红外热像认证工程师培训(原理部分).pdf

1沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 红外热像认证工程师培训红外热像认证工程师培训 原理部分原理部分 2沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 了解温度了解温度 3沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 热量的概念热量的概念 热量是能量的一种形式。热量是能量的一种形式。 热力学第一定律：热力学第一定律： 封闭系统中（无能量添加或转移），总能量恒定，能封闭系统中（无能量添加或转移），总能量恒定，能 量既不会增加也不会消失。也称为能量守恒定律。量既不会增加也不会消失。也称为能量守恒定律。 热力学第二定律：热力学第二定律： 在封闭系统中，热量总是从温度较高的区域流向或传在封闭系统中，热量总是从温度较高的区域流向或传 递到温度较低的区域，除非通过做功使其向反方向移递到温度较低的区域，除非通过做功使其向反方向移 动。动。 请大家举例说明上述两个定律。请大家举例说明上述两个定律。 4沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 温度的定义温度的定义 温度是某种物质相对于某个参照物的冷热程度的量温度是某种物质相对于某个参照物的冷热程度的量 度；是物体内分子相对于其他物体内分子的运动的一度；是物体内分子相对于其他物体内分子的运动的一 种量度。种量度。 两个物体温度相同，但所含热量可能会不同。两个物体温度相同，但所含热量可能会不同。 （加热一杯水和加热一桶水所需的热量一样吗？）（加热一杯水和加热一桶水所需的热量一样吗？） 5沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 热量的传递方式热量的传递方式 两个物体有温度差时，或一个物体的温度改变，热量两个物体有温度差时，或一个物体的温度改变，热量 将会从温度较高的区域转移到温度较低的区域，直到将会从温度较高的区域转移到温度较低的区域，直到 达到热平衡状态。达到热平衡状态。 传导传导 主要在固体中进行，有时也在流体中进行。较热的分主要在固体中进行，有时也在流体中进行。较热的分 子将能量直接传递给较冷的分子。子将能量直接传递给较冷的分子。 对流对流 在流体中进行。在流体中进行。 辐射辐射 通过电磁波在物体间传递能量，不需要传递介质的存通过电磁波在物体间传递能量，不需要传递介质的存 在，在真空中同样会有辐射。在，在真空中同样会有辐射。 请分别针对传导、对流、辐射举例。请分别针对传导、对流、辐射举例。 6沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 热量的传递方式热量的传递方式 两个物体有温度差时，或一个物体的温度改变，热量两个物体有温度差时，或一个物体的温度改变，热量 将会从温度较高的区域转移到温度较低的区域，直到将会从温度较高的区域转移到温度较低的区域，直到 达到热平衡状态。达到热平衡状态。 传导传导 主要在固体中进行，有时也在流体中进行。较热的分主要在固体中进行，有时也在流体中进行。较热的分 子将能量直接传递给较冷的分子。子将能量直接传递给较冷的分子。 对流对流 在流体中进行。在流体中进行。 辐射辐射 通过电磁波在物体间传递能量，不需要传递介质的存通过电磁波在物体间传递能量，不需要传递介质的存 在，在真空中同样会有辐射。在，在真空中同样会有辐射。 请分别针对传导、对流、辐射举例。请分别针对传导、对流、辐射举例。 7沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 温度的测量温度的测量 有哪些温度的测量方法？有哪些温度的测量方法？ 温度计（水银、煤油、酒精温度计（水银、煤油、酒精） 双金属温度计双金属温度计 热电偶热电偶 热电阻热电阻 红外测温红外测温 讨论：这些测温方式的工作原理是什么？讨论：这些测温方式的工作原理是什么？ 8沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 按照测量体是否与被测介质接触，可分为接触式测温法和非接按照测量体是否与被测介质接触，可分为接触式测温法和非接 触式测温法两大类。触式测温法两大类。 接触式测温法：测温元件直接与被测对象接触，两者之间进行接触式测温法：测温元件直接与被测对象接触，两者之间进行 充分的热交换，最后达到热平衡。充分的热交换，最后达到热平衡。 