紅外基本原理介紹

Thursday,February2,20231紅外理論基礎(chǔ)介紹Thursday,February2,20232關(guān)于紅外熱傳遞發(fā)射率黑體&實體普朗克定律大氣窗口熱像技術(shù)熱像技術(shù)vs.可見光發(fā)射&反射測量規(guī)律內(nèi)容Thursday,February2,20233紅外熱像儀的工作原理目標物體紅外光學(xué)鏡頭VOC探測器紅外圖像PC16-位數(shù)字成像技術(shù)，偽彩技術(shù)Thursday,February2,2023419世紀的天文學(xué)家SirWilliamHerschel利用光線，鏡子和望遠鏡做實驗.明白了光線是由不同顏色的光譜組成的，且有熱效應(yīng).他決定找出哪個波長具有更強的熱效應(yīng)。紅外的歷史Thursday,February2,20235SirWilliamHerschel的實驗光闌陽光三棱鏡光闌可見光譜紅外光Thursday,February2,20236什么是紅外?紅外光是電磁光譜中介于可見光的紅光和微波之間的波段.伽馬射線X射線紫外可見紅外無線電可見光0.4近紅外中紅外遠紅外超遠紅外

0.7537.5-1515-1000微米Thursday,February2,20237什么是紅外?所有超過絕對零度的物體都在紅外波段輻射能量.紅外遵從可見光的基本規(guī)律.人眼是看不見紅外光的.可見光和紅外光最大的不同是它們的波長不一樣.Thursday,February2,20238熱傳遞熱能通過三種方式傳遞.傳導(dǎo)–固體.對流–液體和氣體.輻射–不需要媒介.傳導(dǎo)對流輻射Thursday,February2,20239熱傳遞熱量通常是從高溫處傳到低溫處，從而使得物體間溫度升高或者降低.通過熱輻射傳遞的能量為:他們之間的絕對溫度四次方之差(T4hi-T4lo).并依賴于:物體材料,物體表面特征,表面朝向,物體表面幾何結(jié)構(gòu),物體溫度紅外波長.Thursday,February2,202310入射輻射W反射輻射W被吸收的輻射W透射輻射W紅外輻射和可見光一樣，紅外輻射可以:從物體表面反射.被物體吸收.穿透物體Thursday,February2,202311紅外輻射紅外輻射是熱量通過輻射而傳遞.一個物體的紅外輻射=100%入射輻射(W)=吸收(aW)+反射(gW)+透射(tW)(aW+gW+tW)/W=1吸收率(a)+反射率(g)+透射率(t)=1a+g

+t

=1=100%Thursday,February2,202312發(fā)射率物體吸收的紅外輻射等于物體發(fā)射的紅外輻射.

易于吸收的物體就是易于發(fā)射的物體.

紅外吸收=紅外發(fā)射吸收率=發(fā)射率=e, a+g

+t

=1e+g

+t

=1=100%對于不透明物體:t

=0e+g

=1e=1-g,

i.e,

e

<=1Thursday,February2,202313物體表面發(fā)射熱量的能力叫發(fā)射率.由一個相對量ε

來表示.數(shù)值介于0和1.發(fā)射率Thursday,February2,202314發(fā)射率差別很大:-表面粗糙度,-表面形狀:孔洞和凹陷提高發(fā)射率ε,

觀察角度,

金屬氧化程度,-自身的溫度.很幸運，這種情況只有當金屬接近熔化時才發(fā)生!很正確不要超過45/50°發(fā)射率Thursday,February2,202315發(fā)射率發(fā)射率:如果表面拋光時會更低.經(jīng)過粗糙處理的表面發(fā)射率高.入射角變小時更低.熱輻射是和表面垂直的.垂直的時候最高.低于45o

會迅速降低.物體溫度高時會更高.發(fā)射率依賴于:物體的基本材料金屬發(fā)射率通常很低非金屬通常高紅外波段發(fā)射率可以通過實驗來測定.Thursday,February2,202316發(fā)射率發(fā)射率

e

是物體的紅外輻射效率.發(fā)射率高則同樣溫度的物體發(fā)射出更多的能量.Thursday,February2,202317黑體&實體黑體是反射和透射都為零的物體.對于黑體:g=0,t=0,e=1黑體是完美的輻射體.一個發(fā)射率<1的物體通常成為灰體.對于灰體:e<1,e=常數(shù)一個發(fā)射率<1的物體，并且隨波長變化稱之為實體.對于實體:e<1,e=f(l)Thursday,February2,202318普朗克定律普朗克定律:Wlb=2hc2/l5(ehc/lkT-1)x10-6W/m2mmWlb=黑體輻射(l)h=普朗克常數(shù)

=6.6x10-34Jsc=光速=3x108m/sk=玻爾茲曼常數(shù)=1.4x10-23J/KT=黑體絕對溫度(K)l=波長(m)在輻射能量最高點的波長數(shù)值會隨著溫度的降低而增加.Thursday,February2,202319高溫物體的普朗克定律黑體輻射可見光波長Thursday,February2,202320低溫物體的普朗克定律emittance波長可見光黑體輻射Thursday,February2,202321維恩定律lmax=C/T=2898/TmmKlmax=能量最大時的波長(mm)C=2898mmK=常數(shù)T=絕對溫度（Kelvin）對普朗克公式求微分就可以求出維恩定律，從而求得lmax.

