热成像探测技术

热成像探测技术换热器的传热试验换热器的传热试验上海汽车配件厂气-水-油传热风洞(现上海贝洱热系统有限公司)南宁八菱汽车配件有限公司气-水-油传热风洞南宁八菱汽车配件有限公司气-水-油传热风洞南宁八菱汽车配件有限公司气-水-油传热风洞南宁八菱汽车配件有限公司气-水-油传热风洞合肥宇光机械制造有限公司气—气闭式中冷器传热性能试验台上海理工大学研制2006年进口段布置图上海理工大学研制合肥宇光机械制造有限公司气—气闭式中冷器传热性能试验台上海理工大学宁波路润冷却器制造有限公司上海理工大学上海理工大学设计建造2002年12月上海理工大学设计建造2009年12月C:\DocumentsandSettings\Samsung\桌面\气气压力循环仿真试验文件夹\气气压力循环仿真试验文件夹\气气压力循环仿真试验.vi气气中冷器压力循环试验台山东换热器试验台20101228山东换热器试验台20101228热成像探测技术§1．基本知识•一．热与温度•温度是反映物体冷热程度的物理量。•温标：就是温度的数量表示方法。•实验表明，人们已经可以使物体冷却到接近零度的温度，但无论如何都不可能真正地达到绝对零度的低温，通过理论分析，可以推算，绝对零度相当于－273.15℃。二．测温的方法：•传统的接触测温方法，是根据热平衡原理进行的（热力学第零定律）二．测温的方法：•红外热成像技术——非接触式测温方法•三．电磁波谱•1800年，英国物理学家赫胥尔在研究各种色光的热量时，有意地把暗室中唯一的窗户用木板堵住，并在板上开了一条矩形的孔，孔内装一个分光棱镜。•在试验中，他突然发现：放在光带红光外的温度计，比室内其它温度计的指示值都要高。经过多次试验，这个所谓含热量最多的高温区，总是位于光带最边缘处红光的外面。•于是赫胥尔宣布，太阳发出的光线中除可见光外，还有一种人眼看不见的“热线”，这种看不见的“热线”位于红色光外侧，因而叫做红外线。红外线其实也是一种电磁波，其波长范围从0.78微米到1000微米。为了研究上的方便，红外线被科学家划分为三个波段：•近红外：波长为0.78微米～3.0微米；•中红外：波长为3.0微米～20微米；•远红外：波长为20微米～1000微米。•热成像测温技术是利用红外探测器摄取来自被测物体表面的热辐射，即红外辐射，从而获得物体表面的热像图。•热像图包含被测物体表面的温度信息，因此根据辐射理论，可以求得物体表面的温度分布。工业上最感兴趣的是可见光和红外线。•可见光：0.38μm～0.76μm•近红外：0.76μm（0.78μm）～1.5μm（3.0μm）•中红外：1.5μm（3.0μm）～6.0μm（20μm）•远红外：6.0μm（20μm）～15μm（1000μm）•极远红外：15μm～1000μm•波长与颜色的关系：紫色：0.38～0.43μm蓝色：0.43～0.46μm青色：0.46～0.49μm绿色：0.49～0.55μm黄色：0.55～0.59μm橙色：0.59～0.65μm红色：0.65～0.78μmQ=Qα＋Qρ＋QτQα/Q＋Qρ/Q＋Qτ/Q=1α＋ρ＋τ=1发射率反映物体向外辐射的能力，通常用实际物体发射的辐射能力与同温度下绝对黑体发射的辐射能力之比来表示，即：ε=E/Eb四．物体的吸收率、反射率、透射率、发射率黑体、灰体、漫体、漫灰体。五．辐射的基本定律1．普朗克定律普朗克定律揭示了黑体辐射能力按照波长的分布规律，即：W/m3λ：波长，mT：黑体的热力学温度，KC1：第一辐射常数：3.742×10－16，W·㎡C2：第二辐射常数：1.4388×10－2，m·K1)(512TCbeCE2．维恩位移定律λm与T之间存在如下关系：λmT=2.8976×10－33．斯蒂芬—波尔定律——黑体总辐力与温度之间的关系=σT4=C0（T/100）4σ：斯蒂芬—波尔兹曼常数：5.167×10－8W/㎡·K4C0：黑体辐射系数：5.67W/㎡·K40bd)(EE4．