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紅外熱像儀的原理及其發(fā)展
日期：2024-10-14 17:52
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摘要：
紅外熱像儀原理
紅外熱像儀是利用紅外探測(cè)器、光學(xué)成像物鏡和光機(jī)掃描系統(tǒng)（目前先進(jìn)的焦平面技術(shù)則省去了光機(jī)掃描系統(tǒng)）接受被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測(cè)器的光敏元上，在光學(xué)系統(tǒng)和紅外探測(cè)器之間，有一個(gè)光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)（焦平面熱像儀無(wú)此機(jī)構(gòu)）對(duì)被測(cè)物體的紅外熱像進(jìn)行掃描，并聚焦在單元或分光探測(cè)器上，由探測(cè)器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大處理、轉(zhuǎn)換或標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)通過(guò)電視屏或監(jiān)測(cè)器顯示紅外熱像圖。這種熱像圖與物體表面的熱分布場(chǎng)相對(duì)應(yīng)；實(shí)質(zhì)上是被測(cè)目標(biāo)物體各部分紅外輻射的熱像分布圖由于信...
紅外熱像儀原理
紅外熱像儀是利用紅外探測(cè)器、光學(xué)成像物鏡和光機(jī)掃描系統(tǒng)（目前先進(jìn)的焦平面技術(shù)則省去了光機(jī)掃描系統(tǒng)）接受被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測(cè)器的光敏元上，在光學(xué)系統(tǒng)和紅外探測(cè)器之間，有一個(gè)光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)（焦平面熱像儀無(wú)此機(jī)構(gòu)）對(duì)被測(cè)物體的紅外熱像進(jìn)行掃描，并聚焦在單元或分光探測(cè)器上，由探測(cè)器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大處理、轉(zhuǎn)換或標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)通過(guò)電視屏或監(jiān)測(cè)器顯示紅外熱像圖。這種熱像圖與物體表面的熱分布場(chǎng)相對(duì)應(yīng)；實(shí)質(zhì)上是被測(cè)目標(biāo)物體各部分紅外輻射的熱像分布圖由于信號(hào)非常弱，與可見(jiàn)光圖像相比，缺少層次和立體感，因此，在實(shí)際動(dòng)作過(guò)程中為更有效地判斷被測(cè)目標(biāo)的紅外熱分布場(chǎng)，常采用一些輔助措施來(lái)增加儀器的實(shí)用功能，如圖像亮度、對(duì)比度的控制，實(shí)標(biāo)校正，偽色彩描繪等技術(shù)
紅外熱像儀的發(fā)展
1800年，英國(guó)物理學(xué)家F. W.赫胥爾發(fā)現(xiàn)了紅外線，從此開辟了人類應(yīng)用紅外技術(shù)的廣闊道路。在**次世界大戰(zhàn)中，德國(guó)人用紅外變像管作為光電轉(zhuǎn)換器件，研制出了主動(dòng)式夜視儀和紅外通信設(shè)備，為紅外技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
