《典型红外检测仪器》PPT课件.ppt

第五章 典型红外检 测仪器及其应用 5.1 红外辐射测量技术 n1. 红外辐射测量方法分类 n红外辐射测量按其测量方式分为两大类，即主动 式和被动式。主动式测量是由辐射源照射被测物 体，根据物体对辐射的吸收、反射、透射情况， 确定物体的热特性或其他物理性质。被动式测量 则是利用物体自身的红外辐射特性相对于周围环 境的差异，通过测量其辐射能量，从而确定物体 的物理性能。 n此外，红外辐射测量还有稳态测量和非稳态测量之 分。如在探侧工件的缺陷时，常需加热工件，热流 在缺陷部位产生热量堆积，而在其表面部位产生过 热点。有两种方式测量表面过热点的温差异常，一 种方式是在工件表面和内部达到热平衡后进行测量 ，称为稳态测量；另一种方式是让工件表面和内部 保持一定的温度梯度，使产生热传导称非稳态测 量。实践表明，对于较小的缺陷，采用非稳态测量 比较合适，但在诊断存在异常温度的潜伏热源方面 如对电子仪器元器件的检查、医学诊断和地质探 矿等领域，稳态测量法得到了广泛的应用。 红外辐射测量的特点 n红外辐射测量技术有许多优点，主要是： n（1）非接触测量。测量过程中不与被浏物体接触， 不破坏目标的温度场，测量结果不受目标与探针之 间接触状况的影响。 n (2)测量精度高。测量的标准偏差可小于百分之一， 尤其是对温度的测量，在最佳条件下甚至能分辨 0.1的温差。 n(3)空间分辨串高。用红外显微镜可测量几微米的目 标，因此能分辨出集成电路上的单个元件。 n(4)响应速度快。响应时间可达到毫秒或微秒数量级 ，并能在几秒钟甚至更短时间内扫描完一个大的视 场。 红外测量仪器的基本构成 n一个比较完整的红外仪器通常包括光学系 统、调制盘、红外探测器、电子处理线路 和显示记录装置等部分。其中光学系统 用于收集目标红外辐射并将它会聚到红外 探测器上，其设计原则是要尽可能多地收 集辐射而又使噪声最小。调制盘对入射的 连续红外辐射进行调制，使直流信号变成 交流信号。 n在一些较精密的红外仪器中，还采用了参考黑体。在 调制器阻断目标辐射期间，让探测器接收参考黑体的 辐射，以作为辐射测量的基准。红外探测器接收经过 调制的红外辐射，井转变成电信号。电子处理线路将 来自探测器的电信号进行放大，并进行各种信号处理 。显示记录装置将经过处理的信号进行显示和记录， 其 n方法有多种多样，如屏幕显示、数字显示、热图显示 ，以及笔式记录、照相记录、磁带记录等。 5.2 红外辐射计 n概括地说，辐射计是使入射辐射的某些特性定量化 的计量仪器。红外辐射计是一种测量红外辐射的仪 器。原则上讲，任何一种红外辐射测量装置都可以 叫做红外辐射计，它们都是根据投射到该装置上的 红外辐射功率引起的响应来测量辐射源的红外辐射 待性的。 n 为了满足各种应用的需要，对红外辐射计经常有 如下原则性要求：1.系统口径要尽可能大；2.探测 器尺寸要尽可能小；3.视场角应尽可能大。 举例 n图5-1 卫星发射中所使用的扫描红外辐射计 图5-2 数字式红外辐射计 图5-3 热熔红外辐射计 图5-5 可见光红外扫描辐射计 红外辐射计的分类 n 根据红外辐射计的光谱响应特性，可以把它分为 如下几种类型； n (1)全辐射辐射计。它对常用红外光谱的所有部分 都有平坦的或者相等的响应。若探测器均匀地响 应所有波段的辐射(如热探测器)，而光学系统又 对所有波长的入射辐射全部透过或无吸收(如反射 式光学系统)，则辐射计能够在240 微米波段上 获得近似均匀的响应。这时，输出指示值将比例 于光学系统上的总辐照度。 n(2)宽通带辐射计。一般称使用在较宽波段上且有 响应的探测器(如PbS探测器)为宽通带辐射计。这 种辐射计的响应只由探测器的响应波段范围决定 。 n(3)滤光片辐射计。若在红外探测器前面安放一个 红外滤光片测构成滤光片辐射计，或称窄通带辐 射计。这种辐射计的响应将受红外滤光片通带的 限制，根据需要，对滤光片通带进行选择，可获 得任意小的光谱区间。 n（4）光谱辐射计。她由产生窄带辐射得单 色仪和测量辐射功率的辐射计组成。光谱 辐射计利用色散棱镜或衍射光栅进行分光 ，辐射光谱中每个小波段的辐射经过出射 狭缝进入辐射计。