红外检测方法

6.5 红外热成像系统简介
红外热成像系统是把目标发射和反射的热辐 射，经红外探测器转换为电信号，经处理后再转 换成可见光的二维图像的一种仪器设备。目前， 热成像系统主要分两类。一类是光机扫描成像系 统，称为红外热像仪。另一类是热释电红外摄像 管成像系统，称为红外热电视。以下分别简要介 绍其工作原理和应用概况。
图6-12 全辐射测温仪原理
6.4.1.2 单色测温仪
单色测温仪是在测温仪的光学系统中加上单 色滤光片，因而只能接收所选定波长的辐射能量， 再经过黑体标定并经修正系数修正后而确定目标 温度的。
图6-13 单色测温仪原理
6.4.1.3 比色测温仪
为克服比辐射率对修正系数的影响而造成误 差，比色测温仪是采用了两组不同单色滤光片来 接收两个相近的波长下的辐射，并利用其比值来 确定目标温度的。 比色测温仪具有灵敏度高、不需要预置比辐 射率值而误差较小等优点。但结构复杂价格相对 较高。昆明物理研究所新推出的HCW-ⅡA型远距 离红外测温仪就属于这种类型。其测温范围为0 至300℃，测温距离为5—50m，距离系数可达 400，已超过国外同类产品。
6.3 红外检测的基本方法
红外检测: （1）被动式红外检测； （2）主动式红外检测 ，又分为单面法和双面法。 红外检测中对被测目标的加热方式分为： （1）稳态加热； （2）非稳态加热。 红外检测仪器的安装和运载方式有固定式、便携式、 车载式、机载式。
6.3.1 被动式红外检测
被动式指进行红外检测时不对被测目标加热， 仅仅利用被测目标的温度不同于周围环境温度的 条件，在被测目标与环境的热交换过程中进行红 外检测的方式。被动式红外检测应用于运行中的 设备、元器件和科学实验中。由于它不需要附加 热源，在生产现场基本都采用这种方式。
红外扫 描仪器
显示 器
数字式红外 转换系统
红外联接 组件
录像 机
彩色监视器
计算机
彩色 打印机
图6-18 AG782红外热像仪的组成框图
光机扫描型热像仪的特点为其有较高的温度分 辨率(0.1~0.3C)及空间分辨率(0. 5mrad)，可以比较 精确地显示目标表面温度场的分布状况，其不足之 处为测温温度不太高（士3%)。此外，由于单元探测 器总像元数不足(100X280)，因此图像不够清晰。并 有闪烁现象。同时因探测器需超低温致冷，因而价 格昂贵，维修困难，给应用推广带来不便。
6.5.1 光机扫描热像仪的工作原理
红外探测器在任意一个瞬间只能反映目标表 面上一小部分的热辐射，即一个瞬时视场的热辐 射，并立即输出一个与该瞬时辐射度成正比例的 电信号，若通过一套由精密机械驱动的光学扫描 部件，如多面反射棱镜，称为光机扫描装置，对 目标表面的瞬时视场进行逐行扫描，则探测器响 应足够快时就会连续输出电信号，经电子系统放 大处理后送到显示器上即可显示出与目标温度呈 正比的黑白或彩色图象，称为热像图。图6-17为 光机扫描热像仪的工作原理图。
图6-17
光机扫描热像仪的工作原理
光机扫描热像仪开始出现于50年代，至80年 代中期已发展成技术上最成熟，性能最好的一种 热像仪。其中具有代表性的是瑞典AGEMA公司 的产品。该公司60年代中期至80年代中期研制出 四代系列产品，即AGA680，AGA750，AGA780 和AGA782光机扫描型红外热像仪。图6-18为 AG782的组成框图。图中红外扫描器由光机扫描 系统和单元锑化钢(InSb)光子探测器组成。探测 器置于杜瓦瓶双层外璧之间，由液氮致冷(77K)。 数字或红外转换系统可将黑白图像转换成10种颜 色图像的实时系统。红外连接组件具有A/D转换 器，可将红外辐射的模拟电信号转换为数字信号 而输入计算机进行处理。
图6-14 主动红外探查（单面法）原理图
图6-15 X-Y记录仪
在航空发动机壳体，一般采用胶合夹层结构， 缺陷可能发生在外壳和衬里之图6-16所示。
图6-16 发动机壳体缺陷和红外扫描记录
6.4.2.3 化工塔罐的检测
石化企业中的催化装置、裂化装置及联接管 等都是与热关联的重要生产设备，因此都可以用 红外热像仪来监测。热像中明亮过分的区域表明 材料或炉衬已因变薄而温度升高，因此由此可掌 握生产设备的现场状态，为维修提供可靠信息。 同时也可监视生产设备的有关沉积、阻塞、热漏、 绝热材料变质及管道腐蚀等有关情况，以便有针 对性地采取措施，保证生产正常进行。
图6-19所示为车间某处电机红外成像，电机工 作正常，但从红外成像中可以很清楚地看到电机过 热点，很清晰的对预防性维修检查提供了依据。
图6-19 电机红外成像
图6-20所示为车间某处皮带传动红外成像图， 图中很清晰地看到了两条三角带温度对比，虽然 运行正常，但很显然，红色三角带温度太高，不 能长时间使用，需要检查调整。
6.4.2 红外测温在设备诊断中的应用
红外监测技术最早是在军事应用中发展起来的，至 今，仍占主导地位，下面着重介绍红外技术在故障诊 断和状态监测中的几个应用实例。
6.4.2.1 火车轴箱温度检测
