红外知识培训

7度镜头
不同镜头检测效果示意热图（60米）
12度镜头
7度镜头
五、影响测量结果的几组参数
1.热像仪参数设置对测量结果的影响：
——辐射率： 当被测物体温度高于环境温度时，辐射率设置约高，测 量结果约低。 当被测物体温度低于环境温度时，辐射率设置约高，测 量结果约高。 ——环境温度：设置值越高，测量结果越低； ——大气温度：设置值越高，测量结果越低； ——相对湿度：设置值越高，测量结果越高； ——距离参数：设置值越高，测量结果越高；
反射辐射 W
实际物体的辐射由两部 分组成：自身辐射和反 射环境
ε
物体发出的 辐 射
Wex
自身辐射Wε
光滑表面的反射率较高，容易受环境影响（反光）。 粗躁表面的辐射率较高
• 不同的材料、不同的温度、不同的表面光度、 不同的 颜色等，所发出的红外辐射强度都不同 （辐射率不同）。 • 在检测过程中，由于辐射率对测温影响很大 ， 因此必须选择正确的辐射系数。 • 电力设备发射率一般在0.85-0.95之间。
0 1 3 5
远红外
波长 吸收分子
8
14 15
一般红外线热像仪使用的波段为: 短波 (3µm -- 5µm); 长波 ( 8µm --14µm)
二、 物体的红外辐射
物体接收的入射辐射 物体发出的红外辐射 辐射率和吸收率 黑体 实际物体的红外辐射
物体接收的入射辐射
• • • •
辐射—物体向外发出自身能量 吸收—物体获得并保存来自外界的辐射 反射—物体弹回来自外界的辐射 透射—来自外界的辐射经过物体穿透出去
红外线的发现 -- 1800年 William Herschel
1800年英国的天文学家Mr.William Herschel 用分光棱镜将太阳 光分解成从红色到紫色的单色光，依次测量不同颜色光的热效应。 他发现，当水银温度计移到红色光边界以外，人眼看不见任何光线 的黑暗区的时候，温度反而比红光区更高。反复试验证明，在红光 外侧，确实存在一种人眼看不见的“热线”，后来称为“红外线”， 也就是“红外辐射”。
红外线的分类
根据红外线的波长分为： 近红外线 -- 0.75µm ~ 3µm； 中红外线 -- 3µm ~ 6µm；(中波) 远红外线 -- 6µm ~ 15µm；(长波) 极远红外线 -- 15µm ~ 1000µm
红外辐射的大气穿透
红外线在大气中穿透比较好的波段，通常称为 “大气窗口” 。红外热成像检测技术，就是利用了所谓的“大气窗口”。 短波窗口在1-5μm之间，而长波窗口则是在8-14μm之间 近红外 中红外 透 射 率
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红外热成像测量技术
辐射知识 红外理论 仪器操作
红外热成像 测量技术
其他综合 知识
热图像 拍摄技术
热图像 分析技术
一. 什么是红外线
红外线的发现
电磁波谱 红外线的分类 红外辐射的大气穿透
红外线的发现 -- 1800年 William Herschel
在实际测量中,好的热像仪中通常以十字光标之 间的空白处来指示3x3个像素的大小，有助于使 用者来判断是否能测到正确温度。
能正确测量
不能正确测量
根据当前的FPA探测器技术，目标在探测器上最少 要有 3 x 3 个像素才能确保能够准确测量，这要 求检测时尽量靠近目标或选用望远镜头 . 如果目 标成像小于3x3个像素，则热像仪显示的温度读数 是目标的温度值与也成像在这 3x3个像素的目标周 围物体（环境）的平均值。
史蒂芬-波兹曼定律
W=εó T4
T ε
物体温度越高，红外辐射越强，反之，物体温度
越低，辐射越低；辐射率也一样，即使物体温度一样， 高辐射率物体的辐射要比低辐射率物体的辐射要多。所 以物体的温度及表面辐射率决定着物体的辐射能力。
物体的辐射能力表述为辐射率(Emissivity简写为)
是描述物体辐射本领的参数。
空间分辨率和镜头的视场角有关，和探测器像元数有关
空间分辨率及目标尺寸
视 场 角
竖 直 视 场 角
水平视场角
F O V
视场和空间分辨率
