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红外热像仪
概述

    红外热像仪是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上,从而获得红外热像图,这种热像图与物体表面的热分布场相对应。通俗地讲红外热像仪就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像。热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。

发展历程

    “红外线”一词源于“pastred”,是超出红色之外的意思,表示该波长在电磁辐射频谱中所处的位置。“thermography”一词是采用同根词生成的,意思是“温度图像”。热成像的起源归功于德国天文学家Sir William Herschel,他在1800年使用太阳光做了一些实验。Herschel让太阳光穿过一个棱镜并在各种颜色处放置温度计,利用灵敏的水银温度计测量每种颜色的温度,结果发现了红外辐射。Herschel发现,当越过红色光线进入他称为“暗红热”区域时,温度便会升高。“暗红热”即是现在人们所说的红外热能,处于被称为电磁辐射的电磁波频谱区域。
    二十年后,德国物理学家Thomas Seebeck发现了温差电效应。在该发现的基础上,意大利物理学家Leopoldo Nobili于1829年发明了热量倍增器(即早期版本的热电偶)。这种简单的接触式设备的工作原理是两个异种金属之间的电压差会随着温度的变化而变化。过了不久,Nobili的合作伙伴Macedonio Melloni把热量倍增器改进为热电堆(以串联方式安装热量倍增器)并将热辐射集于热电堆上,这样,他可以检测到9.1米(33英尺)远处的人类体热。
    1880年,美国天文学家SamuelLangley使用辐射热检测仪探测到304米(1000英尺)以外的牛的体热。辐射热检测仪测量的不是电压差异,而是与温度变化有关的电阻变化。Sir William Herschel的儿子Sir John Herschel于1840年使用名为“蒸发成像仪”的设备制作出第一幅红外图像。热图像是薄油膜的蒸发量差异形成的,可以借助油膜上反射出的光线进行查看。
    热像仪是一种无需与设备直接接触便可检测出红外波长频谱中的热图案的设备。早期型号的热像仪称为“光导探测器”。从1916年至1918年,美国发明家Theodore Case利用光导探测器做实验,通过与光子(而不是热能)直接交互作用产生信号,最终发明了速度更快、更灵敏的光导探测器。20世纪四十年代和五十年代期间,为了满足日益增长的军事应用领域的需求,热成像技术不断演变,取得了长足的发展。德国科学家发现,通过冷却光导探测器可以提高整体性能。
    直到20世纪六十年代,热成像技术才被用于非军事应用领域。虽然早期的热成像系统很笨重、数据采集速度缓慢而且分辨率不佳,但它们还是被用于工业应用领域,例如检查大型输配电系统。
    20世纪七十年代,军事应用领域的持续发展造就了第一个便携式系统。该系统可用于建筑诊断和材料无损测试等应用领域。20世纪七十年代的热成像系统结实耐用而且非常可靠,但与现代热像仪相比,它们的图像质量不佳。到20世纪八十年代初期,热成像技术已广泛应用于医疗、主流行业以及建筑检查领域。经过校准后,热成像系统可以制作完全的辐射图像,这样便可测量该图像中任意位置的辐射温度。辐射图像是指包含图像内各点处的温度测量计算值的热图像。
    安全可靠的热像仪冷却器经过改进,取代了沿用已久的用于冷却热像仪的压缩气或液化气。此外,人们还开发并大量生产了成本较低、基于管道的热电光导摄像管(PEV)热成像系统。
    虽然不能进行辐射测量,但PEV热成像系统轻巧灵便、携带方便,而且无需冷却便可操作。
    二十世纪八十年代后期,一种称为焦平面阵列(FPA)的新设备从军事应用领域转移至商业市场。焦平面阵列(FPA)是一种图像传感设备,由位于镜头焦平面处的红外传感探测器的阵列(通常为矩形)组成。
    这大大改进了原始的扫描式探测器,从而提高了图像质量和空间分辨率。现代热像仪上的典型阵列的像素范围为:16×16至640×480。从这个角度来说,像素是可以检测红外能量的FPA的最小独立元素。对于特殊应用场合,阵列的像素可以达到1000×1000以上。
    第一个数字代表每个垂直列中的像素数,第二个数字代表屏幕上显示的行数。例如,160×120阵列的总像素为19,200(160像素×120像素=19,200总像素)。
    自2000年以来,使用多个探测器的FPA技术的发展不断加快。长波热像仪用于检测8μm至15μm波长范围内的红外能量。微米(μm)是一个长度测量单位,等于1毫米(0.001米)的千分之一。
    中波热像仪用于检测2.5μm至6μm波长范围内的红外能量。长波和中波热成像系统均提供全面的辐射型号,图像融合度和热灵敏度通常为0.03SDgrC(0.054SDgrF)或更低。这些系统的成本在过去十年间降低了十倍以上,但质量得到了大幅度提升。此外,用于图像处理的计算机软件的应用也有了显著的发展。
    现在,几乎所有商业类型的红外系统均使用软件来协助分析和撰写报告。报告可快速生成并在互联网上以电子形式发,或以一种常见格式(例如PDF)保存,而且还可以刻录在多种数字存储设备上。

