红外热成像仪

红外热成像仪 能动工程基础实验 2014 红外热成像仪演示实验 实验指导书 轻工与能源学院 能源与动力工程系 红外热成像仪演示实验 实验目的 , 掌握热成像仪工作原理。 , 了解热成像仪的使用方法。 实验内容 一、红外成像原理 发射辐射能是各类物质固有的特性。当物质原子内部电子受到激发和振动时，产生交替变化的电场和磁场，发出电磁波向空间传播，这就是辐射。由于自身温度或热运动的原因激发产生的电磁波传播，称为热辐射。电磁波波长范围可以从几万分之一微米(μm)到数千米，电磁波谱如下图1所示。 图1.电磁波谱 波长λ=0.38-0.76μm范围的电磁波属可见光线;波长λ,0.38μm的电磁波是紫外线、伦琴射线等;λ=0.76-1000μm的电磁波称为红外线，红外线以25μm为分界，波长在25μm以下的称为近红外线，25μm以上的红外线称为远红外线。 任何温度高于绝对零度的物体都会发射红外线，且红外线的辐射强度与物体绝对温度的四次方成正比。温度越高，发射的红外能量越强。红外热像仪就是根据这个特点来测量物体表面的温度的，利用探测仪测定目标的本身和背景之间的红外线差绘制出红外图像，所形成的图像称为热图。 红外测温成像技术测温方法为非接触式的测量，不会影响被测目标的温度分布，对远距离目标、高速度运动目标、带电目标、高温目标及其他不可接触目标都可采用，不必像一般热电偶、热电阻那样要求与被测目标达到热平衡。由于辐射传播速度为光速，因此测温的响应快，速度仅取决于热成像系统自身的响应时间，有些探测器的响应时间已达到微秒或纳秒级，测温范围从负几十摄氏度到几千摄氏度，灵敏度可达到0.01?，非常适合温度场的测量，广泛用于测量固体表面温度。 二、红外热成像仪的原理与组成 红外热成像仪利用红外探测器、光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形，并将之反映到红外探测器的光敏元件上。光学系统和红外探测器之间有一个光机扫描机构对被测物体进行扫描，并聚焦在探测器上，探测器将红外辐射能转换为电信号，经放 1 大处理、转换或标准视频信号通过电视屏或监视器显示红外热像图，其工作原理见下图2。 图2. 红外热成像仪工作原理图 探测器是红外热成像仪的核心部分。物质所发出的总辐射能量由某一波长范围的单色辐射组成的。室温环境下，热辐射的中心波长为10μm，分布范围为5.5-23μm，200?左右时，中心波长移动至7μm附近。理论上，只要物体的温度高于绝对零度，就可以使探测器产生信号。但实际上，由于材质的限制，探测器主要接收3-12μm的红外线。由另由于5-8μm是谁的主要吸收带，此区域已受到水汽的吸收干扰，因此，红外热成像仪只采用3-5μm或8-12μm两种波段作为分析光源。 常见红外热成像仪探测器种类有非室温和室温两种。非室温探测器可以感应3-5μm及8-12μm波段，室温探测器可以感应8-12μm的波段。 红外热成像仪能够将探测到的热量精确量化，不仅能够观察热图像，还能够对发热的故障区域进行准确识别和严格分析。屏幕亮度处表示温度高，暗处表示温度低。 三、使用效果的影响因素 1、被测物体发射率 红外热成像仪通过测量一定波长范围内物体表面的辐射能量，再换算成温度，但是物体表面的辐射能量不但由表面的温度决定，还受到发射率的影响。因此，红外热成像仪系统中都设置了发射率设定功能，只要事先知道被测物体的发射率，并在测温系统中予以设定，便可得到较为准确的温度测量结果。 2、背景温度 红外热成像仪不仅接受被测物体表面发射的辐射能，还能接受周围环境经被测物体表面反射和透射被测物体的辐射能，直接影响测温准确度。因此，当被测物体表面发射率低，背景温度高，而被测温度和背景温度相关不大时，会引起很大测温误差。 3、大气 被测物体的辐射能必须通过大气才能达到红外热成像仪。由于大气中某些成分会对红外辐射吸收作用，引起测温误差，另外大气本身的发射率也会对测量产生影响。为此，应根据辐射能在气体中的衰减规律进行修正。 4、工作波段 工作波长的选择十分重要。选择工作波长的依据是:测量的温度范围、被测物体的发射率、大气传输的影响。依据测温范围选择工作波长时，高温测量一般选用短波，低温测 2 量选择长波。对于发射率既随温度变化又随波长变化的物体，工作波长主要依据发射率的波长温度的变化。 四、红外热成像仪的应用 几乎所有设备在发生故障前都会产生热现象，红外热成技术可以快速、准确、安全的发现故障，简单快速的分析可以准确的将故障地方和正常的热点有效区分，及时做出维修。 (a)肉眼所见 (b)红外热成像仪结果 图3 高压变电站检测 (a)肉眼所见 (b)红外热成像仪结果 图4线路检测 (a)肉眼所见 (b)红外热成像仪结果 图5电机检测 (a)肉眼所见 (b)红外热成像仪结果 图6 房顶漏水 3 1、电气装置:可发现接头松动或接触不良，不平衡负荷，过载，过热等隐患。这些隐患可能造成的潜在影响是产生电弧、短路、烧毁、起火，如图3-5所示。 2、诊断人体疾病，运用经络学,在人脑的研究工作及在研究疾病治疗方法中的应用;特别是在诊断哮喘病,痹症,腰椎间盘突出症,运动病,恶性肿瘤等病症具有无放射性,一次多脏器全身扫描的非接触测量的优点.是综合确诊人体某种疾病的一种有用手段。 3、建筑物外墙的监测。使用红外热像仪，可以检测到空气泄漏、水分积累、管道堵塞、墙壁后面的结构特征以及过热的电气线路等，并对数据进行可视化记录归档，如图6所示。 4、红外热成像仪在自然环境方面的应用。监控自然环境，如山体滑坡、火山爆发。 五、红外热成像仪的使用 本次实验所用的红外热成像仪结构如图7和图8所示。 图7. 热成像仪部件 图8. 热成像仪面板 1.红外镜头 2.打开或关闭镜头盖的把手3.保存图像快门 4、1.归档按钮 2.左箭头 3.左选 4.顶部箭头 5.右箭头 接头和存储卡槽 5.电池盒 6.手带连接点 6.右选 7.开关 8.底部箭头 红外热成像仪的显示界面如图9所示。 图9. 热成像仪显示界面 1.菜单界面 2.测量温度 3.电池指示 4、日期和时间 5.温标限值 6.温标 7.辐射率或材料属性 8.右选 9.左选 六、实验记录 1、按【开关】键，打开红外热像仪。 4 2、设置被测物体的发射率:依次点击在【菜单】-【测量】，按照需求进行选择。 【点】—仅测量一点温度;【面积最大值】—显示方框内温度最高的点;【面积最小值】—显示方框内温度最低的点;【之上】—仅显示温度高于设定温度的红外图像;【之下】—仅显示温度低于设定温度的红外图像。 3、设置当前物体的发射率:点击【菜单】-【测量对象】。查阅资料，输入被测物体的发射率。 4、设置完成后，按镜头盖开关把手，打开镜头盖，将红外镜头对准被测物体，按【快门】，保存图像。 5、将图像导入红外热成像软件，对被测物体进行温度分布的分析。 七、思考题 1、简述红外热成像仪的原理。 2、思考红外热成像仪在本专业可以有哪些方面的应用。 5