红外检测技术及应用

红外检测技术及应用

红外基本概念

红外线：白色的太阳光被分成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色，位于可见光红光外侧，人眼看不见的光线叫红外线。

红外线是电磁辐射频谱的一部分，电磁频谱中包括无线电波、微波、可见光、紫外线、伽马射线和X光。红外线是一种电磁波，它的电磁波谱图见下：

●按波长红外波段通常又分成四个较小的波段：近红外、中红外、远红外、极远红外。

●红外线波长通常以微米来表示。红外频谱范围从0.7微米至1000微米。

●实践中，红外温度测量使用的波段范围为0.7微米至14微米。

●红外线遵循可见光所遵循的规律：直线传播，反射、折射。

任何大于绝对零度（-273C）的物体都会向外界辐射热能。红外测温仪就是通过接受物体辐射的红外能量而计算出物体的表面温度。

●黑体：一个吸收所有碰撞它的任何波长红外辐射的物体被定义为黑体。

黑体辐射：实际上的黑体就是一个空腔，上面开有一个小孔，当空腔达到某一温度并处于热平衡时，从小孔射出的红外辐射就具有稳定的特性，称为黑体辐射。

基本热传导理论：

传导模式：

•辐射

•传导

•对流

●传导：

热量传导取决于：

•传导率（k）和厚度（L）

•温差△T（从一侧到另一侧）

•面积A

传导率值

●常见材料的k值

●数值越大，传导性越强

温差△T的变化

•△T增加，热传导也增加

•△T降低，热传导也降低

•无△T，也没有传导

●对流：

对流传导的热能取决于：

•h 值（对流系数）

•温差△T（从表面到该流量的一点）

•面积A

对流系数（h）取决于：

•流速

•流量方向

•表面状态

•几何结构

•粘度

不能简单地用数量表示

温差：

如传导情况一样

•△T增加，热传导也增加

•△T降低，热传导也降低

•没有△T，也没有传导

●辐射

一个表面的辐射热能取决于：

•σ = S-B 常数

•发射率（ε）

•温度（T）

一个热表面要比一个凉爽的表面放射更多热辐射（如果两个是同样材料的话）发射率：

•一种材料性质

•一种“效率系数”

•校正值= 0-1.0

•黑体= 1.0

•实体= <1.0.

高发射率表面

•油漆（任何颜色），绝缘带或者强氧化物质表面

•可靠的、可重复的温度测定

低发射率表面

•低辐射

•高热反射

•必须考虑到背景

•在0.6发射率以下辐射温度难以正确地测定

发射率可以根据以下而变化:

•材料

•表面

•波长

•温度

红外测温原理：

●完全理解红外技术及其原理是准确测量温度的基础。

使用非接触式红外仪器测量温度时，从待测物体发出的红外能量通过测温仪或热像仪的光学系统，被传感器转换为电信号，该信号再显示为温度读数及（或）热像。

红外热像仪：红外热像仪能把物体辐射的红外能量转变成可见图像---热像图。通过热像图的可直观地观察物体表面或近表面层的热状态。

用于红外测温的波长段在大气中传导时，会受到各种干扰。水汽、二氧化碳、臭氧等气体对红外线不可忽略可吸收，再加上大气中悬浮微粒对红外线的吸收及散射作用，就形成了红外辐射在大气中的衰减。其衰减程度如图所示。从图中可清楚地看到有三个可透射过大气的红外波段，它们分别是1---2.5um，3---5um，8---13um。这三个波段被称为红外线的“大气窗口”，红外测温系统大都是在这三个窗口内选择辐射波长的。

有几种因素决定测量精度。最重要的因素是：辐射系数、距离大小比和视场。

●辐射系数（发射率）：

辐射系数是衡量物体辐射红外能量能力的一种度量。辐射的红外能量与物体的温度呈指数比例关系。辐射系数值的范围为0（光亮镜面，全反射镜）到1.0（黑体、完全辐射体）。大多数有机、涂漆或氧化处理表面的辐射系数值接近0.95。如果需要测量实际温度值，则按待测物体制造材料的辐射系数设置。

所有物体均反射、透射和辐射能量。其中只有辐射的能量表示物体的温度。红外测温仪或热像仪测量物体表面温度时，会传感全部三种能量，因而所有测温仪均必须调节修正以只读出辐射的能量。测量误差通常由反射光源的能量造成。

某些红外测温仪和热像仪允许更改仪器的辐射系数。各种材料的辐射系数可在出版的辐射系数表中查得。

几种材质表面的发射率

铝0.3 铁0.70

石棉0.95 铅0.50

沥青0.95 石灰石0.98

玄武岩0.7 油0.94

黄铜0.5 油漆0.93

砖0.9 纸0.95

碳0.85 塑料0.95

陶瓷0.95 橡胶0.95

混凝土0.95 沙土0.90

铜0.95 皮肤0.98

油泥0.94 雪0.90

冷冻食品0.90 钢0.80

热食品0.93 织品0.94

玻璃板0.85 水0.93

冰0.98 木0.94

某些红外测温仪有固定预设的辐射系数0.95，该辐射系数适用于大多数有机材料和油漆或氧化处理的物体表面。如果使用有固定辐射系数的测温仪或热像仪测量物体的表面温度，可用遮盖胶带或哑光黑漆将待测表面盖住予以补偿。等待胶带或油漆达到与待测材料温度相同，