为了选择特定的波长， 可利用色散元件与反射镜组合件的旋转， 改变通过出射狭缝的波长。 红外辐射计的基本组成和功能 n红外辐射计均包括下列三个基本组成部分： n（1）探测器。将红外辐射功率转换成电输出信号 。 n（2）光学系统。它用于收集处于视场内的辐射源 发射的红外辐射，并将其聚焦到探测器焦平面上 。 n（3）电子学放大与输出指示系统。它与探测器共 同决定着辐射计对辐射随时间变化的响应特性。 5.3 红外测温仪 n红外测温仪种类繁多、按测温范围可分为高温测温仪 (7003200)、中温测温仪(100700)和低温测温 仅(100)。 n通常是按工作原理将其分为三种类型。 n第一类称为全辐射测温仪，它收集目标发出的全部辐 射能量，而由黑体标定出目标温度，其特点是结构简 单，使用方便，但灵敏度较低，误差较大； n第二类是单色测温仪，它利用单色滤光片，选择单一 的辐射光谱波段进行测量，以此来确定目标的温度， 其待点是结构简单，使用方便，灵敏度较高，在高温 或低温范围内使用效果较好。 n第三类叫做比色测温仪，它靠两组不同的 单色滤光片收集两相近辐射波段下的辐射 能量，通过电路进行比较，根据比值确定 目标温度，其待点是结构比较复杂，但灵 敏度高，特别适用于中、高温范围的测量 。 举例 n图5-6 H64红外测温仪 图5-7 超远距离红外测温仪 图5-8 高温红外测温仪 红外测温的优点 n红外测温与传统的接触式测温相比，具有如下优点 ： n (1)远距离和非接触测量。红外测温仪是通过测量 物体的红外辐射来确定物体的温度，不需与被测物 体接触，井可远距离测量，它特别适合于对高速运 动体、旋转体、带电体和高温高压物体的温度测量 。 n (2)响应速度快。红外测温仪不像热电偶、温度计 那样，需要与被测物体接触并达到热平衡，而只要 接收到目标的红外辐射即可定温，其响应时间在毫 秒甚至微秒数量级。 n(3)灵敏度高。田物体温度的微小变化就会 引起辐射能量较大的变化，易于被探测器 测出，故红外测温仪的可测温差很小，可 达零点几摄氏度。 n（4）准确度高。由于红外测温仪是非接触 测量，不破坏物体本身的温度分布，所测 温度真实准确，测量精度可达0.1摄氏度以 下。 n（5）测温范围广。红外测温仪可测温度范 围很广，可从负几十摄氏度到正几千摄氏 度。 红外测温仪的应用 n1. 红外测温仪在火车热轴探测上的应用 n火车在高速运行中，车轴和轴瓦会因摩擦而过热 ，形成“热轴”，这种情况如不及时发现，则将造 成严重事故。据统计，80以上的火车翻车事 故是由“热轴”引起的。过去是铁路工人在火车停 站时钻到车厢下面去用手摸轴箱的方法发现异常 现象，方法麻烦且失误较多。现在采用红外测温 技术将红外测温仪(常称红外热轴探测仪)贵于铁 轨两旁，自动监测“热轴“清况，根据袖温波形可 分析和判断袖箱的发热程度，一旦发现异常便可 及时采取措施。 n大秦线红外线一机双探系统是双角度两个探头的自动探测 监测系统，同时采集温度，实现对车辆轴承的不同部位的 同时探测，并传输温度信息。采用265（内探）、397（ 外探）两种探测角度的探测系统关键技术，对滚动轴承的 温度进行多点采集，实现温度准确判别。“内外结合”真正 实现了防漏报、减误报的目的。该装置属于路内重载运输 红外线双探监测技术的首次研发，实现了红外线热轴双角 度探测，准确地对有关热轴进行预报并提高了兑现率，适 用于重载铁路运输，具备红外线热轴探测先进水平，在重 载运输范围的红外线热轴预报系统方面属于路内首创，达 到了路内领先水平，具有较好推广前景。应用后减少了大 量的非正常停车造成的更换轮对费用支出，降低了车辆段 的检修成本，减少了热轴误报对运输干扰发生，年创效节 约运输费用约三千万元。该成果获得2008年度太原铁路局 科技成果创新奖二等奖。 图5-9 铁路沿线的热轴探测系统 图5-10 热轴探测结构 n2. 红外测温仪在电力工业中的应用 n在电力工业中，往往因输电网的电气元部件出现 松动、破裂、锈蚀等缺陷造成接触电阻增加，致 使温度升高，导致事故的发生。因而，输变电网 的质量安全检查十分重要。过去只能动用大量人 力经常进行检查，既费工费时，又不易发现隐患 。