紅外檢測(cè)技術(shù)介紹及應(yīng)用

1、技術(shù)部技術(shù)部 20 201010年年1212月月2424日日 其他綜合其他綜合知識(shí)知識(shí)熱圖像熱圖像拍攝技術(shù)拍攝技術(shù)儀器操作儀器操作 紅外理論紅外理論 熱圖像熱圖像分析技術(shù)分析技術(shù) 輻射知識(shí)輻射知識(shí)18180000年年英國(guó)的天文學(xué)家英國(guó)的天文學(xué)家Mr.WilliamMr.William Herschel Herschel 用分光棱鏡將太陽用分光棱鏡將太陽光分解成從紅色到紫色的單色光，依次測(cè)量不同顏色光的熱效應(yīng)。光分解成從紅色到紫色的單色光，依次測(cè)量不同顏色光的熱效應(yīng)。他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水銀溫度計(jì)移到他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水銀溫度計(jì)移到紅色光邊界以外，人眼看不見任何光線紅色光邊界以外，人眼看不見任何光線的黑暗區(qū)的黑暗

2、區(qū)的時(shí)候，溫度反而比紅光區(qū)更高。反復(fù)試驗(yàn)證明，的時(shí)候，溫度反而比紅光區(qū)更高。反復(fù)試驗(yàn)證明，在紅光在紅光外側(cè)外側(cè)，確實(shí)存在一種人眼看不見的，確實(shí)存在一種人眼看不見的“熱線熱線”，后來稱為，后來稱為“紅外線紅外線”，也就是也就是“紅外輻射紅外輻射”。 紅外線的發(fā)現(xiàn)紅外線的發(fā)現(xiàn) - 1800年年 William Herschel 任何溫度高于絕對(duì)零度（任何溫度高于絕對(duì)零度（-273.16K-273.16K）的物體都會(huì)的物體都會(huì)發(fā)出紅外線。比如冰塊也會(huì)輻射紅外線。發(fā)出紅外線。比如冰塊也會(huì)輻射紅外線。 不論是白天還是夜晚紅外輻射都在我們的身邊。不論是白天還是夜晚紅外輻射都在我們的身邊。通常把波長(zhǎng)大于紅色

3、光線波長(zhǎng)通常把波長(zhǎng)大于紅色光線波長(zhǎng)0.750.75m m ，小于，小于10001000m m的的這一段電磁波稱作這一段電磁波稱作“紅外線紅外線” ” ，也常稱作，也常稱作“紅外輻紅外輻射射” ” 近紅外線近紅外線 - 0.75- 0.75m 3m 3m m； 中紅外線中紅外線 - 3- 3m 6m 6m m；( (中波中波) ) 遠(yuǎn)紅外線遠(yuǎn)紅外線 - 6- 6m 15m 15m m；( (長(zhǎng)波長(zhǎng)波) ) 極遠(yuǎn)紅外線極遠(yuǎn)紅外線 - 15- 15m 1000m 1000m m 紅外線的分類紅外線的分類 吸收分子吸收分子透透射射率率近紅外近紅外中紅外中紅外遠(yuǎn)紅外遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)波長(zhǎng)0531814 15紅外

4、線在大氣中穿透比較好的波段，通常稱為紅外線在大氣中穿透比較好的波段，通常稱為 “大氣窗口大氣窗口”。紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)，就是利用了所謂的。紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)，就是利用了所謂的“大氣窗口大氣窗口”。短波窗口短波窗口在在1 1-5m-5m之間，而之間，而長(zhǎng)波窗口長(zhǎng)波窗口則是在則是在8 8-14m-14m之間之間 一般紅一般紅外外線熱像儀使用的波段為線熱像儀使用的波段為: :短波短波 (3(3m - 5m - 5m); m); 長(zhǎng)波長(zhǎng)波 ( 8( 8m -14m -14m m) 輻射輻射物體向外發(fā)出自身能量物體向外發(fā)出自身能量吸收吸收物體獲得并保存來自外界的輻射物體獲得并保存來自外界的輻射反射反射物

5、體彈回來自外界的輻射物體彈回來自外界的輻射透射透射來自外界的輻射經(jīng)過物體穿透出去來自外界的輻射經(jīng)過物體穿透出去入射輻射 Win反射輻射 W 吸收輻射 W 透射輻射 W W+W+W= Win=100%+=1反射輻射源反射輻射 W TTT透射輻射源透射輻射W 自身輻射W物體發(fā)出的輻射WexW+W+W= Wex=100%+=1史蒂芬史蒂芬- -波茲曼定律波茲曼定律W=TW=T4 4物體自身的紅外輻射是各個(gè)方向的，輻射量取決于物物體自身的紅外輻射是各個(gè)方向的，輻射量取決于物體自身的溫度以及它的表面輻射率，體自身的溫度以及它的表面輻射率，所有物體都有溫所有物體都有溫度以及表面輻射率度以及表面輻射率，所以