斯蒂芬-玻爾茲曼定律

是由普朗克公式從0到無窮遠積分導(dǎo)出的.物體溫度越高,高溫時的輻射波長就越短Thursday,February2,202322斯蒂芬-玻爾茲曼定律

W=es

T4W=灰體的輻射功率W/cm2e=發(fā)射率s=斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)(=5.67x10-12W/cm2K4)T=灰體溫度（Kelvin）WTThursday,February2,202323大氣吸收我們認為大氣應(yīng)該是透明的我們能看見可見光大氣對于可見光是透明的但是大氣對于所有波段并不是透明的.Thursday,February2,202324大氣窗口紅外通過大氣的透射率取決于波長和大氣條件.紅外圖像的大氣窗口為:3-

5微米–中波/MWIR(SWIR)8-13微米–長波/LWIRThursday,February2,202325中波紅外

3-6μm中波溫度越高越靈敏.高對比(溫度每變化一度會帶來更高水平的信號變動).濕度高時更易穿透.需要晴朗的天氣.大氣吸收最多4.2-4.5mm范圍.對塑料和玻璃透明.太陽輻射更多的MW而不是LW.Thursday,February2,202326長波紅外

6-15μm長波常溫時靈敏度更好.給定溫度目標的信號水平更好.更少的大氣吸收.對于玻璃和塑料不透明,測量它們的表面溫度很方便.陽光下反射更少.更高的信噪比.穿透煙、霧、塵和擾流.對于可將光背景干擾不敏感.Thursday,February2,202327熱像技術(shù)可以拓展到很多領(lǐng)域…分析技術(shù)熱像儀操作熱傳遞應(yīng)用檢測計劃和報告IRT熱輻射什么是熱像技術(shù)?Thursday,February2,202328紅外圖例暗色意味著更冷，亮色意味著更熱.這幅熱圖高速我們什么信息?Thursday,February2,202329什么是熱像技術(shù)?FLIR–ITC給出的定義紅外熱像技術(shù)是一門利用非接觸式熱像設(shè)備獲取和分析熱信息的科學(xué)。Note:Thereexiststandardizeddefinitionsinsomecountries,andISOisalsoworkingonit.Thursday,February2,202330

熱像圖像熱量溫度分析什么是熱像技術(shù)?Thursday,February2,202331熱量是不同溫度的系統(tǒng)間的熱量交換.因此,當沒有溫度差異時紅外圖像沒有任何對比，也不可能進行分析!什么是熱像技術(shù)?Thursday,February2,202332什么讓熱像技術(shù)這么有用?非接觸性–遠程感應(yīng)使得用戶遠離危險不會侵擾或者影響目標二維性可以比較物體的不同區(qū)域利用圖像可以觀察整個目標熱分布可以可視化后進行分析實時性固定物體進行高速掃描高速移動物體捕獲高頻溫度變化的圖像捕捉Thursday,February2,202333熱像技術(shù)vs.可見光紅外光可見光

Thursday,February2,202334我們認識可見光圖像顏色在可見光波段是光線的反射.我們用眼睛看到的顏色表征世界.這個散熱器在藍色背景下且是灰白的.散熱器是灰白的因為它反射了白光中的這些組分.熱像技術(shù)vs.可見光Thursday,February2,202335紅外光下的散熱器.

紅外光和可見光很相似.紅外熱像儀也用顏色來表征它看到的”熱”世界.最大的不同，紅外圖像上的顏色表示反射和發(fā)射.熱像技術(shù)vs.可見光Thursday,February2,202336發(fā)射&發(fā)射?熱量發(fā)射自物體本身.反射來自于其前面的物體;有時候操作者也會包括進去.TT發(fā)射和反射是互補的.發(fā)射反射Thursday,February2,202337一些物體的發(fā)射率熱絕緣和電絕緣材料往往是很好的發(fā)射體.可以放心測量.木材 橡膠塑料 PVC泥土 陶瓷紙 混凝土油漆的表面建筑材料OK金屬是很差的發(fā)射體.但除了高度氧化的物體,一般金屬發(fā)射率很少高于0.25.測量需謹慎.銅 鋼鐵 黃銅鉻

鎳鋅

鉛鋁NotOKThursday,February2,202338反射溫度從目標發(fā)射進熱像儀的輻射叫做反射表象溫度.常常寫做TRefl.反射總是存在的!!!!對于熱像專家來說會伴隨一生.Thursday,February2,202339反射是錯誤分析的罪魁禍首.實例.問題在這里.你看到的是銅牌上的反射，這里沒有熱點.反射?Thursday,February2,202340這里有問題嗎？答案否.這里的發(fā)射率高而已你看到的是不銹鋼表面上的反射，這里沒有熱點.反射?反射是錯誤分析的罪魁禍首.實例.Thursday,February2,202341你這里看到的是操作員的反射.這里有熱點嗎？導(dǎo)線是發(fā)熱的？反射?反射是錯誤分析的罪魁禍首.實例.Thursday,February2,202342你這里看到的是環(huán)境的反射.反射?反射是錯誤分析的罪魁禍首.實例.Thursday,February2,202343結(jié)論發(fā)射率和反射溫度無法自動計算.必須由操作人員決定，并輸入到熱像儀或者分析軟件.Thursday,February2,202344測量規(guī)律1)首先圖像要清晰.如果聚焦不佳，那么測量就會出錯。誤差有多大？這個很難說。但是無論如何，結(jié)果是錯誤的。聚焦準確聚焦不準此例有至少