紅外檢測技術

紅外檢測技術機電工程學院測控系魏莉Weili@1紅外無損檢測技術的特點決定了它的適用范圍。紅外無損檢測的優(yōu)點為操作安全、靈敏度高、檢測效率高。由于進行紅外無損檢測時不需要與被檢對象直接接觸，所以操作十分安全。這個優(yōu)點在帶電設備、轉(zhuǎn)動設備及高空設備的無損檢測中非常突出?，F(xiàn)代紅外探測器對紅外輻射的探測靈敏度很高，目前的紅外無損檢測設備可以檢測出0.1℃的溫度差，因此能檢測出設備或結(jié)構件等熱狀態(tài)的細微變化。由于紅外探測器的響應速度高達納秒級，所以可迅速采集、處理和顯示被檢對象的紅外輻射，提高檢測效率。一些新型的紅外無損檢測儀器還可與計算機相連或自身帶有微處理器，實現(xiàn)數(shù)字化圖像處理，擴大了其功能和應用范圍。另外，紅外輻射不受可見光的影響，可晝夜進行測量。大氣對某些特定波長范圍內(nèi)的紅外線吸收甚少，

適用于遙感和遙測。

1紅外無損檢測基礎21．紅外輻射及傳輸1）紅外輻射紅外輻射是位于可見光中紅光以外的光線，故又稱紅外線，它是一種人眼看不見的光線。其波長范圍大致在0.75～1000μm的頻譜范圍之內(nèi)，相對應的頻率大致在4×1014～3×1011Hz之間。任何物體，只要其溫度高于絕對零度就有紅外線向周圍空間輻射。1紅外無損檢測基礎32）紅外輻射的傳輸和所有電磁波一樣，紅外輻射是以波的形式在空間直線傳播的。它在真空中的傳播速度等于光在真空中的傳播速度，

即

式中：

為紅外輻射的波長；f為紅外輻射的頻率；C為光在真空中的傳播速度。1紅外無損檢測基礎4紅外輻射在大氣中傳播時，由于大氣中的氣體分子、水蒸氣以及固體微粒、塵埃等物質(zhì)的散射、吸收作用，使輻射在傳輸過程中逐漸衰減。通過紅外輻射通過1海里長度大氣的透過率曲線，可以看出它在通過大氣層時由于大氣有選擇的吸收使其被分割成三個波段，即2～2.5μm、3～5μm和8～14μm，統(tǒng)稱為“大氣窗口”。這三個大氣窗口對紅外技術應用特別重要，

因此一般紅外儀器都工作在這三個窗口之內(nèi)。

1紅外無損檢測基礎5紅外輻射通過1海里長度大氣的透過率曲線

1紅外無損檢測基礎62．紅外探測器紅外探測器是能將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電能的光敏元件，用來監(jiān)測物體輻射的紅外線。它是紅外檢測系統(tǒng)中最重要的器件之一。

這里簡單介紹它的分類和性能參數(shù)。

1紅外無損檢測基礎71）常用紅外探測器的分類紅外探測器分熱電型和光電型兩類。這兩類探測器不僅在性能上有差異，而且在工作原理上也不相同。熱電型紅外探測器是利用熱電元件、熱敏電阻或熱電偶等元件的熱效應進行工作的。它們一般靈敏度低、響應慢，但有較寬的紅外波長響應范圍，且價廉，常用于溫度的測量及自動控制。光電型紅外探測器可直接把紅外光能轉(zhuǎn)換成電能，靈敏度高、響應快，但其紅外波長響應范圍窄，有的還需在低溫條件下才能使用。光電型紅外探測器廣泛應用在遙測、遙感、成像、

測溫等方面。

1紅外無損檢測基礎82）紅外探測器的性能參數(shù)不同的紅外探測器不但工作原理不同，而且其探測的波長范圍、靈敏度和其他主要性能都不同。下面的幾個參數(shù)常用來衡量各種紅外探測器的主要性能。(1）響應率。響應率表示紅外探測器把紅外輻射轉(zhuǎn)換為電信號的能力。它等于輸出信號電壓與輸入紅外輻射能之比。

1紅外無損檢測基礎9(2)響應波長范圍（光譜響應）。它表示探測器的電壓響應率與入射波波長之間的關系，一般用光譜響應曲線來表示。對任何波長的紅外輻射響應率都相等的紅外探測器，稱為無選擇性探測器。如果紅外探測器對不同波長的紅外輻射響應率不相等，則稱為選擇性探測器。熱電型探測器一般可認為是無選擇性探測器，而光電型探測器為有選擇性探測器。一般將響應率最大的值所對應的波長稱為峰值波長，而把響應率下降到響應值的一半所對應的波長稱為截止波長。響應波長范圍也表示紅外探測器使用的波長范圍。1紅外無損檢測基礎10(3)噪聲等效功率。紅外探測器的輸出電壓較低，外界噪聲對它的影響很大，因此要用噪聲等效功率參數(shù)來衡量紅外探測器的性能。噪聲等效功率是輸出信噪比為1時所對應的紅外入射功率值，