现在，由于红外检测技术的发展，电力系统对 各种电气设施热故障的检测可采用热像仪或红外 测温仪。与热像仪相比，红外测温仪价格低廉， 操作简单，携带方便，在电力工业中的应用尤为 广泛。 n3. 红外测温仪在钢铁工业中的应用 n在炼铁生产中，红外测温仪可用测量热风炉拱顶 的温度，还可用它研究铁水硅含量与铁水温度之 间的关系，以提高炼铁质量，还可测量高炉渣流 出温度。 n 轧钢在线生产中，可大量使用红外测温仪，因为 从开坯到成材，锭、坯在轧制工艺中均处于运动 状态，只能用非接触测温。 n在初轧机前安置红外测温仪，连续测定和 记录每块钢锭的开轧温度和轧态温度变化 ，这样可保证开轧质量，避免轧辊断裂等 事故的发生。在热连轧机处安置测温仪， 可监视轧材温度，控制生产过程。为冷轧 带钢镀锌炉和硅钢片加热炉安装测温仪， 可测量冷轧镀锌带和硅钢片的温度，对保 证钢材质量，提高产品的防腐蚀性能和电 气性能有很大作用。 n4. 红外测温仪在热处理加工中的应用 n在热处理加工过程中，测定工件温度对于 实现监控十分重要。与用热电偶的直接测 温相比，采用红外测温仪测量工件表面温 度更加准确可靠，它可满足热处理工件在 8001100范围内的测温要求。 n离子氮化热处理新工艺需要严格测定和控 制工件的表面温度。若采用红外比色测温 ，不受炉内工件表面状况、窗口污染、炉 内电离气体、辉光发电、阴极溅射等因素 的影响，而且稳定性好，重现性强，并能 进一步实现自动控温。实践表明，采用红 外测温，可使工件氮化质量获得保证，并 可改善劳动条件，节约工时等。 n 现代铸造工艺广泛应用了电感应加热新工艺。这 种工艺能以极快速度加热锻坯，使之迅速达到锻 制温度，减少锻坯氧化。但过去由于缺少适当的 测温手段，无法保证锻造质量。由于红外测温具 有非接触测量和响应时间快的优点，它是电感应 加热测温的最佳方法。在感应线圈中加热的锻坯 ，其表面温度可直接用红外测温仪进行测量PR时 也可用测温仪实现监控，实现锻坯加热自动化， 并可减轻劳动强度。 n5. 红外测温仪在玻璃工业中的应用 n在玻璃生产过程中，温度是重要的工艺参 数。过去常用热电偶做温度传感器，但热 电偶在许多场合不适用，而且精度低、响 应时间长。红外测温技术应用于玻璃工业 可以快速、准确地测定温度，从而提高了 产品质量，降低了成本。 n6. 红外测温仪在电子工业中的应用 n红外测温仪在电子工业中有广泛的应用。红外显 微测温技术特别适用于半导体器件和集成电路热 点的测量。它对产品检验、工艺过程控制、失效 分析等非常重要，对任何微小目标均可进行非接 触式测温，且不破坏器件的性能。红外显微镜可 探测直径为几微米的物体，温度分辨串可达 0.05。在实际测量中，红外显微镜可用来检测 晶体管中基片与衬底间的焊接质量和引起击穿的 热点，并可通过对晶体管温度的测定，估计管子 的寿命。 5.4 红外水分仪 n在现代化工业生产中，要实现生产线的全 自动化，需要对某些参数(如水分)实施实时 监控。通常需要控制原料、中间产品和成 品的湿度，尤其是需要快速而连续地现场 测定物料的含水量，因为物料中的含水量 是一个十分普遍而又相当主要的监测和控 制参数，它直接影响生产的成品率和产品 质量。 红外水分仪的分类 n根据测量从物料反射或透射的红外辐射的情况，红 外水分仪又分为反射式红外水分仪和透射式红外水 分仪。反射式仪器常采用双波段或更多波段的测量 方法，这样，光源的不稳定性、大气的吸收以及放 大器增益的变化等影响测量精度的因素都可以消除 ，而且仪器的校准基本上不依赖于物料的压实密度 ；而透射式红外水分仪不仅其测量结果要受到测量 区域物料数量及压实密度的影响，而且要求在所用 的红外波段上有一定的透过串。反射式红外水分仪 适用于固体和粉末材料的测量，工业生产中大都使 用这种仪器，而透射式红外水分仪则适于测量气体 或液(流)体的含水量。 n 如果根据选用的测量和参考波段数的不同 分类，红外水分仪又可分为双波段水分仪 和三波段水分仅，或称为双色水分仪、三 色红外水分仪。 举例 图5-11 在线红外水分仪 图5-12 红外水分仪 红外水分仪原理 n红外式水分仪是利用红外光谱法分析物质中水分 含量的仪器。