6、所有物體都有紅外輻射，所以所有物體都有紅外輻射 物體溫度越高，紅外輻射越強(qiáng)物體溫度越高，紅外輻射越強(qiáng)，反之，物體溫度反之，物體溫度越低，輻射越低；輻射率也一樣，即使物體溫度一樣，越低，輻射越低；輻射率也一樣，即使物體溫度一樣，高輻射率物體的輻射要比低輻射率物體的輻射要多。所高輻射率物體的輻射要比低輻射率物體的輻射要多。所以物體的溫度及表面輻射率決定著物體的輻射能力。以物體的溫度及表面輻射率決定著物體的輻射能力。 T(Emissivity簡(jiǎn)寫為簡(jiǎn)寫為 )是描述物體輻射本領(lǐng)的參數(shù)。是描述物體輻射本領(lǐng)的參數(shù)。茶壺中裝滿熱水，茶壺右邊玻璃的表面輻射率比左邊不茶壺中裝滿熱水，茶壺右邊玻璃的表面輻射率比左

7、邊不銹鋼的高，盡管兩部分的溫度相同，但右邊的輻射要比銹鋼的高，盡管兩部分的溫度相同，但右邊的輻射要比左邊的高，這也意味著物體右邊的散熱效率要比左邊的左邊的高，這也意味著物體右邊的散熱效率要比左邊的高，如果用紅外熱像儀觀看，右邊看上去要比左邊熱高，如果用紅外熱像儀觀看，右邊看上去要比左邊熱 一般來說一般來說，物體接收外界輻射的能力與物體，物體接收外界輻射的能力與物體輻射自身能量的能力相等，輻射自身能量的能力相等， 亦即亦即= 也就是說，如果一個(gè)物體吸收輻射的能力也就是說，如果一個(gè)物體吸收輻射的能力強(qiáng)，那么它輻射自身能量的能力就強(qiáng)，反之亦強(qiáng)，那么它輻射自身能量的能力就強(qiáng)，反之亦然。所以一個(gè)不透明的

8、差的吸收體是一個(gè)好的然。所以一個(gè)不透明的差的吸收體是一個(gè)好的反射體，一個(gè)好的反射體同時(shí)也是一個(gè)差的輻反射體，一個(gè)好的反射體同時(shí)也是一個(gè)差的輻射體。例如我們?cè)谖矬w表面覆上一層鋁箔來保射體。例如我們?cè)谖矬w表面覆上一層鋁箔來保溫，就是這個(gè)道理溫，就是這個(gè)道理實(shí)際測(cè)量的物體并不是黑體，但它具有我們上面所說物實(shí)際測(cè)量的物體并不是黑體，但它具有我們上面所說物體的所有特性，即具有體的所有特性，即具有吸收、輻射、反射、穿透吸收、輻射、反射、穿透紅外紅外輻射的能力。輻射的能力。但對(duì)大多數(shù)物體來說，對(duì)紅外輻射不透明，即但對(duì)大多數(shù)物體來說，對(duì)紅外輻射不透明，即=0=0所以對(duì)于實(shí)際測(cè)量來說所以對(duì)于實(shí)際測(cè)量來說+=1=

9、1反射輻射源反射輻射 W TTT自身輻射W物 體 發(fā) 出 的輻射Wex實(shí)際物體的輻射由兩部分組成：自身輻射和反射環(huán)境 反射（反射（r)r)、輻射、輻射(a)(a)、穿透、穿透(t)(t)： r+a+tr+a+t=1=1 光滑表面的反射率較高，容易受環(huán)境影響。（反光）光滑表面的反射率較高，容易受環(huán)境影響。（反光） 粗躁表面的輻射率較高粗躁表面的輻射率較高 不同的不同的材料材料、不同的、不同的溫度溫度、不同的、不同的表面光度表面光度、不同的不同的 顏色顏色等，所發(fā)出的紅外輻射強(qiáng)度都不同等，所發(fā)出的紅外輻射強(qiáng)度都不同（輻射率不同）。（輻射率不同）。 在檢測(cè)過程中，由于輻射率對(duì)測(cè)溫影響很大，在檢測(cè)過程