FOV
IFOV
Object
IFOV
左边被探测目标完全覆盖了热像仪的 IFOV，因此， 像素接受的辐射只来自目标。我们能准确测量它的 温度。然而，右边的像素不只看到目标，而且吸收 目标旁边的和背后的辐射。我们不可能测得这么小 目标的正确温度。
三、红外热成像技术
红外热像技术是研究红外辐射的产生、传 输、转换、探测并付诸于应用的科学技术 就像照相技术意味着“可见光写入”一样， 热成像技术意味着“热量写入”。 热成像技术生成的图片被称作“温度记录图” 或“热图”。
目 标
空 气
热像仪
热 图
红外热像图和可见光图比较
红 外 热 图
可 见 光 图
校准曲线
S6
SBB
S5 S4 S3 S2 S1
TBB
T1
T2
T3
T4 T5 T6
热像仪依次对准各黑体，每个黑体都会在热像仪中产生一个 辐射信号，标定系统将此信号与其温度对应起来 将每对信号与温度对应起来，并将各点拟合成一条曲线，这 就是标定曲线，此曲线将被存在热像仪的内存里，用来对应 物体辐射与温度的关系，所以如果热像仪的探测器接收到物 体的辐射信号，此标定曲线将会把信号转换成对应的温度
CMOS输入单元
焦平面阵
控制在室温附近的 热电稳定器
四、热像仪重要的技术指标：
温度分辨率-热灵敏度 (NETD)
－热灵敏度是指红外热像仪的温度探测灵敏 度(NETD)。 简单讲就是仪器可分 辨两点之间的温度差 别的能力 （例如：0.08 ℃）
LI01
27.8℃
27
26
25 25.0℃

测温精度
物体表面温度与辐射率
从红外热图中看到的物体表面温度与辐射率 有着密切的关系，我们要学习识别和分析红外 图像因辐射率的不同而产生的不同现象，不要 产生错觉
胶带ε=0.95 杯子ε=0.10 环境温度T=25℃
(1)杯中不倒水 (2)杯中倒入20℃的凉水 (3)杯中倒入60℃热水
25℃
20℃
60℃
高辐射率物体的红外图像表面温度接近它的真实温度, 低辐射率物体的红外图像表面温度接近环境温度
目 标 反 射 的 环 境 辐 射
Wtot = WObj + (1 - )WAmb + (1 - )WAtm
是目标的辐射系数, 是大气透射系数,Tamb 是目标的环境温度或反射的环境温度,Tatm 是大气温度。
茶壶中装满热水，茶壶右边玻璃的表面辐射率比左边不 锈钢的高，尽管两部分的温度相同，但右边的辐射要比 左边的高，这也意味着物体右边的热辐射效率要比左边 的高，如果用红外热像仪观看，右边看上去要比左边热
辐射率和吸收率
一般来说，物体接收外界辐射的能力与物体 辐射自身能量的能力相等， 亦即а=ε 也就是说，如果一个物体吸收辐射的能力 强，那么它辐射自身能量的能力就强，反之亦 然。所以一个不透明的差的吸收体是一个好的 反射体，一个好的反射体同时也是一个差的辐 射体。例如我们在物体表面覆上一层铝箔来保 温，就是这个道理
－仪器测量温度的精确性（例如:±２度）
成像速度 50祯/秒（50 Hz)
30Hz
50Hz
空间分辨率(IFOV =Instantaneous Field of View)
是红外测温仪器分辨空间尺寸能力的技术参数（仪 器可分辨物体大小的能力）。以毫弧度表示。
H
V 24 ° 18 °
空间分辨率 = 丌/180 x 镜头度数 ÷ 像素数 P30: 3.14 /180 x 24˚ ÷ 320 = 1.3 mrd
红外线就在我们身边！
任何温度高于绝对零度（-273.16K）的物体都会
发出红外线。比如冰块也会辐射红外线。 不论是白天还是夜晚红外辐射都在我们的身边。
电磁辐射频谱图
红 外
通常把波长大于红色光线波长0.75µ m ，小于1000µ m的 这一段电磁波称作“红外线” ，也常称作“红外辐 射”
入射辐射 Win
吸收辐射
W
透射辐射 W
反射辐射 W
Wа百度文库Wρ+Wτ= Win=100% а+ρ+τ=1
物体发出的红外辐射
反射辐射源 透射辐射源
T
TT 反射辐射 W 透射辐射W 物体发出的辐 射Wex
ε
自身辐射Wε
Wε+Wρ+Wτ= Wex=100% ε+ρ+τ=1