二次世界大戰(zhàn)后，首先由美國(guó)德克薩蘭儀器公司經(jīng)過(guò)近一年的探索，開發(fā)研制的用于**領(lǐng)域的紅外成像裝置，稱之為紅外尋視系統(tǒng)（FLIR），它是利用光學(xué)機(jī)械系統(tǒng)對(duì)被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射掃描。由光子探測(cè)器接收兩維紅外輻射跡象，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及一系列儀器處理，形成視頻圖像信號(hào)。這種系統(tǒng)、原始的形式是一種非實(shí)時(shí)的自動(dòng)溫度分布記錄儀，后來(lái)隨著五十年代銻化銦和鍺摻汞光子探測(cè)器的發(fā)展，才開始出現(xiàn)高速掃描及實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)熱圖像的系統(tǒng)。
六十年代早期，瑞典AGA公司研制成功**代紅外成像裝置，它是在紅外尋視系統(tǒng)的基礎(chǔ)上以增加了測(cè)溫的功能，稱之為紅外熱像儀。
開始由于保密的原因，在發(fā)達(dá)的國(guó)家中也于**，投入應(yīng)用的熱成像裝置可的黑夜或濃厚幕云霧中探測(cè)對(duì)方的目標(biāo)，探測(cè)偽裝的目標(biāo)和高速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)。由于有國(guó)家經(jīng)費(fèi)的支撐，投入的研制開發(fā)費(fèi)用很大，儀器的成本也很高。以后考慮到在工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展中的實(shí)用性，結(jié)合工業(yè)紅外探測(cè)的特點(diǎn)，采取壓縮儀器造價(jià)。降低生產(chǎn)成本并根據(jù)民用的要求，通過(guò)減小掃描速度來(lái)提高圖像分辨率等措施逐漸發(fā)展到民用領(lǐng)域。
六十年代中期，AGA公司研制出套工業(yè)用的實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)（THV），該系統(tǒng)由液氮致冷，110V電源電壓供電，重約35公斤，因此使用中便攜性很差，經(jīng)過(guò)對(duì)儀器的幾代改進(jìn)，1986年研制的 紅外熱像儀已無(wú)需液氮或高壓氣，而以熱電方式致冷，可用電池供電；1988年推出的全功能熱像儀，將溫度的測(cè)量、修改、分析、圖像采集、存儲(chǔ)合于一體，重量小于7公斤，儀器的功能、精度和可靠性都得到了顯著的提高。
九十年代中期，美國(guó)FSI公司首先研制成功由**技術(shù)（FPA）轉(zhuǎn)民用并商品化的新一紅外熱像儀（CCD）屬焦平面陣列式結(jié)構(gòu)的一種凝成像裝置，技術(shù)功能更加先進(jìn)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫時(shí)只需對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)攝取圖像，并將上述信息存儲(chǔ)到機(jī)內(nèi)的PC卡上，即完成全部操作，各種參數(shù)的設(shè)定可回到室內(nèi)用軟件進(jìn)行修改和分析數(shù)據(jù)，后直接得出檢測(cè)報(bào)告，由于技術(shù)的改進(jìn)和結(jié)構(gòu)的改變，取代了復(fù)雜的機(jī)械掃描，儀器重量已小于二公斤，使用中如同手持?jǐn)z像機(jī)一樣，單手即可方便地操作。
如今，紅外熱成像系統(tǒng)已經(jīng)在電力、消防、石化以及醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。紅外熱像儀在世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中正發(fā)揮著舉足輕重的作用。
紅外熱像儀分類
