紅外知識(shí)培訓(xùn)

彼岸公司培訓(xùn)彼岸科儀有限公司紅外熱成像測(cè)量技術(shù)其他綜合知識(shí)熱圖像拍攝技術(shù)儀器操作

紅外理論

熱圖像分析技術(shù)

輻射知識(shí)紅外熱成像測(cè)量技術(shù)一.什么是紅外線(xiàn)紅外線(xiàn)的發(fā)現(xiàn)電磁波譜紅外線(xiàn)的分類(lèi)紅外輻射的大氣穿透

紅外線(xiàn)的發(fā)現(xiàn)

--1800年WilliamHerschel1800年英國(guó)的天文學(xué)家Mr.WilliamHerschel用分光棱鏡將太陽(yáng)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)移到紅色光邊界以外，人眼看不見(jiàn)任何光線(xiàn)的黑暗區(qū)的時(shí)候，溫度反而比紅光區(qū)更高。反復(fù)試驗(yàn)證明，在紅光外側(cè)，確實(shí)存在一種人眼看不見(jiàn)的“熱線(xiàn)”，后來(lái)稱(chēng)為“紅外線(xiàn)”，也就是“紅外輻射”。

紅外線(xiàn)的發(fā)現(xiàn)

--1800年WilliamHerschel紅外線(xiàn)就在我們身邊！任何溫度高于絕對(duì)零度（-273.16K）的物體都會(huì)發(fā)出紅外線(xiàn)。比如冰塊也會(huì)輻射紅外線(xiàn)。

不論是白天還是夜晚紅外輻射都在我們的身邊。電磁輻射頻譜圖通常把波長(zhǎng)大于紅色光線(xiàn)波長(zhǎng)0.75μm，小于1000μm的這一段電磁波稱(chēng)作“紅外線(xiàn)”，也常稱(chēng)作“紅外輻射”紅外

根據(jù)紅外線(xiàn)的波長(zhǎng)分為：

近紅外線(xiàn)--0.75μm~3μm；

中紅外線(xiàn)

--3μm~6μm；(中波)

遠(yuǎn)紅外線(xiàn)

--6μm~15μm；(長(zhǎng)波)

極遠(yuǎn)紅外線(xiàn)--15μm~1000μm紅外線(xiàn)的分類(lèi)

吸收分子透射率近紅外中紅外遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)053181415紅外線(xiàn)在大氣中穿透比較好的波段，通常稱(chēng)為“大氣窗口”。紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)，就是利用了所謂的“大氣窗口”。短波窗口在1-5μm之間，而長(zhǎng)波窗口則是在8-14μm之間

紅外輻射的大氣穿透一般紅外線(xiàn)熱像儀使用的波段為:短波(3μm--5μm);長(zhǎng)波(8μm--14μm)

物體接收的入射輻射物體發(fā)出的紅外輻射輻射率和吸收率黑體實(shí)際物體的紅外輻射二、

物體的紅外輻射物體接收的入射輻射輻射—物體向外發(fā)出自身能量吸收—物體獲得并保存來(lái)自外界的輻射反射—物體彈回來(lái)自外界的輻射透射—來(lái)自外界的輻射經(jīng)過(guò)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WWа+Wρ+Wτ=Win=100%а+ρ+τ=1物體發(fā)出的紅外輻射反射輻射源反射輻射WTTTε透射輻射源透射輻射W自身輻射Wε物體發(fā)出的輻射WexWε+Wρ+Wτ=Wex=100%ε+ρ+τ=1史蒂芬-波茲曼定律W=εóT4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，物體溫度越高，紅外輻射越強(qiáng)，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，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。Tε物體的輻射能力表述為輻射率(Emissivity簡(jiǎn)寫(xiě)為)

是描述物體輻射本領(lǐng)的參數(shù)。茶壺中裝滿(mǎn)熱水，茶壺右邊玻璃的表面輻射率比左邊不銹鋼的高，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熱輻射效率要比左邊的高，如果用紅外熱像儀觀(guān)看，右邊看上去要比左邊熱輻射率和吸收率

一般來(lái)說(shuō)，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，亦即а=ε

也就是說(shuō)，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)差的輻射體。例如我們?cè)谖矬w表面覆上一層鋁箔來(lái)保溫，就是這個(gè)道理黑體黑體是一個(gè)理想的輻射體，真正的黑體并不存在黑體100%吸收所有的入射輻射，也就是說(shuō)它既不反射也不穿透任何輻射，即

а=1

黑體100%輻射自身的能量

ε=1實(shí)際物體的紅外輻射實(shí)際測(cè)量的物體并不是黑體，但它具有我們上面所說(shuō)物體的所有特性，即具有吸收、輻射、反射、穿透紅外輻射的能力。但對(duì)大多數(shù)物體來(lái)說(shuō)，對(duì)紅外輻射不透明，即τ=0所以對(duì)于實(shí)際測(cè)量來(lái)說(shuō)ε+ρ=1反射輻射源反射輻射WTTTε自身輻射Wε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