优点：优点：直观可靠直观可靠 缺点：缺点： 1）感温元件影响被测温度场的分布；）感温元件影响被测温度场的分布； 2）接触不良等会带来测量误差；）接触不良等会带来测量误差； 3）另外温度太高和腐蚀性介质对感温）另外温度太高和腐蚀性介质对感温 元件的性能和寿命会产生不利影响。元件的性能和寿命会产生不利影响。 测温方式测温方式 - 接触式测温法接触式测温法 9沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 非接触式测温法：感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐非接触式测温法：感温元件不与被测对象相接触，而是通过辐 射进行热交换。射进行热交换。 优点：优点： 1）避免接触被测目标；）避免接触被测目标； 2）具有较高的测温上限；）具有较高的测温上限； 3）非接触式测温反应速度快，故便于）非接触式测温反应速度快，故便于 测量运动物体的温度和快速变化的温度。测量运动物体的温度和快速变化的温度。 缺点：缺点： 由于受物体的发射率、被测对象到仪表之间的距由于受物体的发射率、被测对象到仪表之间的距 离以及烟尘、水汽等其他介质的影响，测温误差相对较大。离以及烟尘、水汽等其他介质的影响，测温误差相对较大。 测温方式测温方式 - 非接触式测温法非接触式测温法 10沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 红外原理红外原理 11沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 18001800 年 英 国 的 天 文 学 家年 英 国 的 天 文 学 家 williamwilliam herschelherschel 用分光棱镜用分光棱镜 将太阳光分解成从红色到紫色的将太阳光分解成从红色到紫色的 单色光单色光，依次测量不同颜色光的依次测量不同颜色光的 热效应热效应。 他发现他发现，当水银温度计移到红当水银温度计移到红 色光边界以外色光边界以外，人眼看不见任何人眼看不见任何 光线的黑暗区的时候光线的黑暗区的时候，温度反而温度反而 比红光区更高比红光区更高。反复试验证明反复试验证明， 在红光外侧在红光外侧，确实存在一种人眼确实存在一种人眼 看不见的看不见的“热线热线”，后称为后称为“红红 外线外线”，也就是也就是“红外辐射红外辐射”。 红外辐射的发现红外辐射的发现 12沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 x射线射线 紫外线紫外线 近红外线近红外线 红外线短波红外线短波 红外线中波红外线中波 红外线长波红外线长波 微波微波 波长单位为微米波长单位为微米 (m) 10-4 10-2 0.28 0.40 0.70 2.00 6.00 8.00 104 15.00 热测量 电磁波谱是科学家们为了便于研究而给一电磁波谱是科学家们为了便于研究而给一 系列辐射现象赋予的名称。系列辐射现象赋予的名称。 光波和无线电波等红外线辐光波和无线电波等红外线辐 射是一种电磁能。射是一种电磁能。 电磁波谱电磁波谱 13沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 自然界任何物体，只要温度高于绝对零度自然界任何物体，只要温度高于绝对零度( (- - 273.15 c273.15 c) )，就会，就会以电磁辐射的形式在非常宽以电磁辐射的形式在非常宽 的波长范围内发射能量，的波长范围内发射能量，产生电磁波产生电磁波( (辐射能辐射能) )。 不同的材料、不同的温度、不同的表面光度、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。不同的颜色等，所发出的红外辐射强度都不同。 红外线红外线 14沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 红外线是一种电磁波红外线是一种电磁波，是是肉眼看不见的。肉眼看不见的。 波长在波长在0.75m 1000m之间。之间。 近红外线近红外线 -0.75m 3m 中红外线中红外线 - 3m 6m 远红外线远红外线 - 6m 15m 极远红外线极远红外线 -15m 1000m 红外线波长范围红外线波长范围 15沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 红外辐射红外辐射 16沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 由物体所发出的红外辐射在穿过大气到达测量系由物体所发出的红外辐射在穿过大气到达测量系 统时会受到衰减统时会受到衰减 衰减主要来自气体分子衰减主要来自气体分子( (水蒸气等水蒸气等) )和各种微粒和各种微粒 ( (尘埃、雪、冰晶等尘埃、雪、冰晶等) )的吸收与散射。