火车车体的自重和载重都是由车辆的轴箱传递到 车轮的。在火车运行中，由于机械结构、加工工艺、 摩擦及润滑状态不良等原因，轴箱会产生温度过高的 热轴故障，如不及时发现和处理，轻则得甩掉有热轴 故障的车辆，重则导致翻车事故，造成生命危险和财 产的损失。为防止“燃轴”事故，利用红外测温技术 制成了“热轴探测仪”，可以方便精确地用以检测。 仪器安放在车站外两侧，当火车通过时，探测器逐个 测出各个车轴箱的温度，并把探测器输出的每一脉冲 (轴箱温度的函数)输送到站内检测室，根据脉冲高低 就可判断轴箱发热情况及热轴位置，以便采取措施。 目前，全国铁路90%的列检所安装了轴温红外探测仪， 其准确率高达99 %。
6.4.2.4 检查焊接质量
将样件的温度高于室温，观察其热像图，在 其热流路径上的物理物性反映在相应的温度分布 图中，从而可以发现隐患。另外在未焊好的区域 的摩擦导致发热，对应于这一产生摩擦的位置， 样件外表面的热像将显示出一个高温区，可以确 定未焊好部位的所在位置。 总之，红外无损检测技术正在不断地完善， 在机械故障检测与诊断及其它领域发挥着越来越 多的作用。
6.3.2 主动式红外检测
主动式红外检测是在进行红外检测之前对被 测目标主动加热，加热源可来自被测目标的外部 或在其内部，加热的方式有稳态和非稳态两种， 红外检测根据不同情况可在加热过程当中进行， 也可在停止加热有一定延时后进行。 （1）、单面法 ： 对被测目标的加热和红外检测 在被测目标的同一侧面进行。 （2）、双面法： 相对于上述的单面法而言，双 面法是把对被测目标的加热和红外检测分别在目 标的正、反两个侧面进行。
图6-22 焦平面热像仪成像机理简图
6.5.2 红外热电视的工作原理
红外热电视的核心部件为热释电摄象管，另 外还有扫描器、同步器、前置放大、视频处理以 及电源、A/D转换、图像处理、显示器等。其结 构简图如图6-23所示。由目标来的红外辐射经聚 焦和斩光器的调制，在热释电靶面上成像。靶面 上各点吸收强弱不同的辐射，产生不同的温差， 使热释电晶体产生的自发极化程度也不同，从而 释放的表面电荷也不同。这些表面电荷与扫描电 子束相互作用而产生一视频信号输出，再经放大 处理后在阴极射线显像管上显示出来，此即热像 图。这一过程如图6-24所示。
6.3.4 红外检测仪器的安装和运载 方式
6.3.4.1 固定式
用于对旋转型（如窑炉）设备故障的检测、关 键设备的检测和生产线上产品工艺、质量的检测。
6.3.4.2 便携式
便携式的红外检测仪器应用十分广泛，在日常 巡检、定期普测、配合设备检修和跟踪监测中都要 使用（主要使用或配合使用）便携式仪器。
图6-20 皮带传动红外成像
图6-21中可以明显地看出，红外管道探测仪 可清晰地探测到肉眼所无法看到的埋地石油管道 的位置及走向，并且其自动标识结果与实际情况 完全相符。
图6-21 油田现场实验结果
6.5.2 非扫描型红外热像仪—焦平面热像仪
焦平面热像仪革除了光机扫描热像仪复杂的 光机扫描装置，它的红外探测器呈二维平面形状， 自身具有电子自扫描功能，被测目标的红外辐射只 需通过简单的物镜，就与照相原理相似地将目标聚 焦在底片上曝光成像，被测目标聚焦成像在红外探 测器的阵列平面上，“焦平面阵列”即此含意。非 扫描型焦平面热像仪的成像机理如图6-22所示。
6.3.4.3 车载式
在进行设备的定期普测时，由于被测设备数 量多、检测路线长，必须采用车载式检测。车载 式是把热像仪装载在汽车（或其他车辆）上，可 以使用两组测距不同的镜头摄取远、近两处设备 的图像；对于汽车不能到达的目标，则步行到位 检测；车内有图像监视器显示，操作者发现异常 （包括需要立即检修和进一步调查检测两种情 况），则立即在车上记录并打印，及时向主管人 员递交红外检测报告；遇有紧急情况需要及时处 理时，可采用无线电电话取得联系。
图6-11 红外点温仪的基本原理框图
6.4.1.1 全辐射测温仪
全辐射测温仪是收集目标发出的全波段红外 辐射能量，经黑体标定并经修正后从而确定被测 目标表面温度的一种仪表。大多数红外点温仪都 属于这种类型。 这种类型的测温仪表，如国产IRT-1200、 IRT-3000、 HCW-1、HW-2、HD-400等型号的 红外点温仪，其特点为结构简单，使用方便，但 灵敏度较低，误差较大。这主要是因为其修正系 数A的确定完全依赖于比辐射率的选定是否正确。 由于影响比辐射率的因素比较复杂，而根据手册 上在标准条件下提供的值有时与实测情况相去甚 远，因而会造成较大误差。对于预定监测的目标， 应预先测取实际的比辐射率或对目标表面喷涂已 知比辐射率值的涂料以解决误差的问题。
6.3.3.2 非稳态加热
对被测目标加热，不需要使其内部温度达到 均匀稳定状态，而在它的内部温度尚不均匀、具 有导热的过程中即进行红外检测。如将热量均匀 地注入被测目标，热流进入内部的速度要由它的 内部状况决定，若内部有缺陷，则会成为阻挡热 流的热阻，经一定时间会产生热量堆积，在其相 应的表面会产生热的异常。缺陷造成的热流变化 取决于缺陷的位置、走向、几何尺寸和材料的热 物理性能。