红外热成像系统的基本原理VIP免费

琳莽称铃铃非琳莽铃莽夔红外热像仪蜚莽外.l洲夸.冬l八莽舞非莽莽莽莽莽非莽莽红外热成像系统的基本原理华北电力试验研究所程玉兰【内容提要】本文详细阐述了红外热成像的基本原理,介绍了红外热成像探浏波段的选择和红外热成像仅的基本构成。同时,从理论上分析了影响红外热成像系统浏温精度的各种因素。一、前刁旨口世间万物都会按其表面温度自然地辐射红外线。红外热成像系统正是利用红外探测器、光学成像物镜和光机扫描系统,在不接触的情况下接收物体表面的红外辐射信号,将该信号转变为电信号后,再经电子系统处理传至显示屏上,得到与景物表面热分布相应的“实时热图像”。从而,人类借助热成像系统把景物的不可见热图像转换为可见图像,使人类的视觉范围扩展到了红外谱段。由于热成像系统探测的是目标自身发射的“热辐射‘,所以物体的热图像提供了有关物体自身状态的重要信息,它表明了物体表层的热状态。对于涉及热辐射的所有领域,它是一种理想的“无损检测工具”。象X射线一样,能以不同于普通视觉感受的方式提供信息一物体表面发射率和物体内部容热耗散的量度,从而可揭示物体中尚未被察觉的或异常的状态。所以热成像是用于勘查电力运行设备、检测过热异常和温度变化的得力工具。它具有如下特点;1.可绘出空间分辩率和温度分辩率都较好的设备温度场的两维图形,2.它可自一定距离处提供非接触、非干扰式的测量,3.它可提供快速和实时的测量,从而允许我们进行温度瞬态研究和大范围设备的快速观察;4.它具有全被动式、全天候的特点。发展到目前的热成像系统已是窄禁带半导体技术、精密光学机械、微电子学、特殊红外工艺、新型红外光学材料与系统工程学的产物。若从人类1800年发现红外辐射算起,至少经历了前人近两个世记的探索与迫求,才有今天高度发展的热成像技术。也只是到本世纪五十年代初、六十年代中,由于探测器的改进和快速灵敏光子探测器(锗掺汞和锑化锢)的间世,才导致试验性、原理性热成像系统的诞生。在以后的发展中遇到的主要间题是可靠性、价格及维修保管,这在今天仍具有现实意义。热成像设备是比较容易掌握的,但由于利用热成像仪测量温度的误差来源很多,其中有属于使用方面的,如目标的辐射特性、目标尺寸及测量距离等,也有热成像仪本身的问题。故要达到完善和正确地使用,还需要对辐射原理、红外光学、红外探测器特性、大气特性、测温原理等有较深入的了解。二、红外辐射、红外辐射与物体温度的关系由于物质分子热运动的结果,所有物体都发射电磁波,见图l。.辈外乞可兄光//:,‘//沙厂/////以f/近外扛/卜///远外扛///无线电桩波/0即卯妙好激怀司电磁波部分谱图任何物体只要它的温度高于绝对零度(一2了3.15“C),就有一部分热能转变为辐射能。由于这种辐射是不同波长电磁波的混合,故辐射与物体温度有关,温度不同,辐射的波长组成不同,辐射能的大小也不同。辐射能量中有可见光及不可见的红外线两部分,被物体吸收后转化为热能,故又称为热辐射能。热辐射就是物体温度升高而发出的辐射,也叫温度辐射,这是因为热辐射的强度及光谱成分取决于辐射的温度。红外辐射是肉眼不能直接观察到的一种射线,是比可见光中最长波还要长的电磁波,其长波部分与无线电波中的微波相接。像其它形式的电磁辐射一样遵循相同的物理定律,以光速传播,可被吸收、散射、反射、折射、衍射和偏振,它可由普朗克辐射定律描述。物体的温度在千度以下的,其热辐射中最强的波均为红外辐射。当物体温度达到300。C时,这些热辐射中最强的波波长为5件m,即在红外区;到s000C左右才会出现褐色辉光;即使当温度达so0OC时,此时辐射已有足够的可见光而形成自发光,呈现“赤热”状态,但它绝大部分的发射能量仍是属于红外波的,只有在300“C时,即近于白炽灯丝的温度,其辐射能才包含足够多的可见光(0。4一0.7协m)。红外辐射占0.7一100卯m的波长领域,一般可被划分为近、中、远红外三个区域。近红外0.7一2.5拼m中红外2.5一30件m远红外30一1000件m2、几个定义(1)黑体能把投射到它上面的热辐射能全部吸收的物体;(2)白体能全部反射掉投射到它上面的热辐射能的物体;(3)透明体能透过全部热辐射能的物体,(4)灰体既能吸收,也能反射热辐射的物体。根据基...