红外线技术原理

1培训大纲一、红外基本理论：1．红外线的发现1800年英国物理学家赫胥尔（Herschel）在研究太阳光谱的热效应时发现：七色光中在红光谱的边界以外人眼看不见有任何光线的黑暗区，温度反而比红光区域的温度高。反复实验证明，在红光的外侧，确实存在一种人眼看不见的“热线”，后来称为“红外线”，又称“红外辐射”。红外线处于波长为0.76~1000μm之间。2．红外线的本质经研究表明：红外线是从物质内部发射出来，产生红外线的根源是物质内部运动。众所周知，物资是由原子、分子组成，它们按照一定的规律不断地做变速运动，因而不断向外辐射能量，这就是红外辐射现象。由此可见，红外辐射的物理本质是热辐射。这种辐射的能量主要由这个物体的温度和材料本身的性质决定，特别是热辐射的强度取决于辐射体的温度，也就是说，温度对热辐射现象起着决定性的作用。3．有关基本名词解释温度：反映物体原子活动的激烈程度。（微观）冰水混合物到水沸腾之间分为100等份每一份为1℃，红外线辐射的能量可用物体表面的温度来度量，辐射能量越大，物体的表面温度越高，反之亦然。常用衡量温度变化的温标有三种：1.华氏温标：°F2.摄氏温标：℃3.热力学温标：K几个温标之间的换算：℃=（°F–32）×5／9K=℃+273.15℃绝对零度0K=－273.5℃黑体：具有理想中最大辐射功率的物体，称为黑体。黑体所吸收的红外线能量与发射的红外线能量相等。即：Ia/Ib=1Ia—黑体在单位时间内吸收的红外线能量强度Ib—黑体在单位时间内发射的红外线能量温度2所谓的黑体其实并不存在，只能无限的接近于它，但设定这样的黑体，对研究红外热辐射规律是非常必要的。高温黑体1273K以上中温黑体223K~1273K低温黑体＜223K辐射率：当即个物体处于同一温度下，各物体的红外辐射功率与吸收的功率成正比。实际物体红外辐射的功率与相同条件下黑体红外辐射功率的比值，称为辐射率，又称为发射率，用符号ε表示，其比值是一个小于1的数。辐射率的影响因素：颜色、粗糙度、材质、温度、厚度、平整度有关。灰体：辐射率在0到1之间的物体。大气窗口：空气中的三原子气体（如O3、H2O、CO2等）对红外的吸收很强烈。只有三个波段的红外能透过大气窗口。1—2μm3—5μm8—14μm国外SW（高能波段）MWLW国内短波长波工作波段：工作波段是指红外热像仪的波谱响应范围。普朗克定律：P=δεT4红外热像仪测温、成像的核心。其中P是红外辐射功率，δ是普朗克系数，ε是辐射率，T是温度。维恩位移定律：λ=2897/T4．红外线的特性a.红外线是一种电磁波0.5纳米~0.76微米0.76~1000微米紫外线可见光红外线无线电波红外光与可见光相同的特性：红外线是一种电磁辐射，它也具有反射、折射、干涉、衍射和偏振，同时又具备粒子性，即它以光量子的形式发射和吸收。红外光与可见光不同的特性：红外线对人的眼睛不敏感，所以必须用红外线敏感的红外探测器才能接收到。红外光的能量比可见光弱，更容易被物质所吸收，穿透能力差。但对于薄雾来说，长波红3外线更容易通过。红外线的热效应比可见光要强得多。b.波长分布与物体表面的温度成反比。根据描述峰值波长与温度关系的维恩定律λ=2897/T，显然，高温测温宜采用较短的工作波长，低温测温宜采用较长的工作波长，对于电力设备由于大多目标尺寸小辐射能量低，一般的缺陷温度低于500K，应选择长波8—14μm的工作波长。短波仪器白天使用，受阳光干扰较大，太阳光发射的红外波长主要集中在短波，在5μm以后辐射变弱。与此同时，在石油化工方面，由于时常涉及火焰，而火焰是一种等离子气体，温度忽高忽低，成分复杂，能量主要集中在短波范围，短波仪器能清楚地看清火焰，但不能看清炉管，影响很大。波长最灵敏响应温度适用系统1-2μm1500K-3000K核反应堆3-5μm600K-1000K石油化工8-14μm400K电力消防二、红外热像仪技术理论1．红外热像仪成像原理红外探测器:感受红外辐射，将能量转化电信号，通过电子处理，最终转化人眼可见的红外图象。热电效应：产生三种变化2K0.002K变化信号设备型号探测器材料特点优点ΔUGD2000热释电管能较准确测定测温较准ΔRHY6000微热辐射器能精确测定测温准确ΔCNEC7102铁电材料很难测定很难测准4光电效应：2S2P电子从2S到2P跃迁，产生电荷。条件是必须制冷（-196℃），以确保原子核的稳定性，减少对电子的束缚力。2.非制冷焦平面探测器介绍焦平面探测器：新一代的热成像装置，在性能上大大优于光机扫描式热像仪，又逐步取代光机扫描式热像仪的趋势。关键技术使探测器由单片集成电路组成，被测目标的整个视野聚焦在这片选用了数万个性能接近的芯片上，使得图像更加清晰，使用更加方便，体积更加小巧轻便。热电材料（像素）320×240（HY6000）像素尺寸：即焦平面探测器中热电材料的大小。热电材料越小越好，尺寸越小，图像越清晰，灵敏度越高。45μm（HY6000）填充功率：热电材料的总面积占探测器表面总面积的百分比。比值越大探测器越好。有效像元数：热电材料中有效的像素数。探测器中或多或少有一些坏点或叫“盲点”。坏点越少，探测器性能越好。