20-红外热像仪的研究和使用实验

实验二十 红外热像仪的研究和使用
红外热像仪是一种利用红外线辐射而拍摄的摄像仪，热成像显示系统是一种处理热信息的微机处理系统。

红外热像技术与X 射线，B 超，CT ，磁共振和核显像原理不同，它不主动发射任何射线，而只接受物体辐射出的“热”线——红外线，从而形成物体的“热”影象，是物体的三维“热”（温度）分布图象。

热像处理技术在军事上运用很广，而且即有相当重要的地位，如，夜间跟踪目标，武器瞄准器等。

但在民用上的运用是这几年的事，比如，医学上通过热拍摄来分析人体各部分的热分布，从而找出病变的部分；电学中对电路板上各元器件的热分布的合理性的研究，从而改善各元器件的分布结构等等。

【实验目的】
1． 熟悉热像仪的基本结构原理。

2． 学会使用热颜色处理热源的软件包。

3． 观察和分析电路板的热分布特性。

4． 描绘电路板的热分布图。

【实验原理】
自然界存在着一种不为人们所注意的客观现象，这就是任何物体都具有一定的温度，它们都是“热”的，所不同的只是热的程度有差异而已。

在物理学中，热是用绝对温度来表示的（即用K 表示）。

因此，上述现象又可表示为：自然界不存在绝对温度为零的物体。

绝对温度=摄氏温度+273
热与光，电，磁一样，具有辐射特性（热辐射），只是辐射波长有长短。

将热，光，电，磁等的辐射，按其辐射波长的长短依次排列，便是人们熟知的波谱（图1）所示。

10-5 0.2 0.4 0.75 1.00 波长（μm ）
图1 红外线在波谱中的位置
热辐射又称红外辐射，这是因为其辐射波长的位置与可见的红光相临并在其外。

红外辐射为英国科学家赫胥尔于1800年所发现。

物体的红外辐射波长与其自身温度有关，服从维恩定律：
C T m =λ (1)
式中：λm-----物体红外辐射的峰值波长（um ） T ------物体的绝对温度（K ） C ------常数2898。

从式（1）中可看出，物体绝对温度越高，其辐射波长越短；反之亦然。

物体的绝对温度不仅决定了物体辐射的波长，而且也确定了物体的辐射出射度（单位
面积上向外辐射的总功率），即决定温度越高，物体的辐射出射度越大（呈指数增大），二者之间的关系遵守斯蒂芬—玻尔兹曼定律：
4T W εδ= (2)
式中，W------辐射出射度（W/cm 2
） ε------辐射率
δ------斯蒂芬—玻尔兹曼常数 T------物体的绝对温度。

式（1）和式（2）为红外热像仪主要的物理基础。

热像仪在显示器上显示的热图像，直接反映的是被测物体表面上各点热分布状况。

因此，反映了被测物体表面的热分布情况。

然而由于热像仪所接受到的红外辐射与目标温度之间呈非线性关系，而且还要受到物体表面发射率，大气衰减及物体所处环境的反射等因素的影响，热图象只能给出物体表面温度情况的定性描述，如果想要根据热图像获得物体的绝对温度值，必须采用与基准物体像相比较的方式来标定绝对温度值。

热像仪接受并检测到的红外热辐射的数字量通常被称为热量，它用等温单位来表示，这是一个任选的测量单位。

热图像上某点的测量热值是由等温标尺上的标记的读数和测量者所选定的温度范围热电平（等温标尺零点所对应的热度值）决定的，热值与仪器所接收到的光子辐射之间的关系是线性的，这个关系就是所定函数。

标定函数可以以标定曲线的形式给出，用热像仪进行温度测量的基本方法就是利用标定函数把热像仪所输出的热值转化为被测物体绝对温度。

红外热像仪主要用途之一就是测量物体温度，实际上红外热像仪测量的是辐射通量辐射亮度。

探测器所测量的辐射通量通常由三部分组成，见图2。

图2 红外探测装置接受到的辐射能量
atm a t S S S S
++=0
（3）
式中 S 0 ----接收到的总辐射能量
S t ----被测物体辐射能量 S a ----环境物体反射辐射能量 S atm ----大气的辐射能量
0000
)(),(00t b T t S d R L K S τελτελλ=⋅⋅=⎰∞
式中：ε0 ----灰体辐射系数
τ0 ----大气透射率
0000
)(00)1()()()1(a a S d R E K S τελλτελ-=⋅⋅-=⎰∞
式中：S a0 ----当环境为黑体时的辐射强度
⎰⎰∞
∞
⋅⋅⋅=⋅⋅=0
)(0
)()()()()(λλελλλλd R L K d R L K S b atm atm atm atm
如果气体折射率对所有波长都一样，则：
00)1(atm atm S S ⋅-=τ
所以根据式（3）有：
00000000)1()1(atm a t S S S S ⋅-+⋅-+=τετετ （4）
红外探测装置接收热辐射能量的多少用热值表示，热值I 与接收的热辐射能量成线性关系，即：
S C I ⋅= （5）
试中：C 为比例系数 将试（5）代入试（4），得到：
000000000)1()1(atm a t I I I I τεττε-+-+=
试中：I 0
----为测得的目标表面的热值
I t0 ，I atm0 ，I a0 ----是温度分别为T t0 ，T atm0 ，T a0 时标定曲线
标定的热值。