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

不同的材料、不同的溫度、不同的表面光度、不同的顏色等，所發(fā)出的紅外輻射強(qiáng)度都不同（輻射率不同）。在檢測(cè)過(guò)程中，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)。電力設(shè)備發(fā)射率一般在0.85-0.95之間。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(jué)膠帶ε=0.95杯子ε=0.10環(huán)境溫度T=25℃(1)杯中不倒水

(2)杯中倒入20℃的涼水

(3)杯中倒入60℃熱水高輻射率物體的紅外圖像表面溫度接近它的真實(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25℃20℃60℃三、紅外熱成像技術(shù)紅外熱像技術(shù)是研究紅外輻射的產(chǎn)生、傳輸、轉(zhuǎn)換、探測(cè)并付諸于應(yīng)用的科學(xué)技術(shù)就像照相技術(shù)意味著“可見(jiàn)光寫(xiě)入”一樣，熱成像技術(shù)意味著“熱量寫(xiě)入”。熱成像技術(shù)生成的圖片被稱(chēng)作“溫度記錄圖”或“熱圖”。目標(biāo)空氣熱像儀熱圖紅外熱像圖和可見(jiàn)光圖比較紅外熱圖可見(jiàn)光圖紅外熱像儀的原理紅外熱像儀的原理圖信號(hào)處理器顯示器二維焦平面列陣探測(cè)器(FPA)光學(xué)系統(tǒng)將不可見(jiàn)的紅外輻射轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)的圖像光學(xué)系統(tǒng):接收目標(biāo)物體發(fā)出的紅外線(xiàn)并聚焦到紅外探測(cè)器上；紅外探測(cè)器：感應(yīng)透過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的紅外線(xiàn)，并把信號(hào)發(fā)送給信號(hào)處理器。信號(hào)處理器：將來(lái)自于紅外探測(cè)器的信號(hào)

轉(zhuǎn)化成紅外熱圖像；顯示器：顯示紅外熱圖像。

通過(guò)熱像儀不僅能夠讓我們看到熱的變化，而且能夠量化這些變化紅外探測(cè)器

紅外探測(cè)器由過(guò)去的單元探測(cè)器發(fā)展成現(xiàn)在的焦平面探測(cè)器（FPA）?，F(xiàn)在工業(yè)上普遍使用320x240或160x120像素的探測(cè)器。探測(cè)器每個(gè)單元每秒鐘可以積分50次，即可將接受的信號(hào)以50HZ的速率輸出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)定器溫度分辨率-熱靈敏度(NETD)

－熱靈敏度是指紅外熱像儀的溫度探測(cè)靈敏度(NETD)。簡(jiǎn)單講就是儀器可分 辨兩點(diǎn)之間的溫度差 別的能力 （例如：0.08℃）

四、熱像儀重要的技術(shù)指標(biāo)：測(cè)溫精度

－儀器測(cè)量溫度的精確性（例如:±２度）成像速度

50禎/秒（50Hz)30Hz50Hz空間分辨率(IFOV=InstantaneousFieldofView)是紅外測(cè)溫儀器分辨空間尺寸能力的技術(shù)參數(shù)（儀器可分辨物體大小的能力）。以毫弧度表示?？臻g分辨率=丌/180x鏡頭度數(shù)

÷像素?cái)?shù)

P30:3.14/180x24?÷320=1.3mrd

HV24°18°空間分辨率和鏡頭的視場(chǎng)角有關(guān)，和探測(cè)器像元數(shù)有關(guān)視場(chǎng)角豎直視場(chǎng)角水平視場(chǎng)角FOV空間分辨率及目標(biāo)尺寸FOVIFOV視場(chǎng)和空間分辨率ObjectIFOV左邊被探測(cè)目標(biāo)完全覆蓋了熱像儀的IFOV，因此，像素接受的輻射只來(lái)自目標(biāo)。我們能準(zhǔn)確測(cè)量它的溫度。然而，右邊的像素不只看到目標(biāo)，而且吸收目標(biāo)旁邊的和背后的輻射。我們不可能測(cè)得這么小目標(biāo)的正確溫度。

在實(shí)際測(cè)量中,好的熱像儀中通常以十字光標(biāo)之間的空白處來(lái)指示3x3個(gè)像素的大小，有助于使用者來(lái)判斷是否能測(cè)到正確溫度。不能正確測(cè)量能正確測(cè)量根據(jù)當(dāng)前的FPA探測(cè)器技術(shù)，目標(biāo)在探測(cè)器上最少要有3x3個(gè)像素才能確保能夠準(zhǔn)確測(cè)量，這要求檢測(cè)時(shí)盡量靠近目標(biāo)或選用望遠(yuǎn)鏡頭.如果目標(biāo)成像小于3x3個(gè)像素，則熱像儀顯示的溫度讀數(shù)是目標(biāo)的溫度值與也成像在這3x3個(gè)像素的目標(biāo)周?chē)矬w（環(huán)境）的平均值。焦平面陣像素目標(biāo)點(diǎn)