HY6000与PM525/595焦平面探测器的比较HY6000PM525PM595材料多晶硅VoxVOx尺寸45mm51mm51mm原子核焦平面探测器5填充因子80%65%65%有效像数元99%97%99%3．红外光学材料介绍红外镜头：能够将红外辐射能量聚焦到探测器上的特殊镜头。材料一般为锗单晶，表面镀金刚石，红外线透过率＞80%，或＞97%（加增透膜）。镜头材料透过波长透过率Ge8-1470%（不镀膜）96%（镀膜）单晶Si3-550%ZnSn3-550%PUC3-5；8-14＜50%Ge是红外长波仪器镜头最好的材料，价格昂贵，30000元/kg，1kg只能作成2个镜头。孔径比（f数）：光学系统相对孔径。A=F/DF为焦距，D为通光孔径。f数（即A值）越大，通光量越大。红外滤光片：对红外镜头起到过滤杂波或高温衰减的作用。4．热像仪基本参数介绍响应时间：即反映探测器变化快慢的量。频率为60Hz即1/60秒（HY6000）NECTH5100.65STVS1000.1S噪声等效温度分辨率：即MRTD值（主观量）。实验方法：标准温差源杆靶：温度任意调整43/4的人可以看到3/4的靶，该杆靶与背景的温差就是MRTD。最小可辩温度分辨率：NETD=ΔT/S/N，通过科学检测手段得出的客观数值（客观量）。一般情况下，MRTD数值＜NETD的数值。人眼的感觉总要比机器灵敏。以HY60006探测器为例，它的MRTD为0.08℃；而它的NETD则为0.1℃。空间分辨率：红外热像仪分辨物体的能力，单位mrad。半径为R的园，周长为2πR如果目标距离热像仪为1000m，则空间分辨率为1mrad的热像仪（HY6000）可以分辨的目标直径为：1mrad×1000=1m红外侧温技术：通过黑体的标准温度，对应能量与温度的表格反查。（标定法）测温范围（量程）：黑体的温度光圈衰减片测温精度：读数与实际温度的差别，用量程的百分比表示。影响测温的因素：环境温度、背景、辐射率、相对湿度实际上，我们是不可能通过红外来测出物体的精确温度的。电力系统红外导则有“相对温度测试法”。三、热像仪的简介1．热像仪的分类与划代第一代：点阵式光机扫描。（32×32、64×64）八棱镜（水平扫描）三棱镜（垂直扫描）第二代：阵列式光机扫描（288×4）三棱镜（垂直扫描）探测器（阵列式）7第三代：焦平面热像仪，无需扫描系统。热电材料称为微热辐射计“Microbolometer”材料多晶硅、Vox热电视热释电管：“热释电系列”材料TGS（GD2000）、“铁电系列”BST—++注释：温度升高，膨胀使正负电核的电距加大，外面的电子来不及中和，产生电荷。2.制冷与非制冷型红外热像仪MCT碲镉汞致冷光电效应军用材料InSb碲化铟PbSi硅化铂非致冷热电效应民用材料VOxSi致冷的工作温度为-196℃，几种致冷方式：1、氮：杜瓦瓶。如AGA4782、T-J节流：大气瓶，气体在突然间膨胀吸收大量的热，达到致冷的效果。3、半导体：致冷的温度不够低4、斯特林致冷：压缩机冰箱，把探测器放在冰箱里，用He气、电池，温度可达-196℃。如：AGEMA550缺点：1、2是分体式，很笨重。3温度不够低，效率低下。4是最常用的，有以下缺点：寿命短2500小时，换一个致冷机需要20万。He气会逐渐漏光，新机开机只需要3分钟，以后逐渐变慢，两年后得半小时，最后可能启动不了。受环境影响很大，尤其是天气太热，散热不良，必须强迫开机，制冷设备寿命更短。而非制冷探测器的寿命在10000小时左右。+—83．热像仪工作原理图光线4．衡量热像仪先进性的主要内容a．主要热像参数：温度分辨率、像素、有效像元数等b．热像仪的功能及操作系统c．整机结构设计d．图像后处理系统及附件四、使用热像仪的优势-便捷!热像仪可快速提供温度测量，在用热偶读取一个渗漏连接点的时间内，用热像仪几乎可以读取所有连接点的温度。另外由于热像仪坚实.轻巧，且不用时易于放在皮套中。所以当你在工厂巡视和日常检验工作时都可携带。-精确!热像仪的另一个先进之处是精确，通常精度都是2度以内。这种性能在你做预防性维护时特别重要，如监视恶劣生产条件和将导致设备损坏或停机的特别事件时。因为大多数的设备和工厂运转365天，停机等同于减少收入，要防止这样的损失，通过扫描所有现场电子设备-断路器、变压器、保险丝、开关、总线和配电盘以查找热点。用热像仪，你甚至可快速探测操作温度的微小变化，在其萌芽之时就可将问题解决，减少因设备故障造成的开支和维修的范围。-安全!安全是使用热像仪最重要的益处。不同于接触测温仪，热像仪能够安全地读取难以接近的或不可到达的目标温度，你可以在仪器允许的范围内读取目标温度。非接触温度测量还可在不安全的或接触测温较困难的区域进行，像蒸汽阀门或加热炉附近，他们不需在冒接触测温时一不留神就烧伤手指的风险。高于头顶10米的供/回风口温度的精确测量就象在手边测量一样容易。热像仪一般都带有激光瞄准，便于识别目标区域。有了它你的工作变的轻松多了。热像仪使用的主要领域（民用）光学镜头探测器电子处理储存电源屏幕显示9电力检测工业检测/过程控制石化行业检测安防搜救监控矿用检测车载夜视医疗检验建筑节能检测