标定曲线可以精确地用如下数学模型来描述：
1
)exp(-=
T
B A
I 试中，I 为对应与温度T 的热值，T 是绝对温度（K ），A ，B 为标定常数，取决于实际光圈，滤光片和扫描器类型。

标定时，用热像仪对着不同温度下的基准黑体热源进行测量，用最小二乘法拟合测量数据，得到一条热值与温度关系的最近拟合曲线，同时可以求出描述标定曲线的数学模型中各项标定常数的数值，得到具体的数学模型。

有关具体的使用将在下面详细介绍。

【实验装置】 1． 热像仪的构造
红外热像仪如图3所示。

其主要功能是将目标的红外辐射信号转换为电信号。

红外摄像头
由以下七部分组成：
⑴窗口：接受目标发出的红外辐射信号的入口。

⑵注液氮口：液氮从上面的圆孔经漏斗进入。

⑶聚焦旋钮：旋转此旋钮来聚焦，以得到清晰的图象。

⑷电源开关：电源接通时指示灯亮。

（
） ⑸电源插孔：接12V 的直流电源。

⑹帧电机开关：调试时使用。

⑺输出插孔：此插孔输出四个信号与微机相连。

（7） （8）可调支架
其中与微机的A/D 模块相连的四个插孔接线分别为：
①行同步信号
②场同步信号 图3红外热像仪结构图 ③接地
④输出信号端 2． 热成像系统
热成像系统主要由以下六部分组成： ⑴红外摄像仪
⑵主机: ① 586兼容机
② 操作系统可采用MS-DOS6.2
⑶显示终端:显示屏幕用于显示红外热像，同时是计算机的显示终端。

显示器的 分辩率要求：800×600×256COLORS
⑷接口板:接口板将红外热像头输出的模拟信号转换为数字信号，它是连接摄像头与微机的插件，它的输入端通过电缆线与摄像头的输出端相连接，输出端插入主机的总线扩展槽内，它占用一个标准AT 八位总线槽。

⑸接口软件:热像仪摄像系统的软件包存放在一张软盘上，运行此软盘上的文件INSTALL.BAT 可将系统软件安装在硬盘上。

⑹彩喷: 彩色喷墨打印机，用于打印热颜色图片。

综上所知，红外热成像系统的整个工作过程是：热源发出红外线，热辐射出的红外光是一种波长约0.75um-1 um 的电磁波。

这种热线传到摄像头，摄像头里有电传感器，这种传感
图4 红外热像处理系统总体结构
器对辐射过来的不同的强度的红外线采样，并通过光机扫描系统的扫描。

然后经过光电转化电路和信号放大电路输出。

输出的数字信号就是我们的显示系统可以处理的信息。

这些信息经过微机处理系统处理后最终在屏幕上显示出来，或在打印机上打印出来。

3．热颜色处理软件包
热信号通过A/D转换卡进入计算机后由计算机内的软件包对这些已转换为数字信号的热源信息进行热颜色处理。

【实验内容】
1．调试热像仪，观察热颜色
开机前先加入四勺液氮，过三分钟再开机。

再连线和调整支架。

然后开启计算机，进入软件界面，熟悉软件的各项功能。

并对人体（如手，头等）进行试探性拍摄。

拍摄过程中需调整热像仪的方向，以保证拍到清晰的热像。

2．测定电路板热分布特性
热像法检测电路板的可行性是因为不同的元器件既有不同的可视温度，一般电路板上用的最普遍的元器件有电阻，电容，电感，二极管，三极管，集成块等。

它们的温度参数与可视性能如下表1所示。

正因为各元器件既有自己独特的温度参数，所以我们通过温度这个特性可以区别不同的元器件，也可通过温度参数的变化检测该器件是否在正常工作。

拍摄给定的通电电路板，考察电路板上各元器件热分布，打印出热分布图。

研究热分布状态图的热平衡特性及对电路板上各元器件参数的影响。

【思考题】
1．热图像很模糊的原因有哪些情况？如何解决？
2．热源的温度超出软件包中在屏幕上显示的温度范围怎么办？
3．热像仪还有哪些用处？。