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紅外熱像儀的原理及其發(fā)展

來源:北京媯水科技有限公司   2023年10月16日 15:09  

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*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,與可見光圖像相比,缺少層次和立體感,因此,在實(shí)際動(dòng)作過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,首先由美國德克薩蘭儀器公司經(jīng)過近一年的探索,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)隱藏的目標(biāo)和高速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)。由于有國家經(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,通過減小掃描速度來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)過對(duì)儀器的幾代改進(jìn),1986年研制的 紅外熱像儀已無需液氮或高壓氣,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*,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的能量,它的波長很長,無法被肉眼探測(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肉眼無法看見的情況。
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
僅僅通過紅外圖像來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)定過的熱圖像上78,000個(gè)單獨(dú)象素點(diǎn)進(jìn)行測(cè)溫。



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