紅外檢測技術(shù)介紹及應(yīng)用

彼岸科儀有限公司廣州辦事處技術(shù)部–李夢2010年12月24日

紅外測量技術(shù)介紹及應(yīng)用當(dāng)前第1頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)紅外熱成像測量技術(shù)其他綜合知識熱圖像拍攝技術(shù)儀器操作

紅外理論

熱圖像分析技術(shù)

輻射知識紅外熱成像測量技術(shù)當(dāng)前第2頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)一.紅外線基礎(chǔ)知識紅外線的發(fā)現(xiàn)電磁波譜紅外線的分類紅外輻射的大氣穿透當(dāng)前第3頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)1800年英國的天文學(xué)家Mr.WilliamHerschel用分光棱鏡將太陽光分解成從紅色到紫色的單色光，依次測量不同顏色光的熱效應(yīng)。他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水銀溫度計(jì)移到紅色光邊界以外，人眼看不見任何光線的黑暗區(qū)的時(shí)候，溫度反而比紅光區(qū)更高。反復(fù)試驗(yàn)證明，在紅光外側(cè)，確實(shí)存在一種人眼看不見的“熱線”，后來稱為“紅外線”，也就是“紅外輻射”。

紅外線的發(fā)現(xiàn)

--1800年WilliamHerschel當(dāng)前第4頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)紅外線就在我們身邊！任何溫度高于絕對零度（-273.16K）的物體都會發(fā)出紅外線。比如冰塊也會輻射紅外線。

不論是白天還是夜晚紅外輻射都在我們的身邊。當(dāng)前第5頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)電磁輻射頻譜圖通常把波長大于紅色光線波長0.75μm，小于1000μm的這一段電磁波稱作“紅外線”，也常稱作“紅外輻射”紅外當(dāng)前第6頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)

根據(jù)紅外線的波長分為：

近紅外線--0.75μm~3μm；

中紅外線

--3μm~6μm；(中波)

遠(yuǎn)紅外線

--6μm~15μm；(長波)

極遠(yuǎn)紅外線--15μm~1000μm紅外線的分類

當(dāng)前第7頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)吸收分子透射率近紅外中紅外遠(yuǎn)紅外波長053181415紅外線在大氣中穿透比較好的波段，通常稱為“大氣窗口”。紅外熱成像檢測技術(shù)，就是利用了所謂的“大氣窗口”。短波窗口在1-5μm之間，而長波窗口則是在8-14μm之間

紅外輻射的大氣穿透一般紅外線熱像儀使用的波段為:短波(3μm--5μm);長波(8μm--14μm)

當(dāng)前第8頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)物體接收的入射輻射物體發(fā)出的紅外輻射輻射率和吸收率黑體實(shí)際物體的紅外輻射二、

物體的紅外輻射當(dāng)前第9頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)物體接收的入射輻射輻射—物體向外發(fā)出自身能量吸收—物體獲得并保存來自外界的輻射反射—物體彈回來自外界的輻射透射—來自外界的輻射經(jīng)過物體穿透出去入射輻射Win反射輻射W吸收輻射

W透射輻射WWа+Wρ+Wτ=Win=100%а+ρ+τ=1當(dāng)前第10頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)物體發(fā)出的紅外輻射反射輻射源反射輻射WTTTε透射輻射源透射輻射W自身輻射Wε物體發(fā)出的輻射WexWε+Wρ+Wτ=Wex=100%ε+ρ+τ=1當(dāng)前第11頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)史蒂芬-波茲曼定律W=εóT4物體自身的紅外輻射是各個(gè)方向的，輻射量取決于物體自身的溫度以及它的表面輻射率，所有物體都有溫度以及表面輻射率，所以所有物體都有紅外輻射物體溫度越高，紅外輻射越強(qiáng)，反之，物體溫度越低，輻射越低；輻射率也一樣，即使物體溫度一樣，高輻射率物體的輻射要比低輻射率物體的輻射要多。所以物體的溫度及表面輻射率決定著物體的輻射能力。Tε當(dāng)前第12頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)物體的輻射能力表述為輻射率(Emissivity簡寫為)

是描述物體輻射本領(lǐng)的參數(shù)。茶壺中裝滿熱水，茶壺右邊玻璃的表面輻射率比左邊不銹鋼的高，盡管兩部分的溫度相同，但右邊的輻射要比左邊的高，這也意味著物體右邊的散熱效率要比左邊的高，如果用紅外熱像儀觀看，右邊看上去要比左邊熱當(dāng)前第13頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)輻射率和吸收率