红外光波是一种电磁波，各种电磁 波都具有一定的能量，不同的波长有不同的能量 。各种物质对电磁波的能量有吸收的能力，但是 这种吸收是有选择性的，不同分子对所吸收的电 磁波的波长也不同，一种分子只能吸收某一种或 几种波长的电磁波，而对其他波长的电磁波的能 量则不具有吸收能力。 工作过程 n如图5-13所示，红外线光源1通过装有两个不同波 长的滤镜的旋转滤光片2，一个过滤镜通过的波长 为1.94微米的红外线，它正是水的吸收波段；另 一个过滤镜通过1.8微米波长的红外线，则不能被 水吸收。被测物料6暴露在红外光束下，经过反射 ，收集于硫化铅探测器3变为电信号，经过放大， 将两个波长的信号比值由指示仪表11显示，即可 测出水分含量。 图5-13 红外水分仪原理图 微波水分仪原理 n微波式水分仪工作原理是高准确性的谐振测量 ，它利用的微波谐振频率为20003000兆赫。 当微波在传输中通过含有水分的物质时，一部 分电磁能就被水分子吸收而使微波强度有所衰 减。另一方面，电场对水分子中氧离子、氢离 子正反的转化影响谐振频率。 工作过程 n主要由微波震荡器3与微波衰减器5组成， 微波信号由波导管发射经过样品4，被微波 衰减器接受，经放大器6和检波器7后由指 示仪表8显示，即可测出水分含量。 图5-14 微波水分仪原理图 双波段红外水分仪 n红外水分仪是根据水在特定红外波段上大量吸收 红外辐射的原理进行工作的。当红外辐射从物料 反射或透射时，辐射的衰减情况就可反映物料中 水的含量。一般物料的表面形状不平滑，因此它 的表面反射率也不固定洞时，在生产过程中测量 距离经常变化，因而到达探测器的辐射能量也有 变化。若只利用吸收波段进行测定，这些变化就 会形成干扰，引起水分测量的误差。 n为了消除外部干扰的影响，一般采用比率法进行 酗量，即除使用水的某一吸收波段外，还使用该 波段附近不易被水吸收的波长作为比较波长，测 量被测物料的水的待征吸收波长和相邻的不易被 水吸收的比较波长两者的辐射能量反射率比率， 并据此得出物料的含水量。在用比率法测量水分 时，外界干扰对这两种波长的影响基本相同，所 以求出的这一比率就消除了外界干扰的影响。人 们常把利用比率法进行测量的水分仪称为双波段 红外水分仪。 n双波段红外水分仪一般包括窄带滤光片、透射和反 向散射吸收计、机械扫描器、取样器和模拟及数字 外围设备等部件。 n装有干涉滤光片的扫描调制盘依次从光源选择窄带 红外辐射，两块滤光片的中心波长分别为常用水吸 收波长1.94微米和不被水吸收的比较波长1.70微米 。含两种波长的红外辐射投射到被测物料上，反射 光经凹面镜反射聚焦在红外探洲器上，其输出信号 经前置放大器放大后传输到几十米远处的测量装置 中。测量装置由主放大器、电子开关、自动放大调 节器(标准信号)、鉴别器(两个信号的分离和整流)及 指示表头等构成。 图5-15 双波段红外水分仪结构图 n2. 三波段红外水分仪 n三波段红外水分仪除采用双波段水分仪所使用的两 个波段外，又增加了一个比较波段。它把被水吸收 的波长和其两侧难于被水吸收的另两个波长作为比 较波长进行比较，借以消除被测物的表面状态、颜 色、组分等(称作质地)的变化而引起的测量误差。 n 对于红外水分仪来说，质地的影响表现为被测物 表面的分光持性的斜率。双波段时，比较波长信号 的变化易导致示值误差，而三波段时，由于是取比 较波长信号之和，示值误差可以相互抵消。 3. 四光束红外水分仪 n四光束红外水分仅的工作原理与双波段红外水分仪 基本相同，所不同的是光学系统采用双光路，使用 两个辅助光束消除漂移，从而使仪器能长期稳定地 工作。这两个辅助光束具有与两个主光束相同的吸 收波长相比较波长，但辅助光束不投射到物料上， 而是通过仪器内部的光学系统，直接投射到红外探 测器上。投射到物料上的两束主光束与双波段红外 水分仪一样，经物料反射后、被聚焦到红外探测器 上。 n n四光束红外水分仪的主光束和辅助光束均 来自同一光源，通过相同的滤光片，并会 聚到同一个红外探测器上。四个光束转换 成电信号并经电学处理后，它们的电信号 强度与含水量有以下关系 n一般说来，光电检测仪器均需恒定的光源，但光 源的稳定性易受电源的波动、光源器件本身的老 化等因素的影响。