红外检测技术介绍及应用

1、技术部技术部 20 201010年年1212月月2424日日 其他综合其他综合知识知识热图像热图像拍摄技术拍摄技术仪器操作仪器操作 红外理论红外理论 热图像热图像分析技术分析技术 辐射知识辐射知识18180000年年英国的天文学家英国的天文学家Mr.WilliamMr.William Herschel Herschel 用分光棱镜将太阳用分光棱镜将太阳光分解成从红色到紫色的单色光，依次测量不同颜色光的热效应。光分解成从红色到紫色的单色光，依次测量不同颜色光的热效应。他发现，当水银温度计移到他发现，当水银温度计移到红色光边界以外，人眼看不见任何光线红色光边界以外，人眼看不见任何光线的黑暗区的黑暗

2、区的时候，温度反而比红光区更高。反复试验证明，的时候，温度反而比红光区更高。反复试验证明，在红光在红光外侧外侧，确实存在一种人眼看不见的，确实存在一种人眼看不见的“热线热线”，后来称为，后来称为“红外线红外线”，也就是也就是“红外辐射红外辐射”。 红外线的发现红外线的发现 - 1800年年 William Herschel 任何温度高于绝对零度（任何温度高于绝对零度（-273.16K-273.16K）的物体都会的物体都会发出红外线。比如冰块也会辐射红外线。发出红外线。比如冰块也会辐射红外线。 不论是白天还是夜晚红外辐射都在我们的身边。不论是白天还是夜晚红外辐射都在我们的身边。通常把波长大于红色

3、光线波长通常把波长大于红色光线波长0.750.75m m ，小于，小于10001000m m的的这一段电磁波称作这一段电磁波称作“红外线红外线” ” ，也常称作，也常称作“红外辐红外辐射射” ” 近红外线近红外线 - 0.75- 0.75m 3m 3m m； 中红外线中红外线 - 3- 3m 6m 6m m；( (中波中波) ) 远红外线远红外线 - 6- 6m 15m 15m m；( (长波长波) ) 极远红外线极远红外线 - 15- 15m 1000m 1000m m 红外线的分类红外线的分类 吸收分子吸收分子透透射射率率近红外近红外中红外中红外远红外远红外波长波长0531814 15红外

4、线在大气中穿透比较好的波段，通常称为红外线在大气中穿透比较好的波段，通常称为 “大气窗口大气窗口”。红外热成像检测技术，就是利用了所谓的。红外热成像检测技术，就是利用了所谓的“大气窗口大气窗口”。短波窗口短波窗口在在1 1-5m-5m之间，而之间，而长波窗口长波窗口则是在则是在8 8-14m-14m之间之间 一般红一般红外外线热像仪使用的波段为线热像仪使用的波段为: :短波短波 (3(3m - 5m - 5m); m); 长波长波 ( 8( 8m -14m -14m m) 辐射辐射物体向外发出自身能量物体向外发出自身能量吸收吸收物体获得并保存来自外界的辐射物体获得并保存来自外界的辐射反射反射物

5、体弹回来自外界的辐射物体弹回来自外界的辐射透射透射来自外界的辐射经过物体穿透出去来自外界的辐射经过物体穿透出去入射辐射 Win反射辐射 W 吸收辐射 W 透射辐射 W W+W+W= Win=100%+=1反射辐射源反射辐射 W TTT透射辐射源透射辐射W 自身辐射W物体发出的辐射WexW+W+W= Wex=100%+=1史蒂芬史蒂芬- -波兹曼定律波兹曼定律W=TW=T4 4物体自身的红外辐射是各个方向的，辐射量取决于物物体自身的红外辐射是各个方向的，辐射量取决于物体自身的温度以及它的表面辐射率，体自身的温度以及它的表面辐射率，所有物体都有温所有物体都有温度以及表面辐射率度以及表面辐射率，所以

6、所有物体都有红外辐射，所以所有物体都有红外辐射 物体温度越高，红外辐射越强物体温度越高，红外辐射越强，反之，物体温度反之，物体温度越低，辐射越低；辐射率也一样，即使物体温度一样，越低，辐射越低；辐射率也一样，即使物体温度一样，高辐射率物体的辐射要比低辐射率物体的辐射要多。所高辐射率物体的辐射要比低辐射率物体的辐射要多。所以物体的温度及表面辐射率决定着物体的辐射能力。以物体的温度及表面辐射率决定着物体的辐射能力。 T(Emissivity简写为简写为 )是描述物体辐射本领的参数。是描述物体辐射本领的参数。茶壶中装满热水，茶壶右边玻璃的表面辐射率比左边不茶壶中装满热水，茶壶右边玻璃的表面辐射率比左