工作原理

    红外热像仪是一门使用光电设备来检测和测量辐射并在辐射与表面温度之间建立相互联系的科学。辐射是指辐射能(电磁波)在没有直接传导媒体的情况下移动时发生的热量移动。现代红外热像仪的工作原理是使用光电设备来检测和测量辐射,并在辐射与表面温度之间建立相互联系。所有高于绝对零度(-273℃)的物体都会发出红外辐射。红外热像仪利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上,从而获得红外热像图,这种热像图与物体表面的热分布场相对应。通俗地讲红外热像仪就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像。热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。通过查看热图像,可以观察到被测目标的整体温度分布状况,研究目标的发热情况,从而进行下一步工作的判断。
    人类一直都能够检测到红外辐射。人体皮肤内的神经末梢能够对低达±0.009°C (0.005°F) 的温差作出反应。虽然人体神经末梢极其敏感,但其构造不适用于无损热分析。例如,尽管人类可以凭借动物的热感知能力在黑暗中发现温血猎物,但仍可能需要使用更佳的热检测工具。由于人类在检测热能方面存在物理结构的限制,因此开发了对热能非常敏感的机械和电子设备。这些设备是在众多应用中检查热能的标准工具。

应用领域

    红外热像仪的应用范围极其广泛,并且随着红外技术的不断发展及普及,新的应用被不断开发,目前主要有一下几个应用大类。
    1、科学研究
    材料研究:有机材料、无机材料、复合材料、3D打印材料、纳米材料、弹性材料等。
    机械与动力:新能源动力系统、制动系统、液压系统、牵引系统、传动系统、加热系统、精密加工等。
    电子与电气:微电子、芯片、电子元器件、强电设备等。
    土木工程:桥梁、隧道、大坝、建筑物等基建设施的渗漏、空鼓、缝隙问题、地质勘探等。
    化学与化工:化学反应过程监测、反应设备监测、产品性能测试等。
    动物与植物:药性及药效试验、新品种培育、动物习性、生长环境、激光脱毛、微生物体、医学研究等。
    其它科研:考古与文物保护、空间试验、空气动力学、激光及光纤研究、爆炸研究、碰撞试验、火山研究、温室效应、沙尘暴、采矿、地震等。
    2、电气设备
    配电系统:配电盘、开关箱、变压器、断电器、接触器、保险丝、电缆、发电机、绕组装备、油枕、UPS等。
    3、机电设备
    通用机电设备:传送带检测、电机检测、阀门检测、法兰泄露检测、管道检测、冷凝阀、压缩机、轴承检测等。
    冶金加热设备:钢包、高炉风口、高炉冷却壁、高炉内衬检测、高炉送风支管检测、焦炉
    连铸板坯、热风炉、热风炉拱顶检测、退火炉、鱼雷罐车、转炉炉衬等。
    石化专用设备:蒸馏塔、储罐液位检测、反应器、换热器等。
    轨道交通专业设备:接触网检测、电力机车车头检测、高架箱梁渗水检测、高铁高价桥梁防水层检测、黑体炉检测、接触网检测、轮轴温度检测等。
    加工和热处理:焊接、铸件、模具、炼钢炉、转炉、鱼雷车、炉壁、金属热处里(退火、回火、淬火)、冷/热轧钢板、钢卷线材等温度量测监控等。
    其他专用设备:滚筒干燥器、胶辊检测、吹瓶机瓶坯温度检测、金属管密封性能检测、机房应用、铅酸电池桥接检测、泡罩包装等。
    4、研发品管
    电路研发、电源检测、LED灯具散热片检测、LED灯罩检测、LED检测、LED芯片检测、LED芯片散热检测、LED照明灯具检测、医疗器械、发动机燃油喷嘴检测、塑料改性检测、模具检测、太阳能热斑、CRT检测、CD检测、PV逆变器、冰箱制冷剂泄漏检测、产品壳体温度检测、电熨斗、评测电子产品的发热、刹车片、加热座椅、轮胎、汽车电器、汽车发送机、汽车焊接机器人、汽车后风挡、汽车前风挡、汽车前照灯、电机绕组检测、锂电池检测、铅酸电池桥接检测。
    5、建筑检测
    建筑诊断:外墙空鼓、剥落、屋面渗漏、管道、热桥、节能研究、地暖检测、竣工验收等;
    公路桥梁:可用于快速扫描公路裂纹、桥梁开裂、渗漏检查、沥青摊铺等;军事及安防
    军事应用:导弹制导,红外雷达,炸药性能提升,红外夜视、红外隐身等。
    消防安保系统:可用于消防科研、火灾救人、安保、走私监控等。

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