四光束红外水分仪使用了所谓“ 真实比值”原理来消除这些影响。当吸收波长的光 源强度发生变化时，两支光路中的M和M值会同 时按比例地发生变化，适当地调整电路，可以使 射和射的变化量相抵消，从而消除光源强度变化 对测量结果的影响。而当被测物料中水分含量变 化时，只是M值的大小发生变化，M值不改变， 因而整个方程式的值也会随含水量的变化而改变 ，这样就能反映出物料中水分的真实变化。 n与双波段红外水分仪相比，四光束红外水分仅有以 下待点：1.光学系统中采用独持的双光路，其四光 束的“真实比值”原理能补偿诸如光源、红外干涉滤 光片等光学元件的老化以及红外探测器性能随环境 温度变化等因素引起的误差，因而仪器可获得长期 稳定性和测量准确度；2.仪器设有故障自检电路， 可对故障进行自动诊断显示，3.测量头部相信息处 理盒可采用密封措施，能在有粉尘、水汽的环境中 正常工作。 红外水分仪的应用 n1. 面粉水分的控制 n在面粉加工中，当水分稍有增加时，面粉 即由松散状态变为粘糊状态，所以必须严 格掌提面粉含水量的变化。红外水分仪可 以精确测定水分含量，很容易对干操炉进 行连续的控制，使面粉的含水量随时达到 要求的水平，从而提高面粉的加工质量。 n2木屑水分的控制 n 用各种搅拌器使木屑板所用切屑与粘合剂充分混 合，让它流入模型中，便制成本屑板。木屑所含 水分不同，其粘合条件也不同。同时，水分不均 匀也会影响粘合强度。因此，在木屑板生产中， 对水分的控制至关重要。采用红外水分仪对木屑 的含水量进行监测和控制，可以解决生产中的这 些问题，使木屑板的产品质量得到保证。 n 3煤含水量的测定 n 煤是低反射率物料，用双波段红外水分仪测量， 灵敏度太低，加上质地的影响，不能测得真值。 另一方面，煤的颜色虽为黑色，但其色调会因含 水量不同而有差异。实际上，煤本身近似褐色， 由于它含水吸光而变为黑色，这种色调的变化就 是质地的变化。应用三波段红外水分仪可以测定2 12范围的煤含水量，而且还可以连续测量 。与用于燥法和中子水分仪测量相比，具有使用 方便、精度高、结构简单、可连续测量等优点。 n4粘土粒粉水分的监控 n 颗粒状陶瓷粘土的水分含量对于生坯的压制和成 形是一个关键因素，如果粘土含水量不当，则会 导致生产出的生坯强度降低、夹气、尺寸不准， 烧制中易出现开裂。由于粘上的压实密度与含水 量之间不呈线性关系，许多水分仪都不实用，然 而，基于红外反射原理的红外水分仪却可以有效 地应用，由于它基本上不依赖于压实密度，因而 可用来精确测量和控制粘土的水分含量，在生产 中充分发挥其独特的作用。 n5纸张含水量的测量 n 在纸张生产中，纸张及纸板中的水分含量是一个 重要参数。对纸的含水量的测定，对于保持质量 稳定，减少能源消耗，提高生产效率等均十分重 要。一般规定纸张含水量在312范围内为合 格。对于纸张水分的测量，过去普遍采用原始的 称重量法，这种方法既繁琐又费时。应用红外水 分仪测量纸张水分，精度高，速度快，可以直接 显示。在生产线上使用时，纸张定量为7380 g m2时，能保证测量精度，其误差在0.51 的范围内。 FD-G1型纸张水分仪 n 应用日本先进的传感器,采用高周波原理制成，准确测量纸板、纸张 、瓦楞纸箱、木材等水分。可在卷纸机上测量，也可在纸垛上测定纸 张水分。 测定范围广：FD-G1适用于各类型纸制品。 轻便灵巧：FD-G1约重200克，长约160mm，小巧玲珑，便于携带 ，适合现场使用。 无损检测：FD-G1废除了扎针，只需将探头轻轻接触纸张表面，即 能显示纸张当前含水率，且不会损坏被检测物。 直观便捷：FD-G1测定快速并直接以数字显示。 简单快捷：FD-G1设置了种类修正，保证仪器对各类型纸张的含水 率准确测定。 一体结构：探头与机体结为一体，排除了因连接线而造成的故障发 生。 图5-16 FD-G1型纸张水分仪 n6在烟丝生产线上对含水量的监测 n 在烟草工业中，卷烟生产的各个生产环节上对原 料含水量进行监测和控制是保证质量、提高优质品 率的关键措施。烟丝和烟叶的含水量更是一个重要 的工艺参数，现场连续测定和控制这一参数对于 提高卷烟成品的质量、降低能耗均有显著的经济效 益。