一般來說，物體接收外界輻射的能力與物體輻射自身能量的能力相等，亦即а=ε

也就是說，如果一個(gè)物體吸收輻射的能力強(qiáng)，那么它輻射自身能量的能力就強(qiáng)，反之亦然。所以一個(gè)不透明的差的吸收體是一個(gè)好的反射體，一個(gè)好的反射體同時(shí)也是一個(gè)差的輻射體。例如我們在物體表面覆上一層鋁箔來保溫，就是這個(gè)道理當(dāng)前第14頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)黑體黑體是一個(gè)理想的輻射體，真正的黑體并不存在黑體100%吸收所有的入射輻射，也就是說它既不反射也不穿透任何輻射，即

а=1

黑體100%輻射自身的能量

ε=1當(dāng)前第15頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)實(shí)際物體的紅外輻射實(shí)際測量的物體并不是黑體，但它具有我們上面所說物體的所有特性，即具有吸收、輻射、反射、穿透紅外輻射的能力。但對大多數(shù)物體來說，對紅外輻射不透明，即τ=0所以對于實(shí)際測量來說ε+ρ=1反射輻射源反射輻射WTTTε自身輻射Wε物體發(fā)出的輻射Wex實(shí)際物體的輻射由兩部分組成：自身輻射和反射環(huán)境

當(dāng)前第16頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)反射（r)、輻射(a)、穿透(t)：r+a+t=1

光滑表面的反射率較高，容易受環(huán)境影響。（反光）粗躁表面的輻射率較高

不同的材料、不同的溫度、不同的表面光度、不同的顏色等，所發(fā)出的紅外輻射強(qiáng)度都不同（輻射率不同）。在檢測過程中，由于輻射率對測溫影響很大，因此必須選擇正確的輻射系數(shù)。當(dāng)前第17頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)9.3um人體的輻射波譜當(dāng)前第18頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)5.0um300oC電烙鐵的輻射波譜當(dāng)前第19頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)0.5um

太陽的輻射波譜當(dāng)前第20頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)物體表面溫度與輻射率從紅外熱圖中看到的物體表面溫度與輻射率有著密切的關(guān)系，我們要學(xué)習(xí)識別和分析紅外圖像因輻射率的不同而產(chǎn)生的不同現(xiàn)象，不要產(chǎn)生錯(cuò)覺膠帶ε=0.95杯子ε=0.10環(huán)境溫度T=25℃當(dāng)前第21頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)(1)杯中不倒水

(2)杯中倒入20℃的涼水

(3)杯中倒入60℃熱水高輻射率物體的紅外圖像表面溫度接近它的真實(shí)溫度,低輻射率物體的紅外圖像表面溫度接近環(huán)境溫度60℃20℃25℃當(dāng)前第22頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)三、紅外熱成像技術(shù)紅外熱像技術(shù)是研究紅外輻射的產(chǎn)生、傳輸、轉(zhuǎn)換、探測并付諸于應(yīng)用的科學(xué)技術(shù)就像照相技術(shù)意味著“可見光寫入”一樣，熱成像技術(shù)意味著“熱量寫入”。熱成像技術(shù)生成的圖片被稱作“溫度記錄圖”或“熱圖”。目標(biāo)空氣熱像儀熱圖當(dāng)前第23頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)紅外熱像圖和可見光圖比較紅外熱圖可見光圖當(dāng)前第24頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)紅外熱像儀的原理圖信號處理器顯示器二維焦平面列陣探測器(FPA)光學(xué)系統(tǒng)將不可見的紅外輻射轉(zhuǎn)換成可見的圖像當(dāng)前第25頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)光學(xué)系統(tǒng):接收目標(biāo)物體發(fā)出的紅外線并聚焦到紅外探測器上；紅外探測器：感應(yīng)透過光學(xué)系統(tǒng)的紅外線，并把信號發(fā)送給信號處理器。信號處理器：將來自于紅外探測器的信號轉(zhuǎn)化成紅外熱圖像；顯示器：顯示紅外熱圖像。

當(dāng)前第26頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)紅外探測器

紅外探測器由過去的單元探測器發(fā)展成現(xiàn)在的焦平面探測器（FPA）?，F(xiàn)在工業(yè)上普遍使用320x240或160x120像素的探測器（民用最高640x480像素）。焦平面陣紅外輻射探測器微橋CMOS輸入單元FPA單元控制在室溫附近的熱電穩(wěn)定器當(dāng)前第27頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)探測器的演變當(dāng)前第28頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)熱像儀的演變1958年2000年以后當(dāng)前第29頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)