兰贝特定律兰贝特定律说明黑体辐射在空间各方向的分布规律。Eb，φ=Eb，φ=0·cosφEb，φ=0—法线方向的定向发射率5．基尔霍夫定律这一定律说明的是实际物体辐射和吸收之间的关系：在热平衡条件下，任何物体的辐射力和它对来自黑体辐射的吸收比的比值，恒等于同温度下黑体的辐射力。bEEbEE六．红外线传输红外线也是一种电磁波。和其他波长的电磁波一样，可以在空间和一些介质中传输。1．红外线在大气中的传输大气是由气体（氮、氧、氢和惰性气体等）、水蒸汽和悬浮于大气中的固体及液体粒子组成。大气对红外的吸收和衰减是具有选择性的。某些气体分子吸收带中心波长（μm）水（H2O）：0.9，1.14，1.38，1.87，2.7，3.26.3二氧化碳（CO2）：1.4，1.6，2.0，2.7，4.3，4.8，5.2，15臭氧（O3）：4.5，9.6，14氧化氮（N2O）：4.7，7.8甲烷（CH4）：3.2，7.5一氧化碳（CO）：4.8能够透过大气的红外线主要有三个波长：范围P142：1～2.5μm，3～5μm，8～14μm•对红外线透明的红外线波长范围称为大气窗口。2．红外线在介质中的传输•普通玻璃能透过可见光，但它几乎不能透过红外线。•通常把可以透过红外线的介质称为红外光学材料。任何介质不可能对所有波长的红外线都透明，而只是对某些波长范围的红外线具有较高的透过率.•红外光学材料按它的结构，性能和制备方法可分为三大类：晶体材料、玻璃材料、塑性材料。（1）．单晶锗•一种最常用的红外光学材料，可以作为红外仪器本体与大气隔离的窗口，可以磨制成各种透镜、棱镜。•制备多采用拉晶的方法，直径可大200～250㎜，用做红外光学材料，一般采用低阻型（ρ〈30Ω，㎜〉•一般单晶锗的最大透过率约为44%（表面不加任何处理），表面镀以增透膜的工艺处理，τ会提高，最高可达99%。（2）．单晶硅•也是一种常见的人工单晶材料，只适用波长在11μm以内的红外线。•透过率约在50%左右。（3）．多晶氟化钙•是一种热压成型的多晶红外光学材料。•透过波长在0.25～10.5μm，透过率可高达90%左右。（4）．多晶硫化锌•热压成型的红外光学材料。•透过的红外波长在1～14μm，平均透过率大于70%，而且没有吸收谷。•多晶硫化锌不但可以热压成红外透镜或窗口，并可用作镀膜材料。（5）．多晶氟化镁•耐高温的红外光学材料，3～5μm，也可透过可见光。•对0.598μm的可见光，τ=20～30%；对于3～6.5μm的红外线，透过率高达90%。800℃以下对τ变化很小。（6）．三硫化二砷玻璃•合成无定型玻璃，透过可见光和波长小于11μm的红外线（7）．聚四氟乙烯合成聚合物。最高使用温度为260℃左右，最低使用温度－269℃。§2．热成像•成像在广义上讲，就是显示目标辐射能量密度分布的情况。•可见光像实际上显示的是目标表面可见光能量密度的分布情况，亮的地方是辐射可见光能量密度大的地区，暗的地方则是可见光能量密度小的地区。•如果把可见光换成红外线，那么红外线能量分布图即为红外线像一、可见光成像1．可见光传播规律（1）．直线传播各种波长可见光在真空或同一介质中传播总是沿直线进行。（2）．反射定律•可见光在传播中射向两种介质的交界面时，则有全部或部分的可见光反射回来——光的反射。•光的反射符合反射定律，入射光与反射光位于同一平面内，反射角与入射角相等。φ2φ1（3）．折射定律•可见光从一种介质射向另一种介质时，除了反射外，还有部分射入到另一种介质中，而且光的方向发生改变，这一物理现象称为光的折射。•折射定律：n21是一个和两种介质光学特性相关的常数，称为介质2对介质1的相对折射率2121sinsinnφ2φ12．可见光成像•根据光的传播规律，利用专门设计的光学镜头把物体辐射透过和反射的可见光重新合聚在一起，形成可见光能量密度分布图——可见光成像。•成像所用的光学镜头是一个合聚透镜。（双凸镜、平凸镜、凹凸镜）光通过透镜时有以下规律：⑴．