10、中，由于輻射率對(duì)測(cè)溫影響很大， 因此必須選擇正確的輻射系數(shù)。因此必須選擇正確的輻射系數(shù)。9.3um人體的輻射波譜5.0um300C 電烙鐵的輻射波譜0.5um 太陽的輻射波譜物體表面溫度與輻射率物體表面溫度與輻射率 從紅外熱圖中看到的物體表面溫度與輻射率從紅外熱圖中看到的物體表面溫度與輻射率有著密切的關(guān)系，我們要學(xué)習(xí)識(shí)別和分析紅外有著密切的關(guān)系，我們要學(xué)習(xí)識(shí)別和分析紅外圖像因輻射率的不同而產(chǎn)生的不同現(xiàn)象，不要圖像因輻射率的不同而產(chǎn)生的不同現(xiàn)象，不要產(chǎn)生錯(cuò)覺產(chǎn)生錯(cuò)覺 膠帶=0.95杯子=0.10 環(huán)境溫度T=25高輻射率物體的紅外圖像表面溫度接近它的真實(shí)溫度高輻射率物體的紅外圖像表面溫度接近它的

11、真實(shí)溫度, ,低輻射率物體的紅外圖像表面溫度接近環(huán)境溫度低輻射率物體的紅外圖像表面溫度接近環(huán)境溫度 60 20 25 目目 標(biāo)標(biāo) 空空 氣氣 熱熱 像像 儀儀 熱熱 圖圖紅外熱像圖和可見光圖比較紅外熱像圖和可見光圖比較紅紅 外外 熱熱 圖圖可可 見見 光光 圖圖信號(hào)處理器信號(hào)處理器顯示器顯示器二維焦平面列陣探測(cè)器二維焦平面列陣探測(cè)器 ( (FPA) FPA) 光學(xué)光學(xué)系統(tǒng)系統(tǒng)將不可見的紅外輻射轉(zhuǎn)換成可見的圖像將不可見的紅外輻射轉(zhuǎn)換成可見的圖像 紅外探測(cè)器由過去的單元探測(cè)器發(fā)展成現(xiàn)在的焦紅外探測(cè)器由過去的單元探測(cè)器發(fā)展成現(xiàn)在的焦平面探測(cè)器（平面探測(cè)器（FPAFPA）?，F(xiàn)在工業(yè)上普遍使用）。現(xiàn)在工

12、業(yè)上普遍使用320 x240320 x240或或160 x120160 x120像素的探測(cè)器（民用最高像素的探測(cè)器（民用最高640 x480640 x480 像素）。像素）。焦 平 面 陣紅外輻射探 測(cè) 器微橋CMOS輸入單元FPA 單元控制在室溫附近的熱電穩(wěn)定器 探測(cè)器的演變探測(cè)器的演變 熱像儀的演變熱像儀的演變1958年2000年以后 紅外熱紅外熱成像成像系統(tǒng)系統(tǒng) - - 目標(biāo)追蹤監(jiān)控，多用于國(guó)防軍事領(lǐng)域目標(biāo)追蹤監(jiān)控，多用于國(guó)防軍事領(lǐng)域熱像儀按用途大概分成熱像儀按用途大概分成兩大類兩大類: : 紅外紅外熱熱 成像成像 檢測(cè)檢測(cè) 系統(tǒng)系統(tǒng) - - 以工業(yè)檢測(cè)為目的，對(duì)設(shè)備進(jìn)行預(yù)知性檢測(cè)及研以

13、工業(yè)檢測(cè)為目的，對(duì)設(shè)備進(jìn)行預(yù)知性檢測(cè)及研究究 長(zhǎng)長(zhǎng)波波、非制冷熱像儀、非制冷熱像儀 - 手提式手提式 高高、中中、低擋低擋目前常用的幾種檢測(cè)用熱像儀：目前常用的幾種檢測(cè)用熱像儀：手持式手持式-E 30-E 30經(jīng)濟(jì)型經(jīng)濟(jì)型 T330 T330高端熱像儀高端熱像儀 - -P P 630 630適用：適用：由於儀器工作在短波段由於儀器工作在短波段, ,所以主要用於需要看所以主要用於需要看火焰的設(shè)備檢測(cè)火焰的設(shè)備檢測(cè)，如如: :電廠的鍋爐及石化系統(tǒng)設(shè)備的電廠的鍋爐及石化系統(tǒng)設(shè)備的檢測(cè)檢測(cè). . 短波、制冷熱像儀短波、制冷熱像儀 - 手持手持式式 波段在波段在3 35um,5um,內(nèi)置斯特林壓縮機(jī)內(nèi)置