紅外熱像儀一般分光機(jī)掃描成像系統(tǒng)和非掃描成像系統(tǒng)。光機(jī)掃描成像系統(tǒng)采用單元或多元（元數(shù)有8、10、16、23、48、55、60、120、180甚至更多）光電導(dǎo)或光伏紅外探測(cè)器，用單元探測(cè)器時(shí)速度慢，主要是幀幅響應(yīng)的時(shí)間不夠快，多元陣列探測(cè)器可做成高速實(shí)時(shí)熱像儀。非掃描成像的熱像儀，如近幾年推出的陣列式凝視成像的焦平面熱像儀，屬新一代的熱成像裝置，在性能上大大優(yōu)于光機(jī)掃描式熱像儀，有逐步取代光機(jī)掃描式熱像儀的趨勢(shì)。其關(guān)鍵技術(shù)是探測(cè)器由單片集成電路組成，被測(cè)目標(biāo)的整個(gè)視野都聚焦在上面，并且圖像更加清晰，使用更加方便，儀器非常小巧輕便，同時(shí)具有自動(dòng)調(diào)焦圖像凍結(jié)，連續(xù)放大，點(diǎn)溫、線溫、等溫和語(yǔ)音注釋圖像等功能，儀器采用PC卡，存儲(chǔ)容量可高達(dá)500幅圖像。
紅外熱電視是紅外熱像儀的一種。紅外熱電視是通過(guò)熱釋電攝像管（PEV）接受被測(cè)目標(biāo)物體的表面紅外輻射，并把目標(biāo)內(nèi)熱輻射分布的不可見(jiàn)熱圖像轉(zhuǎn)變成視頻信號(hào)，因此，熱釋電攝像管是紅外熱電視的光鍵器件，它是一種實(shí)時(shí)成像，寬譜成像（對(duì)3～5μm及8～14μm有較好的頻率響應(yīng)）具有中等分辨率的熱成像器件，主要由透鏡、靶面和電子槍三部分組成。其技術(shù)功能是將被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射線通過(guò)透鏡聚焦成像到熱釋電攝像管，采用常溫?zé)犭娨曁綔y(cè)器和電子束掃描及靶面成像技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。熱像儀的主要參數(shù)有：
2.3.1工作波段；工作波段是指紅外熱像儀中所選擇的紅外探測(cè)器的響應(yīng)波長(zhǎng)區(qū)域，一般是3～5μm或8～12μm。
2.3.2探測(cè)器類型；探測(cè)器類型是指使用的一種紅外器件。是采用單元或多元（元數(shù)8、10、16、23、48、55、60、120、180等）光電導(dǎo)或光伏紅外探測(cè)器，其采用的元素有硫化鉛（PbS）、硒化鉛（PnSe）、碲化銦（InSb）、碲鎘汞（HgCdTe）、碲錫鉛（PbSnTe）、鍺摻雜（Ge：X）和硅摻雜（Si：X）等。
2.3.3掃描制式；一般為我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)電視制式，PAL制式。
2.3.4顯示方式；指屏幕顯示是黑白顯示還是偽彩顯示。
2.3.5溫度測(cè)定范圍；指測(cè)定溫度的低限與高限的溫度值的范圍。
2.3.6測(cè)溫準(zhǔn)確度；指紅外熱像儀測(cè)溫的大誤差與儀器量程之比的百分?jǐn)?shù)。
2.3.7大工作時(shí)間；紅外熱像儀允許連續(xù)的工作時(shí)間。
紅外熱像儀是通過(guò)吸收目標(biāo)物體的能量輻射生成紅外圖像和溫度測(cè)量的儀器。
紅外能量是一種肉眼看不見(jiàn)的能量，它的波長(zhǎng)很長(zhǎng)，無(wú)法被肉眼探測(cè)到。它是電磁波譜中的一部分，人類將它感知為熱量。與可見(jiàn)光不同，在紅外領(lǐng)域里，凡是溫度在零度以上的物體都能夠散發(fā)熱量。即使如冰塊這樣表面非常寒冷的物體，同樣能夠發(fā)射紅外能量。物體的溫度越高，它所輻射的紅外能量就越強(qiáng)。紅外熱像儀能夠幫助我們看見(jiàn)肉眼無(wú)法看見(jiàn)的情況。
紅外熱像儀能夠生成紅外圖像或熱輻射圖像，并且能夠提供好的非接觸溫度測(cè)量功能。幾乎所有物體在發(fā)生故障之前，溫度都會(huì)隨之升高，因此在很多領(lǐng)域內(nèi)，紅外熱像儀是一種經(jīng)濟(jì)有效的檢測(cè)工具。由于很多行業(yè)都將高效生產(chǎn)、能源管理、提高產(chǎn)量和生產(chǎn)**作為企業(yè)發(fā)展的重要目標(biāo)，因此紅外熱像儀正在被不斷的應(yīng)用在各種行業(yè)和各種應(yīng)用領(lǐng)域中。