平行于光轴的入射光线通过透镜后都折向主光轴，并且都通过同一个点（F——透镜的焦点）。⑵．任何通过光心的入射光线，在通过透镜之后，其传播方向不变。fOO2O1fOO2O1二、红外线成像•红外线的传播规律也和可见光一样，符合几何光学各定律。•红外线通过空间传播到目的地，也可经过红外光学系统而成像在某一确定的平面上，这个平面上的红外线能量密度分布图就是目标的红外图像。•人眼无法直接感受红外线•必须把看不见的红外线能量密度分布图转变成可见光图。•表示红外线能量密度分布图情况的可见光图像叫做目标热像•显示目标热像的过程叫做红外热成像•对应的装置称为红外热成像装置。1．物体的热辐射分布图•温度0K的物体不断向周围辐射红外线。•红外辐射源和背景的温度、形状总有一定的差异，而辐射源本身各部分的温度、形状和表面状态也存在差异，这些差异决定了物体红外辐射的不均匀性。•物体与背景的红外线辐射，以及物体表面不同点的红外辐射，构成了它们的红外辐射分布图。2．热成像镜头在红外辐射方向上放置一个热成像镜头，便可以通过折射和反射，把物体的红外辐射分布会聚在某一平面上，根据几何光学原理，这个平面上的红外辐射分布与物体的红外辐射分布存在一定的比例关系。（这个过程和普通照相机相同）3．红外探测器为了把不可见的红外分布图转变成可见光图像，必须使用对红外线敏感的特殊元件，把红外线能量转变成电信号。这种敏感元件为红外探测器。4．电子电路红外探测器输出的电信号一般很微弱，所以必须通过电子电路进行充分的放大，然后再经过电子电路的一系列处理，才能符合最终指示和显示的需要。5．显示器•经过电子电路处理后的电信号，可以通过显示器显示目标表面红外辐射分布图。•显示器显示物体热像，可以用其灰度不同的黑白图像来显示，也可以用不同的颜色来表示红外辐射的分布情况。三．热成像镜头1．热成像镜头的功能•将红外设备与空间分隔开来，作为红外线进入仪器的窗口。•热成像镜头将入射的红外辐射进行收集和汇聚，使它的空间分布显示在给定平面上（焦面）。通常这个平面上放置对红外线敏感的元件（红外探测器）。•使用热成像镜头往往比直接用敏感元件接受红外线的效率高。这种情况称为热成像光学镜头的光学增益。敏感元件面积镜头接受面积有效光学增益2．热成像镜头的类型（1）锗（硅）透镜•用单晶锗材料磨制的热成像镜头，可在3～5μm，8～14μm两个波段上工作。•对于只要求透过3～5μm红外线的仪器可使用单晶硅，单晶硅的价格约为单晶锗的一半。•锗和硅透镜的镜面可磨制成各种形状的凸透镜：球面、非球面。•镜头：一个透镜组成或由多个透镜组成。•采用非球面透镜或多个透镜构成一个热成像镜头：都可以提高成像质量。•磨好的单晶锗透镜，τ约44%，•镀增透膜：单层，τ增加到85～95%；多层，τ提高到95～99%。•在透镜的最外层镀上保护膜。（2）玻璃反射镜•大口径的热成像镜头多数使用玻璃反射镜玻璃，价格低于单晶锗、硅。•玻璃反射镜的本体是由玻璃材料磨制成，其反射面可以是平面、球面、抛物面、椭球面和双曲面。3热成像镜头的参数i．焦距f，物距l，像距l’fOO2O1ll’fll1'11•一般镜头：f=25～30㎜。•望远镜头：f100㎜，最长可达1000㎜以上。•广角镜头：f25㎜，视场很大，便于对近距离物体成像。ii．有效孔径•有效孔径指入射红外线实际不受任何阻拦可以通过窗口的直径D’（以㎜为单位），有效孔径D’一般都小于镜头入射光瞳D。•为了控制入射红外线的能量大小，热成像镜头和一般光学镜头一样，也常有调节有效孔径大小的可变光阑DD’iii．相对孔径•物距l不变，f增大，像距l’和图像尺寸也增大：在同一有效孔径D’的条件下，图像单位面积上红外辐射能将随f增大而减小。•图像上能量密度不仅与D’有关，也与f有关。•相对孔径：D’/f，这一比值越大，对同一目标而言，能量密度就越大。•实际上用镜头的光圈数（F）来表示相对孔径的大小，光圈数等于相对孔径的倒数。•热成像镜头的刻度和可见