也即紅外探測到的最小輻射功率，

該值越小，

探測器越靈敏。

1紅外無損檢測基礎11（4）探測率。探測率為噪聲等效功率的倒數(shù)。（5）響應時間。輸出信號滯后于紅外輻射的時間，稱為探測器的響應時間。它反映紅外探測器的輸出信號隨紅外輻射變化的速率。

1紅外無損檢測基礎123．紅外無損檢測方法將熱量注入工件表面，其擴散進入工件內(nèi)部的速度及分布情況由工件內(nèi)部性質(zhì)決定。另外，材料、裝備及工程結(jié)構件等在運行中的熱狀態(tài)是反映其運行狀態(tài)的一個重要方面。熱狀態(tài)的變化和異常，往往是確定被測對象的實際工作狀態(tài)和判斷其可靠性的重要依據(jù)。紅外檢測按其檢測方式分為主動式和被動式兩類。前者是在人工加熱工件的同時或加熱后經(jīng)過延遲掃描記錄和觀察工件表面的溫度分布，適用于靜態(tài)件檢測；后者是利用工件自身的溫度不同于周圍環(huán)境的溫度，在兩者的熱交換過程中顯示工件內(nèi)部的缺陷，適用于運行中設備的質(zhì)量控制。

1紅外無損檢測基礎131．紅外測溫儀紅外測溫儀是用來測量設備、結(jié)構、工件等表面某一局部區(qū)域的平均溫度的。通過特殊的光學系統(tǒng)，可以將目標區(qū)域限制在1mm以內(nèi)甚至更小，因此有時也將其稱為紅外點溫儀。它主要是通過測定目標在某一波段內(nèi)所輻射的紅外輻射能量的總和，來確定目標的表面溫度。其響應時間可小于1s，測溫范圍可達0～3000℃。下圖為紅外測溫儀的結(jié)構原理圖。它由光學系統(tǒng)、調(diào)制器、紅外探測器、放大器、顯示器等部分組成。紅外測溫儀的主要技術參數(shù)有溫度范圍、工作波段、響應時間、目標尺寸、

距離系數(shù)和輻射率范圍等。

2紅外無損檢測儀器14紅外測溫儀的結(jié)構原理圖

2紅外無損檢測儀器152．紅外熱像儀紅外檢測的主要設備是紅外熱像儀。紅外輻射符合幾何光學的一些定律，利用紅外輻射進行物體成像不需要外加光源。紅外成像時需要特殊的光學系統(tǒng)——紅外光學系統(tǒng)。紅外測溫儀所顯示的是被測物體的某一局部的平均溫度；紅外熱像儀則顯示的是一幅熱圖，是物體紅外輻射能量密度的二維分布圖。要想將物體的熱像顯示在監(jiān)視器上，首先需將熱像分解成像素，然后通過紅外探測器將其變成電信號，再經(jīng)過信號處理，在監(jiān)視器上成像。圖像的分解一般采用光學機械掃描方法。

目前高速的熱像儀可以做到實時顯示物體的紅外熱像。

2紅外無損檢測儀器16熱像儀除了具有紅外測溫儀的各種優(yōu)點外，還具有以下特點：（1)快速有效，結(jié)果直觀。熱像儀能顯示物體的表面溫度場，并以圖像的形式顯示。（2）分辨力強?，F(xiàn)代熱像儀可以分辨0.1℃甚至更小的溫差。（3）顯示方式靈活多樣。溫度場的圖像可以采用偽彩色顯示，也可以通過數(shù)字化處理，采用數(shù)字顯示各點的溫度值。(4)能與計算機進行數(shù)據(jù)交換，

便于存儲和處理。

2紅外無損檢測儀器171．紅外無損檢測在熱加工中的應用在熱加工中應用紅外無損檢測技術的場合比較多。1）點焊焊點質(zhì)量的無損檢測采用外部熱源給焊點加熱，利用紅外熱像儀檢測焊點的紅外熱圖及其變化情況來判斷焊點的質(zhì)量。無缺陷的焊點，其溫度分布是比較均勻的，而有缺陷的焊點則不然，并且移開熱源后其溫度分布的變化過程與無缺陷焊點將產(chǎn)生較大差異。上述信息可以用來進行焊點質(zhì)量的無損檢測。圖6-87是點焊質(zhì)量的紅外無損檢測示意圖。

2紅外無損檢測技術的應用18點焊質(zhì)量紅