红外水分仪由于能进行非接触测量，不污染被 测物，能连续在线监测，故最适于在制丝生产线上 ，测定和控制全叶叶片、加工的烟叶、烟丝、加香 料及雪茄烟填充料、梗丝等中的水分和焦油含量。 在现代化卷烟生产中，红外水分仪已成为生产线上 必不可少的在线监控设备。 5.5 红外报警仪 n红外报警仪是根据红外传感器观测得到的数据和预 定的判断方法，对一种现象的状态作自动判断的一 种设备。 n 最早的红外报警仪是根据入侵者遮断红外光束的原 理制成的，即仪器的发射器向接收器发送一条窄的 红外脉冲光束，当入侵者挡住了红外光束的传播路 径时，就立即被红外接收装置“觉察”，随即发出报警 信号，因此，这种报警系统又叫做红外线闭锁装置 。后来，又发展了无源的被动式红外报警器，它是 利用记录目标的红外辐射和周围背景辐射的差异进 行工作的。 红外报警仪的分类 n按仪器的探测方式不同，红外报警器可分 为主动式、被动式和主、被动式结合的复 合式等三大类。 5.5.1 主动式红外报警仪 n主动式红外报警仪主要由发射器和接收器以及信息处 理等部分组成，其中发射器包括红外辐射源、光学系 统(反射镜或透镜)和不透可见光的滤光片等。辐射源 要放在光学系统的焦点上，使之能发射出平行光线。 接收器包括红外探测器和光学系统。红外探测器一般 采用高灵敏的近红外器件，如PbS元件，它放在光学 系统的焦点上，使进入接收系统的红外线能全部会聚 到探测器上。报警装置与放大器相接，它可输出报警 信号。当入侵者通过或停留在发射器和接收器构成的 警戒线时，入侵者切断射向接收器的红外线，使响应 信号消失，报警装置便发出报警信号。 图5-17 红外对射探头 举例主动式红外自动报警器 n该仪器有一台光机电结合、靠阻断红外光路而自动 产生报警信号的装置。它由发射器、接受器、监视 器和微调支架等四部分组成，如图919所示。发射 器发射波长为0.94微米、张角为1.15度的红外光束 ，接收器接收到这一红外光束后便把它转变为电信 号，该信号经处理后形成一种具有特定功能的信号 ，即只要红外光束被切断，信号幅度就下降到门限 电平以下，处理电路立即变换到报警状态，该状态 信息送到监视器就产生声光报警信号。监视器还具 有检查仪器工作正常与否的功能、自动记忆功能和 拖动外指示负载的功能。微调支架可在正负5度方位 和俯仰两个方向上调整发射器和接收器的位置。 图5-18 5.5.2 被动式红外报警仪 n 被动式红外报警仪在许多方面优于主动式仪器，它 的主要优点是：隐蔽性好，无需发射红外光束，不 易被发觉；抗干扰性强，不受气流、噪声、无线电 频率、振动或声音等干扰的影响，性能稳定可靠， 误警车低；结构简单，安装方便，维护容易价格 便宜等。 n 被动式红外报警仪实际上是一种移动探测系统，探 测入侵者闯入警戒区或在警戒区为移动时引起的红 外辐射场分布的变化。由于一般目标(人、车辆等)的 辐射波长都在7微米以上，需用响应波段较宽的红外 探测器，而热释电器件正好能满足这一要求，因而 它常用于被动式红外报警仪。 举例 图5-19 红外智能声光报警器 图5-20 商用红外防盗报警器 图5-21 家用无线防盗报警器 工作原理 n被动式红外报警仪的工作原理可简述为： 在无目标时，探测器只接收到背景辐射， 输出信号恒定不变；但当警戒区出现目标 时，由于目标辐射和背景辐射的叠加，输 出信号就会发生变化，从而被仪器记录下 来，并发出报警信号。 组成 n被动式红外报警器一般由光学系统(大多采 用透射式)、传感器和信息处理等三部分组 成，其中，红外光学系统会聚警戒区内因 目标出现所引起的红外辐射场的变化，红 外传感器将此变化转变为电信号经信息 处理给出报警信号，然后送到监视系统告 警。 5.5.3 复合式红外报警仪 n将两种不同探测技术复合在一起，并设定 需经过两者双重鉴证是处于入侵状态时才 发出信号告警，这种报警装置称为复合式 红外报警器或双鉴式探测器。比如微波 被动红外双鉴器、超声红外双鉴器等。 微波被动红外双鉴器是根据微波的多普 勒效应探测运动物体的原理和入侵者引起 红外辐射场变化的机理而设计的。 