14、斯特林壓縮機(jī)PM X90PM550 在線檢測(cè)系統(tǒng)在線檢測(cè)系統(tǒng)主要用於需要主要用於需要2424小時(shí)監(jiān)察的設(shè)備小時(shí)監(jiān)察的設(shè)備A40A 20由於儀器各項(xiàng)指標(biāo)都比較高由於儀器各項(xiàng)指標(biāo)都比較高, ,所所以主要用於研究及發(fā)展以主要用於研究及發(fā)展, ,多數(shù)用多數(shù)用戶是大學(xué)戶是大學(xué), , 研究所等研究所等. . 研究型熱像儀研究型熱像儀SC3000S 65 / 45P630 遠(yuǎn)距離追蹤遠(yuǎn)距離追蹤,檢測(cè)熱像儀檢測(cè)熱像儀THV 2000THV 1000THV 1500THV 15001.狀態(tài)監(jiān)測(cè)電力冶金石化機(jī)械24.228.825262728 電子線路板 汽車座椅 噴氣發(fā)動(dòng)機(jī) 高壓氣瓶食品溫度監(jiān)控 柏油鋪路 4.

15、醫(yī)療 前面曾提到過史蒂芬前面曾提到過史蒂芬- -波茲曼定律，它給出了波茲曼定律，它給出了黑體的輻射能量與其溫度的關(guān)系，即黑體的輻射能量與其溫度的關(guān)系，即 W = T4W = T4 式中式中=5.67=5.6710-8w/m10-8w/m.k4,.k4, T T為絕對(duì)溫度為絕對(duì)溫度, ,單位為單位為K K 紅外熱像儀的標(biāo)定正是基于這一理論基礎(chǔ)紅外熱像儀的標(biāo)定正是基于這一理論基礎(chǔ), ,在設(shè)定的環(huán)境條件下在設(shè)定的環(huán)境條件下, ,用一定數(shù)量已知溫度的用一定數(shù)量已知溫度的黑體進(jìn)行標(biāo)定黑體進(jìn)行標(biāo)定 多個(gè)黑體放置成半圓形，熱像儀放在中心能轉(zhuǎn)動(dòng)的多個(gè)黑體放置成半圓形，熱像儀放在中心能轉(zhuǎn)動(dòng)的臺(tái)子上，并與標(biāo)定系統(tǒng)

16、的自動(dòng)控制中心相連臺(tái)子上，并與標(biāo)定系統(tǒng)的自動(dòng)控制中心相連 T1 T2 T3 T4 T5 T6 S6S5S4S3S2S1SBBTBB 熱像儀依次對(duì)準(zhǔn)各黑體，每個(gè)黑體都會(huì)在熱像儀中產(chǎn)生一個(gè)熱像儀依次對(duì)準(zhǔn)各黑體，每個(gè)黑體都會(huì)在熱像儀中產(chǎn)生一個(gè)輻射信號(hào)，標(biāo)定系統(tǒng)將此信號(hào)與其溫度對(duì)應(yīng)起來輻射信號(hào)，標(biāo)定系統(tǒng)將此信號(hào)與其溫度對(duì)應(yīng)起來將每對(duì)信號(hào)與溫度對(duì)應(yīng)起來，并將各點(diǎn)擬合成一條曲線，這將每對(duì)信號(hào)與溫度對(duì)應(yīng)起來，并將各點(diǎn)擬合成一條曲線，這就是標(biāo)定曲線，此曲線將被存在熱像儀的內(nèi)存里，用來對(duì)應(yīng)就是標(biāo)定曲線，此曲線將被存在熱像儀的內(nèi)存里，用來對(duì)應(yīng)物體輻射與溫度的關(guān)系，所以如果熱像儀的探測(cè)器接收到物物體輻射與溫度的關(guān)系

17、，所以如果熱像儀的探測(cè)器接收到物體的輻射信號(hào)，此標(biāo)定曲線將會(huì)把信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的溫度體的輻射信號(hào)，此標(biāo)定曲線將會(huì)把信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的溫度 對(duì)熱像儀進(jìn)行簡(jiǎn)單的標(biāo)定校驗(yàn)，通常需要多點(diǎn)校驗(yàn)，對(duì)熱像儀進(jìn)行簡(jiǎn)單的標(biāo)定校驗(yàn)，通常需要多點(diǎn)校驗(yàn)，最起碼兩點(diǎn)最起碼兩點(diǎn) 1 1）使用黑體）使用黑體2 2）其它方法）其它方法 其他標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試其他標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試熱靈敏度是指紅外熱像儀的溫度探測(cè)靈敏熱靈敏度是指紅外熱像儀的溫度探測(cè)靈敏 度度(NETD)(NETD)。 簡(jiǎn)單講就是儀器可分簡(jiǎn)單講就是儀器可分辨兩點(diǎn)之間的溫度差辨兩點(diǎn)之間的溫度差別的能力別的能力（例如：（例如：0.08 ）25.027.8252627LI01儀器測(cè)量溫度的精確性（例如儀器測(cè)量溫度的精確性（例如:度）度）30Hz50Hz(IFOV =Instantaneous Field of View