红外线技术原理.docx
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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0.76T000um之间。
2.红外线的本质
经研究表明:
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°C,红外线辐射的能量可用物体表面的温度来度量,辐射能量越人,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:
*C
3.热力学温标:
K
几个温标之间的换算:
°C=(°F-32)X5/9
K=°C+273.15°C绝对零度0K=-273.5°C
黑体:
具有理想中最人辐射功率的物体,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
la一黑体在单位时间内吸收的红外线能量强度
lb一黑体在单位时间内发射的红外线能量温度
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照体红外辐射功率的比值,称为辐射率,又称为发射率,用符号£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03、H2O、CO2等)对红外的吸收很强烈。
只有三个
波段的红外能透过人气窗门。
1—2Pm
3—5um
8—14um
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闱。
普朗克定律:
IP=6ET4!
►红外热像仪测温、成像的核心。
其中P是红外辐射功率,6是普朗克系数,&是辐射率,T是温度。
维恩位移定律:
|X二2897/T
4.红外线的特性
a.红外线是一种电磁波
◄
<0.5纳来>0.76微米.
L(0.76^-1000WK
►
►
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
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。
的工作波长,低温测温宜采用较长的工作波长,对于电力设备由于人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—14Um的工作波长。
短波仪器白天使用,受阳光干扰较人,太阳光发射的红外波长主要集中在短波,在以后辐射变弱。
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闱,短波仪器能清楚地看清火焰,但不能看清炉管,影
响很人:
。
波长
最灵敏响应温度
适用系统
1~2Pm
1500K-3000K
核反应堆
3~5Um
600K-1000K
石油化工
8~14Pm
400K
电力消防
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:
变化信号
设备型号
探测器材料
特点
优点
AU
GD2000
热释电管
能较准确测定
测温较准
AR
HY6000
微热辐射器
能精确测定
测温准确
AC
NEC7102
铁电材料
很难测定
很难测准
O
7K
光电效应:
电子从2S到2P跃迁,产生电荷。
条件是必须制冷(-196°C),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,在性能上人人优于光机扫描式热像仪,又逐步取代
光机打描式热像仪的趋势。
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。
□◄热电材料(像素)320X240(HY6000)
像素尺寸:
即焦平面探测器中热电材料的人小。
热电材料越小越好,尺寸越小,图像越清晰,灵敏度越高。
45um(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。
比值越人探测器越好。
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
45111111
51nim
51nun
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。
材料一般为错单晶,表面镀金刚石,红外线透过率>80%,或A97%(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二F/D
F为焦距,D为通光孔径。
f数(即A值)越人,通光量越人。
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)
NECTH5100.65STVS1000.1S
噪声等效温度分辨率:
即MRTD值(主观量)。
实验方法:
标准温差源
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:
NETDYT/SN通过科学检测手段得出的客观数值(客观量)。
一般情况卞,\1RTD数值VNETD的数值。
人眼的感觉总要比机器灵敏。
以HY6000为例,它的MRTD为0.08°C;而它的NETD则为0.1°C。
空间分辨率:
红外热像仪分辨物体的能力,单位nirad。
半径为R的园,周长为2nR
如果目标距离热像仪为1000111,则空间分辨率为lmiad的热像仪
(HY6000)可以分辨的目标直径为:
lnuadX1000=lm
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”。
1.热像仪的分类与划代
第一代:
点阵式光机扫描。
(32X32、64X64)
III
探测器
第二代:
阵列式光机扫描(288X4)
三棱镜(垂直扫描)
探测器(阵列式)
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确镉汞
致冷的工作温度为-196°C,几种致冷方式:
1、氮:
杜瓦瓶。
如AGA478
2、T-J节流:
人气瓶,气体在突然间膨胀吸收人量的热,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°C。
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。
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爭件时。
因为人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閑。
-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闱内读取目标温度。
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II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)
•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
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- 红外线 技术 原理