图5-22 双路无线遥控报警器 图5-22 微波双鉴报警器 5.6 红外热像仪 n 热像仪作为一种红外成像仪器，不但在军事应用 中占有很重要的地位，在民用方面也具有很强的 生命力。它除具有红外测温仪的优点(如非接触、 快速、能对运动目标和微小目标测温等)外，还具 有下列优点： n (1)直观地显示物体表面的温度场。红外测温仪 只能显示物体表面某一小区域或某一点的温度值 ，而热像仪则可以同时测量物体表面各点温度的 高低，并以图像形式显示出来。 n n(2)温度分辨力高。红外测温仪由于各种因素的影响 ，很难分辨0.1以下的温差，而热像仪由于可以同 时显示出两点的温度值，因面能准确区分很小的温 差，甚至可达001。 n (3)可采用多种显示方式。热像仪输出的视频信号 包含目标的大量信息，可用多种方式显示出来。例 如，对视频信号进行假彩色处理，便可由不同颜色 显示不同温度的热图像；若把视频信号进行模数转 换处理，即可用数字显示物体各点的温度值； n(4)可进行数据存储和计算机处理。热像仪 输出的视频信号，可用数字存储器存储， 或用录像带记录，这样既可长期保持又可 用计算机作运算处理。 热像仪的分类 n 热像仪种类繁多，按用途可分为军用热像仪和民用 热像仪。 n (1)军用热像仪。热保仪在军事上有广泛的用途。陆 军主要用于夜间监视、瞄准、侦察、射击指挥、红外 对抗、制导和防空等：海军主要用于监视、巡逻、观 察和导弹跟踪等；空军土要用于轰炸机、侦察机、攻 击机等的导航、着陆、营救、空中侦察和高空摄影等 。军用热保仪包括各种红外观察仪、各类红外热瞄具 、坦克及装甲车驾驶员用的潜望式红外热保仪、装有 激光测距机的热保仪、配于火控系统和跟踪装置上的 热像仪、前视红外系统和红外摄像机等等。 n(2)民用热像仪。近年来，热像仪在民用方面有越来 越多的应用，如无损检测、医疗诊断、资源勘查、 气象测绘和执法保安等方面，包括各类工业用热像 仪、勘查资源用热僚仪、医用热像仪以及科研用热 嫁仪等等。 n 按扫描读出方式，可分为机械扫描热像仪和凝视 型热像仪。 n (1)光机扫描热保仪。历来研制和生产的热像仪， 大都采用光学机械扫描方式，故称光机扫描热像仪 。根据扫描器在光路中位置纳不同，又分物方扫描 和像方扫描两种扫描方式。根据探测器相对于行扫 方向排列方式的不同，又分串扫和并扫热像仪。 n (2)凝视型热像仪。近年来，焦平面列阵 技术的发展，使制作凝视型热像仪成为可 能。凝视型热像仅基于高密度两维焦平面 列阵，完全取消了复杂的光学机械扫描装 置，使热保仪结构大为简化，性能大大提 高，从而使热成僚技术发展到一个新的阶 段。 n 为了反映热像仪的性能水平，更合理的分类方法是 按热像仪用探测器的类别来划分热像仪的种类，这 样可分为： n (1)单无探测器热僚仪：使用一个探测器元件的热 像仪。 n (2)多无探测器热保仪：使用多个单元器件组成的 探测器列阵。 n (3)sPRITE探测器热保仪：这种热像仪使用高性 能SPNTE探测器，信号能在探测器内进行延迟与积 分，从而简化了光机扫描，并使热像仪的性能大为 改善。 n n(4)焦平面列阵热像仪：采用二维焦平面列 阵器件作探测器，它可大大简化光机扫描 机构。如果列阵器件的元数足够多，系统 就不需要光机扫描了，这种情况就是凝视 热像仪。 红外热像仪的应用 n1. 在钢铁工业中的应用 n 大型高炉料面的测定：现代炼铁高炉要求炉内加 入的原料分布均匀，从炉顶科面温度的分布可以测 定原料的分布均匀性。日本伊使用热像仪透过安装 在高萨顶部炉壳的硅玻璃窗口团定妒内科面温度， 进行图像处理后再由计算机控制给料设备的动作， 调整原料流量，使炉料分布合理，起到降低焦比的 作用。我国宝钢1号高炉，使用国产热傍仪，实时采 集、计算、显示料面温度，对决定原料的定量投放 、提供生铁产量和质量、延长炉龄和节能降耗起了 重要作用。 n 热风炉的破损诊断和检修：热风炉的炉衬在生产中 容易被饶坏，但因炉子是封闭的，烧损位置不易发 现。上海梅山钢铁公司应用热像仪诊断炉子破损位 置，及时进行检修，大大延长了热风炉的使用寿命 。 n高炉残铁口位置的确定：高炉大修之前，需要在炉 子上开口把炉内残铁排尽。以往凭经验确走开口位 置，往往不准确，造成残铁徘不尽给拆炉工作带 来困难。