的吸收与散射。 气体分子吸收辐射，而微粒散射辐射。气体分子吸收辐射，而微粒散射辐射。 不同物体吸收红外辐射的波段是不同的，如：水不同物体吸收红外辐射的波段是不同的，如：水 气为气为6.3m;6.3m;二氧化碳二氧化碳, , 硫和氮的氧化物等为硫和氮的氧化物等为2.7m2.7m 和和15m15m。 影响红外辐射穿透的因素影响红外辐射穿透的因素 17沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 大气衰减与波长密切相关。在某些波长，几公里大气衰减与波长密切相关。在某些波长，几公里 的距离也只有很少的衰减，而在另一些波长，经过的距离也只有很少的衰减，而在另一些波长，经过 几米的距离辐射就衰减得几乎没有什么了。几米的距离辐射就衰减得几乎没有什么了。 大气衰减阻止了初始总辐射到达热像仪。如果不大气衰减阻止了初始总辐射到达热像仪。如果不 利用校正措施利用校正措施，那么随着距离增大，测量的温度读那么随着距离增大，测量的温度读 数越来越偏小数越来越偏小。 影响红外辐射穿透的因素影响红外辐射穿透的因素 18沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 x轴：波长轴：波长 y轴：每单位波长对应波谱区域的辐射量轴：每单位波长对应波谱区域的辐射量 维恩位移定律维恩位移定律 19沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 维恩位移定律告诉我们什么？维恩位移定律告诉我们什么？ 小问题：小问题： 把一块铁加热，颜色会如何变化？为什么会这么变呢？把一块铁加热，颜色会如何变化？为什么会这么变呢？ 维恩位移定律维恩位移定律 20沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 红外热像仪红外热像仪 21沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 红外热成像技术红外热成像技术 热成像技术是利用热感应照相机的红外线成像技术。热成像技术是利用热感应照相机的红外线成像技术。 热感应照相机可生成热而不是光的图像，它可以测量红热感应照相机可生成热而不是光的图像，它可以测量红 外（外（ir）能量，并将数据转换成相应的温度图像。）能量，并将数据转换成相应的温度图像。 22沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 物物 体体 镜头镜头光栅光栅 探测器探测器 红外热图红外热图 辐射线辐射线 红外热像仪工作示意图红外热像仪工作示意图 热像仪由两个基本部分组成热像仪由两个基本部分组成:光学器件和探测器。光学器件和探测器。 光学器件将物体发出的红外辐射聚集到探测器上，光学器件将物体发出的红外辐射聚集到探测器上，探探 测器把入射的辐射转换成电信号，进而被处理成可见测器把入射的辐射转换成电信号，进而被处理成可见 图像，即热图。图像，即热图。 23沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 焦平面焦平面、非制冷非制冷 探测器探测器 （1997年年) 焦平面焦平面、内循环制冷内循环制冷 探测器探测器 （1994年）年） 光机扫描探测器光机扫描探测器 (1958) 内循环制冷内循环制冷热电制冷热电制冷液氮制冷液氮制冷 红外热像技术的发展过程红外热像技术的发展过程 24沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 红外热像参数红外热像参数 25沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 红外热像仪所涉及的几个重要参数红外热像仪所涉及的几个重要参数 热灵敏度（热灵敏度（netd） 视场角（视场角（fov） 空间分辨率（空间分辨率（ifov） 26沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 热灵敏度（热灵敏度（netd） 热灵敏度：热像仪能精确分辨出目标辐射的热灵敏度：热像仪能精确分辨出目标辐射的 最小温度能力。