中、低挡目前常用的几种检测用热像仪：手持式--E30经济型–T330高端热像仪-P630适用：由於儀器工作在短波段,所以主要用於需要看火焰的設備檢測，如:電廠的鍋爐及石化系統設備的檢測.短波、制冷热像仪--手持式波段在3—5um,内置斯特林压缩机PMX90PM550在線檢測系統主要用於需要24小時監察的設備A40A20由於儀器各項指標都比較高,所以主要用於研究及發展,多數用戶是大學,研究所等.研究型热像仪SC3000S65/45P630远距离追踪,检测热像仪THV2000THV1000THV1500五、红外热成像技术的应用1.状态监测电力冶金石化机械2.研究和开发24.2℃28.8℃25262728电子线路板汽车座椅喷气发动机高压气瓶3.质量控制和过程监控食品温度监控柏油铺路4.医疗5．公共安全监控及军事应用六、红外热像仪的标定前面曾提到过史蒂芬-波兹曼定律，它给出了黑体的辐射能量与其温度的关系，即W=óT4式中ó=5.67×10-8w/m².k4,T为绝对温度,单位为K红外热像仪的标定正是基于这一理论基础,在设定的环境条件下,用一定数量已知温度的黑体进行标定多个黑体放置成半圆形，热像仪放在中心能转动的台子上，并与标定系统的自动控制中心相连黑体标定系统校准曲线T1T2T3T4T5T6S6S5S4S3S2S1SBBTBB热像仪依次对准各黑体，每个黑体都会在热像仪中产生一个辐射信号，标定系统将此信号与其温度对应起来将每对信号与温度对应起来，并将各点拟合成一条曲线，这就是标定曲线，此曲线将被存在热像仪的内存里，用来对应物体辐射与温度的关系，所以如果热像仪的探测器接收到物体的辐射信号，此标定曲线将会把信号转换成对应的温度对热像仪进行简单的标定校验，通常需要多点校验，最起码两点1）使用黑体2）其它方法其他标准测试温度分辨率-热灵敏度(NETD)－热灵敏度是指红外热像仪的温度探测灵敏度(NETD)。简单讲就是仪器可分辨两点之间的温度差别的能力（例如：0.08℃）六、“工业检测用”热像仪的几组参数25.0℃27.8℃252627LI01测温精度－仪器测量温度的精确性（例如:±２度）成像速度50祯/秒（50Hz)30Hz50Hz空间分辨率(IFOV=InstantaneousFieldofView)是红外测温仪器分辨空间尺寸能力的技术参数（仪器可分辨物体大小的能力）。以毫弧度表示。空间分辨率=丌/180x镜头度数÷像素数P60:3.14/180x24˚÷320=1.3mrdHV24°18°空间分辨率和镜头的视场角有关，和探测器像元数有关视场角竖直视场角水平视场角FOV空间分辨率及目标尺寸