紅外熱成像系統(tǒng) --目標(biāo)追蹤監(jiān)控，多用于國防軍事領(lǐng)域熱像儀按用途大概分成兩大類:紅外熱成像

檢測系統(tǒng)

--以工業(yè)檢測為目的，對設(shè)備進(jìn)行預(yù)知性檢測及研究四、紅外熱成像儀的種類當(dāng)前第30頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)

長波、非制冷熱像儀

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手提式

高、中、低擋目前常用的幾種檢測用熱像儀：手持式--E30經(jīng)濟(jì)型–T330當(dāng)前第31頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)高端熱像儀-P630當(dāng)前第32頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)適用：由於儀器工作在短波段,所以主要用於需要看火焰的設(shè)備檢測，如:電廠的鍋爐及石化系統(tǒng)設(shè)備的檢測.

短波、制冷熱像儀

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手持式

波段在3—5um,內(nèi)置斯特林壓縮機(jī)PMX90PM550當(dāng)前第33頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)在線檢測系統(tǒng)主要用於需要24小時(shí)監(jiān)察的設(shè)備A40A20當(dāng)前第34頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)由於儀器各項(xiàng)指標(biāo)都比較高,所以主要用於研究及發(fā)展,多數(shù)用戶是大學(xué),研究所等.

研究型熱像儀SC3000S65/45P630當(dāng)前第35頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)

遠(yuǎn)距離追蹤,檢測熱像儀THV2000THV1000THV1500當(dāng)前第36頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)當(dāng)前第37頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)五、紅外熱成像技術(shù)的應(yīng)用

1.狀態(tài)監(jiān)測電力冶金石化機(jī)械當(dāng)前第38頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)2.研究和開發(fā)

電子線路板汽車座椅

噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)高壓氣瓶當(dāng)前第39頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)3.質(zhì)量控制和過程監(jiān)控食品溫度監(jiān)控柏油鋪路

4.醫(yī)療當(dāng)前第40頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)5．公共安全監(jiān)控及軍事應(yīng)用當(dāng)前第41頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)六、紅外熱像儀的標(biāo)定前面曾提到過史蒂芬-波茲曼定律，它給出了黑體的輻射能量與其溫度的關(guān)系，即

W=óT4

式中ó=5.67×10-8w/m2.k4,T為絕對溫度,單位為K

紅外熱像儀的標(biāo)定正是基于這一理論基礎(chǔ),在設(shè)定的環(huán)境條件下,用一定數(shù)量已知溫度的黑體進(jìn)行標(biāo)定

當(dāng)前第42頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)多個(gè)黑體放置成半圓形，熱像儀放在中心能轉(zhuǎn)動(dòng)的臺子上，并與標(biāo)定系統(tǒng)的自動(dòng)控制中心相連

黑體標(biāo)定系統(tǒng)當(dāng)前第43頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)T1T2T3T4T5T6

S6S5S4S3S2S1SBBTBB

熱像儀依次對準(zhǔn)各黑體，每個(gè)黑體都會在熱像儀中產(chǎn)生一個(gè)輻射信號，標(biāo)定系統(tǒng)將此信號與其溫度對應(yīng)起來將每對信號與溫度對應(yīng)起來，并將各點(diǎn)擬合成一條曲線，這就是標(biāo)定曲線，此曲線將被存在熱像儀的內(nèi)存里，用來對應(yīng)物體輻射與溫度的關(guān)系，所以如果熱像儀的探測器接收到物體的輻射信號，此標(biāo)定曲線將會把信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的溫度當(dāng)前第44頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)對熱像儀進(jìn)行簡單的標(biāo)定校驗(yàn)，通常需要多點(diǎn)校驗(yàn)，最起碼兩點(diǎn)

1）使用黑體2）其它方法當(dāng)前第45頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)

其他標(biāo)準(zhǔn)測試當(dāng)前第46頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)溫度分辨率-熱靈敏度(NETD)

－熱靈敏度是指紅外熱像儀的溫度探測靈敏度(NETD)。簡單講就是儀器可分 辨兩點(diǎn)之間的溫度差 別的能力 （例如：0.08℃）

六、“工業(yè)檢測用”熱像儀的幾組參數(shù)當(dāng)前第47頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)測溫精度

－儀器測量溫度的精確性（例如:±２度）成像速度

50禎/秒（50Hz)30Hz50Hz當(dāng)前第48頁\共有51頁\編于星期三\10點(diǎn)空間分辨率(IFOV=Instantan