本溪钢铁公司5号高炉大修时，用 481热像 仅对炉壳测温，在死铁层下测出拐点，只用了25min ，就确定残铁水的下表面位置和开口位置，开门后 残铁全部排尽。 n钢锭温度的测定：炼钢厂浇注的钢锭，齐入均热炉 前的湿度很重要。宝山钢铁总厂应用热像仪对入炉 前的钢锭进行表面温度测定，使均热炉对钢锭加热 达到最佳化，并且节省了煤气用量。 n连铸板坯温度的测定：在连铸机中板坯的拉制与冷 却水量及拉坯速度有一定关系，研究这一定量关系 对板坯的产量、质量及连持机的安全生产权为重要 。武钢用AGA 780热像仪对铸坯在不同冷却水量和 不同拉坯速度下的温度进行测定，取得了大量数据 ，从而制定出与铸坯温度相适应的生产工艺规则， 使连铸机能稳定运转。 n钢铁模温度的测量：为了改进钢锭模的使 用寿命，减少消耗，需测定锭模热态工作 状态下表面温度场的变化规律。武钢、鞍 钢和大连工学院联合测定了钢铁模从浇注 到脱模之间表面温度场的变化情况，获得 了该温度场的变化规律、锭模的最高温度 及其位置和持续时间等数据，利用这些数 据成功地设计出了高质量的钢铁模。 n出炉板坯温度的测定与控制：从加热炉出来的待轧板 坯，要求温度分布均匀。鞍钢中板厂用6T61热像仪 测定了出炉板坯的温度，发现炉宽方向温度不均匀， 还发现板坯出现“黑印”，据此，分桥了原因，采取了 相应措施，消除了这些问题，从而保证了板材质量。 n热轧辊表面温度的测定：热轧辊长期在高温下工作， 容易产生热疲劳裂纹，这与轧辊表面温度分布及变化 的规律有关。武钢用6T61热像仪测量，发现轧辊表 面温度分布不均匀，这与生产中轧辊冷却水分布不均 、钢坯温度不均等因素有关，因此采取相应措施，从 而减少或消除了热裂纹。 2. 在石化工业中的应用 n对裂解分馏塔底积焦的检测；裂解分馏塔 底积焦是影响尤里卡装置长周期运行的关 键。采用热像仪测量塔底积焦时外壁热像 特征可判定塔内各处积焦程度，并根据结 果指导工艺操调、确定最佳运行方案。实 践表明，该检测方法与工艺结合后，裂解 分馏塔的运行周期由原来的平均30天延长 至268天，获得了明显的经济效益。 n评估醋酸乙醚装置衬里损坏状况；石化设 备中，醋酸乙醚装置的关键设备(催化再生 器、反应器和除沫器等)内部有多层衬里材 料。利用热像仪检测其外壁温度场再结 合传热学理论计算其内部保温层厚度，可 了解装置运行情况下的衬里损伤程度，从 而为制定检修方案提供参考。 n检测裂解炉炉管局部“热斑”：裂解炉是乙烯 生产的心脏，炉管内结焦形成炉管热斑将 严重影响其使用寿命。利用红外热像仪通 过窥视孔对炉内炉管测试，可得到热斑的 热保特征，为维修炉管的实施方案提供依 据。 n对催化裂化装置的检测：催化裂化装置是 炼油厂中的重要装置。它的核心装置(催化 再生器和沉降器)在生产运行中衬里状况的 好坏直接关系着筒壁的安全，因此需随时 进行检测和诊断。用热保仅对它们进行定 期的壁温检测，分析衬里状况和可能发生 的故障部位及程度大小、发展趋势，并将 结果及时提供给厂方，为厂方实施检修提 供依据。 n对热力管线外壁温度的测量；蒸汽热力管线在炼 油厂纵横交错，分布繁多，管线外壁保温层材料 在生产过程中会逐渐破损、掉落，管线外壁温度 随时升高，造成大量热损失。茂明石油工业公司 炼油厂应用进口热保仪对蒸汽锅炉至一催化、二 蒸馏、低压蒸汽的热力管线进行丁管线外壁温度 扫描测量，根据测得的数据，计算热力管线的外 壁热损失情况。由于提供的温度分析数据十分准 确，有关部门据此迅速更换了保温材料。经运行 一段时间后再对外壁温度跟踪扫描，发现效损失 大大减小，取得了较为显著的经济效益。 3. 在电力工业中的应用 n用装有热像仪的直升飞机巡查高压线路 n对发电机定子的检测 n在发电机内部，往往由于绝缘或生产过程的其他 原因引起绝缘性能损坏，使定子活动钢片接通， 而在电机工作时，这些接通的地方就易形成过热 点。用热保仪观察定子表面的热场，就能确定铁 心缺陷形状和精确位置。检测过程中，一般是根 据热图的相对灰度、缺陷部分的形状和灰度随时 间的变化过程等来评价缺陷的性质。此外，根据 定子的热图还可检查发电机定子的安装质量，并 可为层间绝缘老化过程提供诊断。