红外线技术原理.docx
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红外线技术原理
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0.76T000um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°C,红外线辐射的能量可用物体表面的温度来度量，辐射能量越人，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：
°F
2.摄氏温标：
*C
3.热力学温标：
K
几个温标之间的换算：
°C=（°F-32）X5/9
K=°C+273.15°C绝对零度0K=-273.5°C
黑体：
具有理想中最人辐射功率的物体，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-1
la一黑体在单位时间内吸收的红外线能量强度
lb一黑体在单位时间内发射的红外线能量温度
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照体红外辐射功率的比值，称为辐射率，又称为发射率，用符号£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03、H2O、CO2等）对红外的吸收很强烈。
只有三个
波段的红外能透过人气窗门。
1—2Pm
3—5um
8—14um
国外
SW（高能波段）
MW
LW
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闱。
普朗克定律：
IP=6ET4!
►红外热像仪测温、成像的核心。
其中P是红外辐射功率，6是普朗克系数，&是辐射率，T是温度。
维恩位移定律：
|X二2897/T
4.红外线的特性
a.红外线是一种电磁波
◄
<0.5纳来>0.76微米.
L（0.76^-1000WK
►
►
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
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。
的工作波长，低温测温宜采用较长的工作波长，对于电力设备由于人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—14Um的工作波长。
短波仪器白天使用，受阳光干扰较人，太阳光发射的红外波长主要集中在短波，在以后辐射变弱。
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闱，短波仪器能清楚地看清火焰，但不能看清炉管，影
响很人:
。
波长
最灵敏响应温度
适用系统
1~2Pm
1500K-3000K
核反应堆
3~5Um
600K-1000K
石油化工
8~14Pm
400K
电力消防
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:
变化信号
设备型号
探测器材料
特点
优点
AU
GD2000
热释电管
能较准确测定
测温较准
AR
HY6000
微热辐射器
能精确测定
测温准确
AC
NEC7102
铁电材料
很难测定
很难测准
O
7K
光电效应:
电子从2S到2P跃迁，产生电荷。
条件是必须制冷（-196°C）,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，在性能上人人优于光机扫描式热像仪，又逐步取代
光机打描式热像仪的趋势。
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）320X240（HY6000）
像素尺寸：
即焦平面探测器中热电材料的人小。
热电材料越小越好，尺寸越小，图像越清晰，灵敏度越高。
45um（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。
比值越人探测器越好。
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
HY6000
PM525
PM595
材料
多晶硅
Vox
VOx
尺寸
45111111
51nim
51nun
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。
材料一般为错单晶，表面镀金刚石，红外线透过率＞80%,或A97%（加增透
膜）。
镜头材料
透过波长
透过率
Ge
8-14
70%（不镀膜）96%（镀膜）
单晶Si
3-5
50%
ZnSn
3-5
50%
PUC
3-5：
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二F/D
F为焦距，D为通光孔径。
f数（即A值）越人，通光量越人。
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
3/4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：
NETDYT/SN通过科学检测手段得出的客观数值（客观量）。
一般情况卞，\1RTD数值VNETD的数值。
人眼的感觉总要比机器灵敏。
以HY6000为例，它的MRTD为0.08°C；而它的NETD则为0.1°C。
空间分辨率：
红外热像仪分辨物体的能力，单位nirad。
半径为R的园，周长为2nR
如果目标距离热像仪为1000111,则空间分辨率为lmiad的热像仪
（HY6000）可以分辨的目标直径为：
lnuadX1000=lm
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”。
1.热像仪的分类与划代
第一代：
点阵式光机扫描。
（32X32、64X64）
III
探测器
第二代：
阵列式光机扫描（288X4）
三棱镜（垂直扫描）
探测器（阵列式）
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确镉汞
致冷的工作温度为-196°C,几种致冷方式：
1、氮：
杜瓦瓶。
如AGA478
2、T-J节流：
人气瓶，气体在突然间膨胀吸收人量的热，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°C。
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。
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爭件时。
因为人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閑。
-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闱内读取目标温度。
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II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）
•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
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