為何要進(jìn)行溫度測(cè)量
僅僅通過(guò)紅外圖像來(lái)尋找故障往往是不夠的。事實(shí)上，一臺(tái)只能生成紅外圖像而無(wú)法測(cè)量溫度的紅外熱像儀并不能反映電氣或者機(jī)械故障的所有情況。很多電氣設(shè)備能夠在自身溫度顯著高于環(huán)境溫度的情況下仍然可以正常運(yùn)行。因此一臺(tái)不具備測(cè)溫功能的紅外熱像儀可能將誤導(dǎo)您發(fā)現(xiàn)了一個(gè)根本不存在的故障。
具備測(cè)溫功能的紅外熱像儀能夠正確引導(dǎo)預(yù)防性維護(hù)專家對(duì)電氣或機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。您可以將測(cè)量溫度值同歷史溫度進(jìn)行比較，或者與相同時(shí)間同類設(shè)備的溫度讀數(shù)進(jìn)行比較，以準(zhǔn)確判斷是否發(fā)生了顯著的溫升，是否會(huì)導(dǎo)致部件失效，帶來(lái)生產(chǎn)隱患。
幾乎所有的FLIR紅外熱像儀都可以具備數(shù)字化圖像存儲(chǔ)功能。在任何時(shí)間，您都可以通過(guò)安裝在計(jì)算機(jī)上的FLIR紅外分析軟件對(duì)所生成的標(biāo)定過(guò)的熱圖像上78，000個(gè)單獨(dú)象素點(diǎn)進(jìn)行測(cè)溫。
紅外能量是一種肉眼看不見(jiàn)的能量，它的波長(zhǎng)很長(zhǎng)，無(wú)法被肉眼探測(cè)到。它是電磁波譜中的一部分，人類將它感知為熱量。與可見(jiàn)光不同，在紅外領(lǐng)域里，凡是溫度在零度以上的物體都能夠散發(fā)熱量。即使如冰塊這樣表面非常寒冷的物體，同樣能夠發(fā)射紅外能量。物體的溫度越高，它所輻射的紅外能量就越強(qiáng)。紅外熱像儀能夠幫助我們看見(jiàn)肉眼無(wú)法看見(jiàn)的情況。
紅外熱像儀能夠生成紅外圖像或熱輻射圖像，并且能夠提供好的非接觸溫度測(cè)量功能。幾乎所有物體在發(fā)生故障之前，溫度都會(huì)隨之升高，因此在很多領(lǐng)域內(nèi)，紅外熱像儀是一種經(jīng)濟(jì)有效的檢測(cè)工具。由于很多行業(yè)都將高效生產(chǎn)、能源管理、提高產(chǎn)量和生產(chǎn)**作為企業(yè)發(fā)展的重要目標(biāo)，因此紅外熱像儀正在被不斷的應(yīng)用在各種行業(yè)和各種應(yīng)用領(lǐng)域中。
為何要進(jìn)行溫度測(cè)量
僅僅通過(guò)紅外圖像來(lái)尋找故障往往是不夠的。事實(shí)上，一臺(tái)只能生成紅外圖像而無(wú)法測(cè)量溫度的紅外熱像儀并不能反映電氣或者機(jī)械故障的所有情況。很多電氣設(shè)備能夠在自身溫度顯著高于環(huán)境溫度的情況下仍然可以正常運(yùn)行。因此一臺(tái)不具備測(cè)溫功能的紅外熱像儀可能將誤導(dǎo)您發(fā)現(xiàn)了一個(gè)根本不存在的故障。
具備測(cè)溫功能的紅外熱像儀能夠正確引導(dǎo)預(yù)防性維護(hù)專家對(duì)電氣或機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。您可以將測(cè)量溫度值同歷史溫度進(jìn)行比較，或者與相同時(shí)間同類設(shè)備的溫度讀數(shù)進(jìn)行比較，以準(zhǔn)確判斷是否發(fā)生了顯著的溫升，是否會(huì)導(dǎo)致部件失效，帶來(lái)生產(chǎn)隱患。
幾乎所有的FLIR紅外熱像儀都可以具備數(shù)字化圖像存儲(chǔ)功能。在任何時(shí)間，您都可以通過(guò)安裝在計(jì)算機(jī)上的FLIR紅外分析軟件對(duì)所生成的標(biāo)定過(guò)的熱圖像上78，000個(gè)單獨(dú)象素點(diǎn)進(jìn)行測(cè)溫。