“有效”的檢測(cè)距離？

-與儀器空間分辨率、檢測(cè)目標(biāo)大 小、目標(biāo)溫度等因素有關(guān)。

-

例如:1.3毫弧度(mrad)代表儀器 在10米遠(yuǎn)可分辨出26mm的目標(biāo)。不同鏡頭檢測(cè)效果示意熱圖12度鏡頭7度鏡頭24度鏡頭檢測(cè)距離--60米12度鏡頭7度鏡頭不同鏡頭檢測(cè)效果示意熱圖檢測(cè)距離--60米

不同鏡頭檢測(cè)效果示意熱圖（60米）

12度鏡頭7度鏡頭五、影響測(cè)量結(jié)果的幾組參數(shù)1.熱像儀參數(shù)設(shè)置對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響：——輻射率：當(dāng)被測(cè)物體溫度高于環(huán)境溫度時(shí)，輻射率設(shè)置約高，測(cè)量結(jié)果約低。當(dāng)被測(cè)物體溫度低于環(huán)境溫度時(shí)，輻射率設(shè)置約高，測(cè)量結(jié)果約高?！h(huán)境溫度：設(shè)置值越高，測(cè)量結(jié)果越低；——大氣溫度：設(shè)置值越高，測(cè)量結(jié)果越低；——相對(duì)濕度：設(shè)置值越高，測(cè)量結(jié)果越高；——距離參數(shù)：設(shè)置值越高，測(cè)量結(jié)果越高；總體來(lái)說(shuō)，以上各參數(shù)的設(shè)置均對(duì)結(jié)果有影響，但影響力不同，影響程度依次降低。其中輻射率影響最為明顯，其余均在1℃以?xún)?nèi)。2.外部環(huán)境對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響：——負(fù)荷的影響：對(duì)于電流致熱型設(shè)備來(lái)說(shuō)，根據(jù)其公式P=I2*R故：滿(mǎn)負(fù)荷溫升T滿(mǎn)=（I滿(mǎn)/I當(dāng)前）2*T當(dāng)前但通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，公式中的系數(shù)“2”可能不準(zhǔn)確，應(yīng)為“1.5—1.8”。從而得出如下經(jīng)驗(yàn)公式：滿(mǎn)負(fù)荷最小溫升T滿(mǎn)=（I滿(mǎn)/I當(dāng)前）1.5*T當(dāng)前滿(mǎn)負(fù)荷最大溫升T滿(mǎn)=（I滿(mǎn)/I當(dāng)前）1.8*T當(dāng)前——太陽(yáng)照射的影響：1）由于太陽(yáng)的加熱作用，產(chǎn)生附加溫升，將對(duì)電壓致熱型等小溫升設(shè)備的檢測(cè)帶來(lái)困難；2）由于太陽(yáng)輻射在短波段（3.6μm以下）很強(qiáng)，應(yīng)盡量避免使用短波熱像儀，通常使用的長(zhǎng)波熱像儀無(wú)影響。——風(fēng)速的影響：風(fēng)對(duì)物體的散熱有影響，風(fēng)力越大，對(duì)設(shè)備的冷卻效果約顯著?！秾?dǎo)則》上指明應(yīng)盡量在風(fēng)速小于0.5m/s時(shí)進(jìn)行測(cè)量。定量檢測(cè)時(shí)，可按以下公式進(jìn)行修正：1）風(fēng)速小于1.5m/s時(shí)：T0=Tv*exp（v/W）其中：T0——無(wú)風(fēng)時(shí)的溫升；

TV——風(fēng)速為V時(shí)的溫升；

V——風(fēng)速，m/s；

W——衰減系數(shù)，迎風(fēng)為1.3，背風(fēng)為0.9.2）風(fēng)速大于1.5m/s時(shí)：T01=T02*（V2/V1）0.448其中：T01——風(fēng)速為V1時(shí)的溫升；

T02——風(fēng)速為V2時(shí)的溫升；

六、紅外熱像儀的標(biāo)定前面曾提到過(guò)史蒂芬-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

W=óT4

式中ó=5.67×10-8w/m2.k4,T為絕對(duì)溫度,單位為K

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,用一定數(shù)量已知溫度的黑體進(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)的臺(tái)子上，并與標(biāo)定系統(tǒng)的自動(dòng)控制中心相連

黑體標(biāo)定系統(tǒng)T1T2T3T4T5T6

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)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(lái)將每對(duì)信號(hào)與溫度對(duì)應(yīng)起來(lái)，并將各點(diǎn)擬合成一條曲線(xiàn)，這就是標(biāo)定曲線(xiàn)，此曲線(xiàn)將被存在熱像儀的內(nèi)存里，用來(lái)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)器接收到物體的輻射信號(hào)，此標(biāo)定曲線(xiàn)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)，最起碼兩個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)。

1）使用黑體2）其它方法（使用已知輻射率的物體作為參照體）環(huán)境因素影響的補(bǔ)償Wtot=

WObj+(1-)WAmb+(1-)WAtm目標(biāo)物體大氣