红外成像技术在工程中的应用

红外无损检测技术在工程中的应用

符郁林

（温州大学物理与电子信息工程学院,浙江温州325035）

摘要：无损检测已经成为工程质量检测中的主流。其中红外检测能在不同温度场、广视域的进行快速非接触式的连续扫描测试，成为已有的无损检测技术功能和效果的补充。尤其是在高层建筑的外装饰物以及建筑节能检测中应用广泛，但仍然存在着很多不足需要进一步改进。

关键字：红外无损检测；红外成像仪；工程应用；改进

The application of infrared Non-destructive Testing in engineering

Fuyulin

( College of physics and electronic information engineering of Wenzhou University,Wenzhou Zhejiang

325035)

Abstract: Non-destructive Testing (NDT) has been widely applied to engineering testing. Infrared Non-destructive Testing (INT) can be used in rapid test continuous Scan Test in every kind of temperature field, it has already been the supplement in the functions and effects of other NDT technology. It is especially popular in the quality testing of high-rise building's outside ornaments and building energy efficiency testing. However there are still several inadequates in the INT technology needed for researchers to further improve.

Key words: Infrared Non-destructive Testing; Infrared imager; application in engineering; improvement

背景与意义

目前，红外热成像无损检测技术是一门新兴的科学.由于它具有无损、非接触、快速实时、远距离等优点，所以发展非常迅速.尤其是在高速运动、高温、高电压等场合下，该技术更具有常规无损检测技术所无法相比的优点.目前该技术己在石油化工、电力工业、机械制造、航天航空及冶金等领域中获得广泛应用.在工程诊断以及质量验收时采用的手段大部分为无损检测技术，比较常见的检测手段有红外成像法、超声波法、砼强度检测的回弹法和超声回弹综合检测法、冲击回波法等等。所谓无损检测就是在不破坏工程原有结构的条件下，在工程结构构件原位上对工程结构构件进行直接定量检测的技术。红外成像无损检测技术是根据被测对象能够连续发射红外线的物理现象，在检测时无接触、破坏被测物，已成为国内外无损检测技术的重要组成部分。其中红外成像检测法在建筑外装饰物的检测以及建筑节能检测中应用较为广泛。

1 红外检测技术

1.1红外热成像技术的发展

从1800年，英国物理学家赫胥尔发现了红外线后，开辟了人类应用红外技术的广阔道路。在第二次世界大战中，德国人用红外变像管，研制出了主动式夜视仪和红外通信设备，为红外技术的发展奠定了基础。

二次世界大战后，首先由美国德克萨斯仪器公司（TI）在1964年首次开发研制成功第一代用于军事领域的红外成像装置，称之为红外寻视系统（FLIR）。它是利用光学机械系统对被测目标的红外辐射扫描，由光子探测器接收两维红外辐射，经光电转换及处理，最后形成热图像视频信号，并在荧屏上显示。

六十年代中期，瑞典AGA公司和瑞典国家电力局，在红外寻视装置的基础上，开发了具有温度测量功能的热红外成像装置。这种第二代红外成像装置，通常称为热像仪。

七十年代，法国汤姆荪公司又研制出，不需致冷的红外热电视产品。

1986年，瑞典研制出工业用的实时成像系统，它无须液氮或高压气，而以热电方式致冷，可用电池供电;1988年又推出全功能热像仪，它将温度的测量、修改、分析、图像采集、存储合于一体，重量小于7kg，使仪器的功能、精度和可靠性都得到了显著的提高。

九十年代中期，美国FSI公司首先研制成功由军用转民用并商品化的新一代红外热像仪，它是属焦平面阵列式结构的一种凝视成像装置，技术功能更加先进，现场测温时只需对准目标摄取图像，并存储到机内的PC卡上。各种参数的设定，可回到室内用软件进行修改

和分析，最后直接得出检测报告。由于取代了复杂的机械扫描，仪器重量已小于2kg，如同手持摄像机一样，单手即可操作使用。

随着红外焦平面阵列技术的迅速发展，美、英、法、德、日、加拿大、以色列等西方发达国家都在竞相研制和生产先进的红外焦平面阵列摄像仪，其中美国在红外焦平面阵列传感器的发展水平方面处于遥遥领先地位，其焦平面阵列规模已大达2048×2048元，已接近于可见光硅CCD摄像阵列的水平。日本在世界上最先实现了100万像元集成度的单片式红外焦平面阵列，在品种方面，从HgCdTe、InSb、GaAlAs/GaAs量子阱和PtSi到非致冷红外焦平面阵列等种类产品推向市场，抢占商机; 法国、荷兰、瑞典、英国、德国和意大利等在非致冷红外热摄像仪技术的发展方面，已显出其处于前沿的竞争地位，如AGEMA公司的热视570，AGEMA520和德国STNATLAS电子公司驾驶员视觉增强系统，都具有很高的水平和市场竞争实力。此外，加拿大、以色列、韩国、澳大利亚、波兰、新加坡的一些公司和机构都在尽力发展先进红外焦平面阵列热摄像仪技术，竞争已遍及全球几大洲。

七十年代，中国有关单位已经开始对红外热成像技术进行研究。八十年代末，中国已经研制成功了实时红外成像样机，其灵敏度、温度分辨率都达到很高的水平。进入九十年代，中国在红外成像设备上使用低噪声宽频带前置放大器，微型致冷器等关键技术方面有了发展，并且从实验走向应用。如用于部队的便携式野战热像仪，反坦克飞弹、防空雷达以及坦克、军舰火炮等。

近几年来，中国的红外成像技术得到突飞猛进的发展，与西方的差距正在逐步缩小，有些设备的先进性也可同西方同步。如目前己能生产面积小于30μm2的1000×1000像素的探测器阵列，由于采用了基于锑化銦的新器件，目前己达到了分辨率小干0.01℃的温差，使对目标的识别达到更高的水平。

红外热成像仪，可以分为致冷型和非致冷型两大类。红外电视产品和非致冷焦平面热成像仪是非致冷型产品，其他为致冷型红外热成像仪。

前一代的热像仪主要由带有扫描装置的光学仪器和电子放大线路、显示器等部件组成，已经成功装备部队，并己用于夜间的地面观察、空中侦查、水面保险等方面。

目前，新的热成像仪主要采用非致冷焦平面阵列技术，集成数万个乃至数十万个信号放大器，将芯片置于光学系统的焦平面上，无须光机扫描系统而取得目标的全景图像，从而大大提高了灵敏度和热分辨率，并进一步地提高目标的探测距离和识别能力。