红外线技术原理

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0.76~1000μm之间。 2(红外线的本质 经研究明: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:?F 2. 摄氏温标: ? 3. 热力学温标:K 几个温标之间的换算: ?=(?F – 32)×5,9 K=?+273.15? 绝对零度0 K=,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 = 1 Ia —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 1 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—2μm 3—5μm 8—14μm 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围。 4 普朗克定律: P=δεT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/T 4(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 2 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 1-2μm 1500K-3000K 核反应堆 3-5μm 600K-1000K 石油化工 8-14μm 400K 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 2K 0.002K 变化信号 设备型号 探测器材料 特点 优点 ΔU GD2000 热释电管 能较准确测定 测温较准 ΔR HY6000 微热辐射器 能精确测定 测温准确 ΔC NEC7102 铁电材料 很难测定 很难测准 3 光电效应: 原 子 2S 2P 核 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。 焦平面探测器 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 HY6000 PM525 PM595 材料 多晶硅 Vox VOx 尺寸 45mm 51mm 51mm 4 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 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= F/D F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) NEC TH510 0.65S TVS100 0.1S 噪声等效温度分辨率:即MRTD值(主观量)。 实验方法:标准温差源 4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: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HY6000 5 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) 探测器 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) 6 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 VOx Si 致冷的工作温度为-196?，几种致冷方式: 1、 氮:杜瓦瓶。如AGA478 2、 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。 7 3(热像仪工作原理图 储存 光线 光学镜头 探测器 屏幕 显示 电子处理 电源 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) 8 , 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 9