7、边不锈钢的高，尽管两部分的温度相同，但右边的辐射要比锈钢的高，尽管两部分的温度相同，但右边的辐射要比左边的高，这也意味着物体右边的散热效率要比左边的左边的高，这也意味着物体右边的散热效率要比左边的高，如果用红外热像仪观看，右边看上去要比左边热高，如果用红外热像仪观看，右边看上去要比左边热 一般来说一般来说，物体接收外界辐射的能力与物体，物体接收外界辐射的能力与物体辐射自身能量的能力相等，辐射自身能量的能力相等， 亦即亦即= 也就是说，如果一个物体吸收辐射的能力也就是说，如果一个物体吸收辐射的能力强，那么它辐射自身能量的能力就强，反之亦强，那么它辐射自身能量的能力就强，反之亦然。所以一个不透明的

8、差的吸收体是一个好的然。所以一个不透明的差的吸收体是一个好的反射体，一个好的反射体同时也是一个差的辐反射体，一个好的反射体同时也是一个差的辐射体。例如我们在物体表面覆上一层铝箔来保射体。例如我们在物体表面覆上一层铝箔来保温，就是这个道理温，就是这个道理实际测量的物体并不是黑体，但它具有我们上面所说物实际测量的物体并不是黑体，但它具有我们上面所说物体的所有特性，即具有体的所有特性，即具有吸收、辐射、反射、穿透吸收、辐射、反射、穿透红外红外辐射的能力。辐射的能力。但对大多数物体来说，对红外辐射不透明，即但对大多数物体来说，对红外辐射不透明，即=0=0所以对于实际测量来说所以对于实际测量来说+=1=

9、1反射辐射源反射辐射 W TTT自身辐射W物 体 发 出 的辐射Wex实际物体的辐射由两部分组成：自身辐射和反射环境 反射（反射（r)r)、辐射、辐射(a)(a)、穿透、穿透(t)(t)： r+a+tr+a+t=1=1 光滑表面的反射率较高，容易受环境影响。（反光）光滑表面的反射率较高，容易受环境影响。（反光） 粗躁表面的辐射率较高粗躁表面的辐射率较高 不同的不同的材料材料、不同的、不同的温度温度、不同的、不同的表面光度表面光度、不同的不同的 颜色颜色等，所发出的红外辐射强度都不同等，所发出的红外辐射强度都不同（辐射率不同）。（辐射率不同）。 在检测过程中，由于辐射率对测温影响很大在检测过程中

10、，由于辐射率对测温影响很大， 因此必须选择正确的辐射系数。因此必须选择正确的辐射系数。9.3um人体的辐射波谱5.0um300C 电烙铁的辐射波谱0.5um 太阳的辐射波谱物体表面温度与辐射率物体表面温度与辐射率 从红外热图中看到的物体表面温度与辐射率从红外热图中看到的物体表面温度与辐射率有着密切的关系，我们要学习识别和分析红外有着密切的关系，我们要学习识别和分析红外图像因辐射率的不同而产生的不同现象，不要图像因辐射率的不同而产生的不同现象，不要产生错觉产生错觉 胶带=0.95杯子=0.10 环境温度T=25高辐射率物体的红外图像表面温度接近它的真实温度高辐射率物体的红外图像表面温度接近它的真

11、实温度, ,低辐射率物体的红外图像表面温度接近环境温度低辐射率物体的红外图像表面温度接近环境温度 60 20 25 目目 标标 空空 气气 热热 像像 仪仪 热热 图图红外热像图和可见光图比较红外热像图和可见光图比较红红 外外 热热 图图可可 见见 光光 图图信号处理器信号处理器显示器显示器二维焦平面列阵探测器二维焦平面列阵探测器 ( (FPA) FPA) 光学光学系统系统将不可见的红外辐射转换成可见的图像将不可见的红外辐射转换成可见的图像 红外探测器由过去的单元探测器发展成现在的焦红外探测器由过去的单元探测器发展成现在的焦平面探测器（平面探测器（FPAFPA）。现在工业上普遍使用）。现在工业