物体自身的红外辐射是各个方向的，辐射量取决于物 体自身的温度以及它的表面辐射率，
黑体
黑体是一个理想的辐射体，真正的黑体 并不存在 黑体100%吸收所有的入射辐射，也就是 说它既不反射也不穿透任何辐射，即
а=1
黑体100%辐射自身的能量 ε=1
实际物体的红外辐射
实际测量的物体并不是黑体，但它具有我们上面所说物 体的所有特性，即具有吸收、辐射、反射、穿透红外辐 射的能力。 但对大多数物体来说，对红外辐射不透明，即 • τ=0 反射辐射源 • 所以对于实际测量来说 TT • ε+ρ=1 T
总体来说，以上各参数的设置均对结果有影响， 但影响力不同，影响程度依次降低。其中辐射率 影响最为明显，其余均在1℃以内。
2.外部环境对测量结果的影响：
——负荷的影响： 对于电流致热型设备来说，根据其公式 P = I² * R 故：满负荷温升T满=（I满/I当前）2*T当前 但通过实验发现，公式中的系数“2”可能不准确，应为 “1.5—1.8”。从而得出如下经验公式： 满负荷最小温升T满=（I满/I当前）1.5*T当前 满负荷最大温升T满=（I满/I当前）1.8*T当前
红外热像仪的原理
红外热像仪的原理图
二维焦平面列阵探测器 (FPA)
光学系统
显示器
信号处理器
将不可见的红外辐射转换成可见的图像
光学系统: 接收目标物体发出的红外线并聚 焦到红外探测器上； 红外探测器：感应透过光学系统的红外线， 并把信号发送给信号处理器。 信号处理器：将来自于红外探测器的信号 转化成红外热图像； 显示器： 显示红外热图像。
六、红外热像仪的标定
前面曾提到过史蒂芬-波兹曼定律，它给出了 黑体的辐射能量与其温度的关系，即 W = óT4 式中ó=5.67×10-8w/m² .k4, T为绝对温度,单位为K 红外热像仪的标定正是基于这一理论基础, 在设定的环境条件下,用一定数量已知温度的 黑体进行标定
黑体标定系统
多个黑体放置成半圆形，热像仪放在中心能转动的 台子上，并与标定系统的自动控制中心相连
——太阳照射的影响： 1）由于太阳的加热作用，产生附加温升，将对电压致热 型等小温升设备的检测带来困难； 2）由于太阳辐射在短波段（3.6μm以下）很强，应尽量 避免使用短波热像仪，通常使用的长波热像仪无影响。
——风速的影响： 风对物体的散热有影响，风力越大，对设备的冷却效果 约显著。《导则》上指明应尽量在风速小于0.5m/s时进 行测量。定量检测时，可按以下公式进行修正： 1）风速小于1.5m/s时：T0 = Tv*exp（v/W） 其中： T0 ——无风时的温升； TV ——风速为V时的温升； V ——风速，m/s； W ——衰减系数，迎风为1.3，背风为0.9. 2）风速大于1.5m/s时： T01 = T02*（V2/V1）0.448 其中： T01 ——风速为V1时的温升； T02 ——风速为V2时的温升；
对热像仪进行简单的标定校验，通常需要多点校验， 最起码两个校准点。
1）使用黑体
2）其它方法（使用已知辐射率的物体作为参照体）
环境因素影响的补偿
目 标 物 体 大 气
Wobj
红 外 成 像 仪
(1-)WRefl
· (1-)WRefl
(1-)WRefl TRefl WRefl
Tobj
通过热像仪不仅能够让我们看到热的变化， 而且能够量化这些变化
红外探测器
红外探测器由过去的单元探测器发展成现在的焦平面探 测器（FPA）。现在工业上普遍使用320x240或160x120像 素的探测器。探测器每个单元每秒钟可以积分50次，即 可将接受的信号以50HZ的速率输出
红外辐射 微桥
探测器
FPA 单元
焦平面阵
像素
目标点
“有效”的检测距离？
- 与仪器空间分辨率、检测目标大 小、目标温度等因素有关。 - 例如: 1.3毫弧度(mrad) 代表仪器 在10米远可分辨出26mm的目标。
不同镜头检测效果示意热图
24度镜头
12度镜头 检测距离 -- 60米 7度镜头
不同镜头检测效果示意热图
12度镜头 检测距离 -- 60米