紅外熱像原理及應(yīng)用

郭建軍 辛偉大

(赤峰創(chuàng)諾醫(yī)藥科技有限公司，內(nèi)蒙古赤峰 024000)

1 紅外熱像原理

19世紀(jì)初英國的天文學(xué)家威廉漢姆·和瑟爾在對可見光譜進(jìn)行熱效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了紅外線及紅外輻射現(xiàn)象。

后來的科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明自然界任何物體，只要溫度高于絕對零度，就會(huì)以電磁輻射的形式在非常寬的波長范圍內(nèi)發(fā)射能量，產(chǎn)生電磁波。并且不同的材料、不同的溫度、不同的表面光度、不同的顏色等，所發(fā)出的紅外輻射強(qiáng)度各不相同。

紅外熱成像技術(shù):熱成像技術(shù)是利用熱感應(yīng)照相機(jī)的紅外線成像技術(shù)。熱感應(yīng)照相機(jī)可生成熱而不是光的圖像，它可以測量紅外(IR)能量，并將數(shù)據(jù)經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的溫度圖像。進(jìn)而被轉(zhuǎn)換成可見圖像，即熱圖。由于物體所發(fā)出的紅外輻射在穿過大氣到達(dá)測量系統(tǒng)時(shí)會(huì)受到衰減，如果不利用校正措施，那么隨著距離增大，測量的溫度讀數(shù)越來越偏小。所以紅外熱像設(shè)備在測量和使用過程中有一些關(guān)鍵參數(shù)需要特別注意。

2 紅外熱像的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)

1)熱靈敏度(NETD)。

熱靈敏度:熱像儀能精確分辨出目標(biāo)輻射的最小溫度能力。熱靈敏度指標(biāo)越高，可表明紅外熱像儀不僅能夠反映細(xì)小的溫度變化，而且還可以提供更為清晰、無噪聲的優(yōu)質(zhì)圖像。

2)視場角(FOV)。

視場角又稱為總視場角或掃描視場角，表示熱像儀位置固定時(shí)，所能觀察到的最大空間角度范圍(見圖1)。

3)空間分辨率(IFOV)。

空間分辨率指紅外熱像儀能夠識別的兩個(gè)相鄰目標(biāo)的最小距離。通常用瞬時(shí)視場角(IFOV)來表示(單位:mrad)。表示熱像儀的最小角分辨單元?？臻g分辨率決定著熱像儀的清晰度，是熱像儀所能測量的最小尺寸。它與像素，視場角有關(guān)。

3 紅外熱像應(yīng)用中的幾個(gè)重要問題

1)發(fā)射率的變化。

影響發(fā)射率的因素。大多數(shù)非金屬材料發(fā)射率較高，且相同材質(zhì)、不同顏色的目標(biāo)的發(fā)射率非常接近，誤差通常不超過測量精度范圍;部分表面光亮的非金屬材料發(fā)射率較低(見圖2)。

a.非金屬的發(fā)射率。

皮膚(0.98)、電氣膠帶(0.95)、漆(0.90～ 0.95);紙標(biāo)簽(0.90)、空腔(0.95以上)、黑體(0.98);沸水(0.98);

b.金屬材料的發(fā)射率會(huì)受到下列因素的影響。

材料:不同材料發(fā)射率不同，如銅的發(fā)射率一般比鋁高。表面光潔度:通常表面粗糙的材料發(fā)射率比光潔表面高。表面顏色:以黑色為代表的深色系表面發(fā)射率比淺色系高。表面形狀:表面有凹陷、夾角或不平整規(guī)則的部位比平整的部位發(fā)射率高。

2)關(guān)于發(fā)射率的注意事項(xiàng)。

a.盡可能拍攝目標(biāo)上的一個(gè)高發(fā)射率參考點(diǎn)(膠帶、油漆或空腔輻射體)。

b.發(fā)射率低于0.50時(shí)，最好不要直接進(jìn)行測量。

c.在必須拍攝低發(fā)射率表面時(shí)，嘗試在視場中放置一個(gè)高發(fā)射率參考物，或?qū)φ战佑|式測量來檢查輻射測量。

3)紅外窗口材料。

絕大多數(shù)情況下，我們看到的只是表面;然而，我們想要了解的熱量卻通常源自于內(nèi)部。我們?nèi)绾瓮高^密閉的外殼看到內(nèi)部，對于8μm～14μm的紅外波段來說，通?？梢姽饪纱┩傅牟Ａ?、有機(jī)玻璃等材料都變得難以透過，我們需要特殊的材料作為紅外測溫的窗口(見圖3)。

a.硅(Si)。

b.鍺(Ge)。

c.氟化鈣(CaF)。

d.硫化鋅(ZnS)。

e.硒化鋅(ZnXe)。

還有一種材料是我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常用到的:保鮮膜現(xiàn)場有較多粉塵和水氣時(shí)作為保護(hù)鏡頭用?？梢宰鳛槟M密閉環(huán)境的外殼，在測量時(shí)必須先確認(rèn)其透過率。

4)背景溫度(反射溫度)補(bǔ)償。

發(fā)射率較低的測量目標(biāo)可以反射來自附近的物體的能量，這部分額外的反射能量會(huì)被添加到測量目標(biāo)自身發(fā)射的能量中，從而使讀數(shù)變得不準(zhǔn)確。部分情況下，位于測量目標(biāo)附近的物體(設(shè)備、發(fā)射能量或者其他熱源)的溫度會(huì)比測量目標(biāo)的溫度高出很多(見圖4)。

如果不能避免反射干擾，就需要修正背景溫度(反射溫度補(bǔ)償)。

5)調(diào)焦的問題。

若沒有準(zhǔn)確調(diào)焦，就無法得到清晰的紅外熱像圖，也無法得到準(zhǔn)確的目標(biāo)溫度。所有參數(shù)都可以在后臺軟件中方便地進(jìn)行處理，只有調(diào)焦必須在場完成。高級熱像儀完全重合的畫中畫模式(PIP)，為準(zhǔn)確調(diào)焦提供了方便的判斷依據(jù)(見圖5，圖6)。

6)調(diào)色板的選擇。

熱像儀一般會(huì)提供3種調(diào)色板模式:灰度、鐵紅、紅藍(lán)彩色(彩虹)。

建議選用的調(diào)色板:高對比度在紅藍(lán)彩色調(diào)色板基礎(chǔ)上，增加了高對比度模式，更適合現(xiàn)場快速、清晰地捕捉問題點(diǎn)。

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