12、上普遍使用320 x240320 x240或或160 x120160 x120像素的探测器（民用最高像素的探测器（民用最高640 x480640 x480 像素）。像素）。焦 平 面 阵红外辐射探 测 器微桥CMOS输入单元FPA 单元控制在室温附近的热电稳定器 探测器的演变探测器的演变 热像仪的演变热像仪的演变1958年2000年以后 红外热红外热成像成像系统系统 - - 目标追踪监控，多用于国防军事领域目标追踪监控，多用于国防军事领域热像仪按用途大概分成热像仪按用途大概分成两大类两大类: : 红外红外热热 成像成像 检测检测 系统系统 - - 以工业检测为目的，对设备进行预知性检测及研以工

13、业检测为目的，对设备进行预知性检测及研究究 長波長波、非制冷热像仪、非制冷热像仪 - 手提式手提式 高高、中中、低挡低挡目前常用的几种检测用热像仪：目前常用的几种检测用热像仪：手持式手持式-E 30-E 30经济型经济型 T330 T330高端热像仪高端热像仪 - -P P 630 630适用：适用：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備檢測火焰的設備檢測，如如: :電廠的鍋爐及石化系統設備的電廠的鍋爐及石化系統設備的檢測檢測. . 短波、制冷热像仪短波、制冷热像仪 - 手持手持式式 波段在波段在3 35um,5um,内置斯特林压缩机内置斯

14、特林压缩机PM X90PM550 在線檢測系統在線檢測系統主要用於需要主要用於需要2424小時監察的設備小時監察的設備A40A 20由於儀器各項指標都比較高由於儀器各項指標都比較高, ,所所以主要用於研究及發展以主要用於研究及發展, ,多數用多數用戶是大學戶是大學, , 研究所等研究所等. . 研究型热像仪研究型热像仪SC3000S 65 / 45P630 远距离追踪远距离追踪,检测热像仪检测热像仪THV 2000THV 1000THV 1500THV 15001.状态监测电力冶金石化机械24.228.825262728 电子线路板 汽车座椅 喷气发动机 高压气瓶食品温度监控 柏油铺路 4.医

15、疗 前面曾提到过史蒂芬前面曾提到过史蒂芬- -波兹曼定律，它给出了波兹曼定律，它给出了黑体的辐射能量与其温度的关系，即黑体的辐射能量与其温度的关系，即 W = T4W = T4 式中式中=5.67=5.6710-8w/m10-8w/m.k4,.k4, T T为绝对温度为绝对温度, ,单位为单位为K K 红外热像仪的标定正是基于这一理论基础红外热像仪的标定正是基于这一理论基础, ,在设定的环境条件下在设定的环境条件下, ,用一定数量已知温度的用一定数量已知温度的黑体进行标定黑体进行标定 多个黑体放置成半圆形，热像仪放在中心能转动的多个黑体放置成半圆形，热像仪放在中心能转动的台子上，并与标定系统的

16、自动控制中心相连台子上，并与标定系统的自动控制中心相连 T1 T2 T3 T4 T5 T6 S6S5S4S3S2S1SBBTBB 热像仪依次对准各黑体，每个黑体都会在热像仪中产生一个热像仪依次对准各黑体，每个黑体都会在热像仪中产生一个辐射信号，标定系统将此信号与其温度对应起来辐射信号，标定系统将此信号与其温度对应起来将每对信号与温度对应起来，并将各点拟合成一条曲线，这将每对信号与温度对应起来，并将各点拟合成一条曲线，这就是标定曲线，此曲线将被存在热像仪的内存里，用来对应就是标定曲线，此曲线将被存在热像仪的内存里，用来对应物体辐射与温度的关系，所以如果热像仪的探测器接收到物物体辐射与温度的关系，

17、所以如果热像仪的探测器接收到物体的辐射信号，此标定曲线将会把信号转换成对应的温度体的辐射信号，此标定曲线将会把信号转换成对应的温度 对热像仪进行简单的标定校验，通常需要多点校验，对热像仪进行简单的标定校验，通常需要多点校验，最起码两点最起码两点 1 1）使用黑体）使用黑体2 2）其它方法）其它方法 其他标准测试其他标准测试热灵敏度是指红外热像仪的温度探测灵敏热灵敏度是指红外热像仪的温度探测灵敏 度度(NETD)(NETD)。 简单讲就是仪器可分简单讲就是仪器可分辨两点之间的温度差辨两点之间的温度差别的能力别的能力（例如：（例如：0.08 ）25.027.8252627LI01仪器测量温度的精确性（例如仪器测量温度的精确性（例如:度）度）30Hz50Hz(IFOV =Instantaneous Field of View