最小温度能力。 热灵敏度指标越高，可表明红外热像仪不仅热灵敏度指标越高，可表明红外热像仪不仅 能够反映细小的温度变化，而且还可以提供更能够反映细小的温度变化，而且还可以提供更 为清晰、无噪声的优质图像。为清晰、无噪声的优质图像。 27沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 视场角（视场角（fov） 视场角又称为总视场角或扫描视场角，表示热像仪位视场角又称为总视场角或扫描视场角，表示热像仪位 置固定时，所能观察到最大空间角度范围。置固定时，所能观察到最大空间角度范围。 28沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 空间分辨率（空间分辨率（ifov） 空间分辨率指红外热像仪能够识别的两个相邻目标空间分辨率指红外热像仪能够识别的两个相邻目标 的最小距离。的最小距离。 通常用瞬时视场角（通常用瞬时视场角（ifov）来表示（单位：毫弧度）来表示（单位：毫弧度 mrad）。）。 表示热像仪的最小角分辨单元。表示热像仪的最小角分辨单元。 空间分辨率决定着热像仪的清晰度，是热像仪所能空间分辨率决定着热像仪的清晰度，是热像仪所能 测量的最小尺寸。它与像素，视场角有关。测量的最小尺寸。它与像素，视场角有关。 29沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 空间分辨率（空间分辨率（ifov）的计算公式）的计算公式 180 fov 距离距离 直径直径 像素像素 ifov 30沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 fov计算器计算器 有个软件可以帮助我们快速计算目标与距离的关系。有个软件可以帮助我们快速计算目标与距离的关系。 31沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 小练习小练习 请按照下列步骤改变请按照下列步骤改变fov计算器的参数，看看屏幕显计算器的参数，看看屏幕显 示范围及每个像素点对应的目标尺寸会有什么变化：示范围及每个像素点对应的目标尺寸会有什么变化： 选择选择ti32，标准镜头，距离，标准镜头，距离10米米 将距离改变为将距离改变为5米米 恢复恢复10米距离，选择长焦镜头米距离，选择长焦镜头 （请大家仔细比对上面两次更改后的数据）（请大家仔细比对上面两次更改后的数据） 将将ti32改为改为ti25 请对照计算公式，是否和软件显示一致？请对照计算公式，是否和软件显示一致？ 32沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 红外热像检测中的问题红外热像检测中的问题 33沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 在使用热像仪中值得注意的问题在使用热像仪中值得注意的问题 发射率的变化发射率的变化 窗口材料窗口材料 反射反射/背景温度补偿背景温度补偿 调焦调焦 调色板的选择调色板的选择 34沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 发射率发射率 437f 410f82f 424f 涂层表面涂层表面 闪亮的铝闪亮的铝 质材料质材料 35沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 发射率：让我们来看一个实验发射率：让我们来看一个实验 不锈钢杯子上的温度一致吗？不锈钢杯子上的温度一致吗？ 为什么会出现这个情况？为什么会出现这个情况？ 不同颜色的胶带温度一致吗？不同颜色的胶带温度一致吗？ 36沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 发射率：影响发射率的因素发射率：影响发射率的因素 我们将检测的目标分为非金属和金属材料两大部分：我们将检测的目标分为非金属和金属材料两大部分： 大多数非金属材料（如塑料、油漆、皮革、纸张等）大多数非金属材料（如塑料、油漆、皮革、纸张等） 发射率较高，相同材质、不同颜色的目标的发射率非发射率较高，相同材质、不同颜色的目标的发射率非 常接近，误差通常不超过测量精度范围；部分表面光常接近，误差通常不超过测量精度范围；部分表面光 亮的非金属材料发射率较低（如瓷砖、玻璃等）。亮的非金属材料发射率较低（如瓷砖、玻璃等）。 37沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 非金属的发射率非金属的发射率 皮肤皮肤 0.98 电气胶带电气胶带 0.95 漆漆 0.900.95 纸标签纸标签 0.90 空腔空腔 0.95 以上以上 黑体黑体 0.980.99 沸水沸水 0.98 38沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 发射率：影响发射率的因素发射率：影响发射率的因素 金属材料的发射率会受到下列因素的影响：金属材料的发射率会受到下列因素的影响： 材料材料 不同材料发射率不同，如铜的发射率一般比铝高。不同材料发射率不同，如铜的发射率一般比铝高。 表面光洁度表面光洁度 通常表面粗糙的材料发射率比光洁表面高。通常表面粗糙的材料发射率比光洁表面高。 表面颜色表面颜色 以黑色为代表的深色系表面发射率比浅色系高。以黑色为代表的深色系表面发射率比浅色系高。 表面形状表面形状 表面有凹陷、夹角或不平整规则的部位比平整的部表面有凹陷、夹角或不平整规则的部位比平整的部 位发射率高。位发射率高。 39沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 关于发射率的注意事项关于发射率的注意事项 尽可能拍摄目标上的一个高发射率参考点（胶带、尽可能拍摄目标上的一个高发射率参考点（胶带、 油漆或空腔辐射体）。油漆或空腔辐射体）。 发射率低于发射率低于 0.50 时，最好不要直接进行测量。时，最好不要直接进行测量。 在必须拍摄低发射率表面时，尝试在视场中放置一在必须拍摄低发射率表面时，尝试在视场中放置一 个高发射率参考物，或对照接触式测量来检查辐射个高发射率参考物，或对照接触式测量来检查辐射 测量。测量。 40沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 红外窗口红外窗口 绝大多数情况下，我们看到的只是表面；但是，我绝大多数情况下，我们看到的只是表面；但是，我 们想要了解的热量却通常源自于内部。们想要了解的热量却通常源自于内部。 我们如何透过密闭的外壳看到内部呢？我们如何透过密闭的外壳看到内部呢？ 41沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 红外窗口材料红外窗口材料 对于对于8-14m的红外波段来说，通常可见光可穿的红外波段来说，通常可见光可穿 透的玻璃、有机玻璃等材料都变得难以透过，我透的玻璃、有机玻璃等材料都变得难以透过，我 们需要特殊的材料作为红外测温的窗口。们需要特殊的材料作为红外测温的窗口。 硅（硅（si） 锗（锗（ge） 氟化钙（氟化钙（caf） 硫化锌（硫化锌（zns） 硒化锌（硒化锌（znxe） 42沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 红外窗口红外窗口 glassaluminiumhawk ir window 43沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 电气系统使用红外窗口进行热像检测电气系统使用红外窗口进行热像检测 44沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 另一种红外窗口材料另一种红外窗口材料 还有一种材料是我们日常生活中经常用到的：保鲜膜还有一种材料是我们日常生活中经常用到的：保鲜膜 作用：作用： 现场有较多粉尘和水气时作为镜头保护用。现场有较多粉尘和水气时作为镜头保护用。 可以作为模拟密闭环境的外壳，在测量时必须先可以作为模拟密闭环境的外壳，在测量时必须先 确认其透过率。确认其透过率。 小实验：看保鲜膜的透过情况，并与塑料袋进行对比。小实验：看保鲜膜的透过情况，并与塑料袋进行对比。 45沈沈建祥建祥热像仪，可望可及！问题点，即拍即得！2010.9 背景温度（反射温度）补偿背景温度（反射温度）补偿 发射率较低的测量目标可以反射来自附近的物体的能量发射率较低的测量目标可以反射来自附近的物体的能量 ，这部分额外的反射能量会被添加到测量目标自身发射，这部分额外的反射能量会被添加到测量目标自身发射 的能量中，从而使读数变得不准确。的能量中，从而使读数变得不准确。 反射能量反射能量 发射能量发射能量 部分情况下，位于测量部分情况下，位于测量 目标附近的物体（设备目标附近的物体（设备 、或者其他热源）的温、或者其他热源）的温 度会比测量目标的温度度会比测量目标的温度 高出很多。高出很多。 小实验：用红外热像仪检测玻璃窗，我