红外检测技术

红外探测技术

红外检测技术基本原理

红外技术的原理是基于自然界中一切温度高于绝对零度的物体，每时每刻都辐射出红外线，同时，这种红外线辐射都载有物体的特征信息，这就为利用红外技术探测和判别各种被测目标的温度高低与热分布场提供了客观的基础。

红外线是波长在0.76～1000μm 之间的一种电磁波，按波长范围可分为近红外、中红外、远红外、极远红外四类，它在磁波连续频谱中的位置是处于无线电波与可见光之间的区域。

红外线辐射在真空中的传播速度

C ＝299792458m/s

10103⨯≈cm/s

红外辐射的波长

ω

λc

=

式中：C:速度 λ：波长 ω：频率

红外线辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它是基于任何物体在常规环境下都

会产生自身的分子和原子无规则的运动，并不停的辐射出热红外能量，分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量愈小。

温度在绝对零度以上的物体，都会因自身的分子运动而辐射出红外线。其中黑体频谱辐射能流密度对红外辐射波长的关系，根据普郎克定律：

e

C

p T

T

c λλλ2

15

1⨯= （瓦·厘米2

-·微米

1

-）

式中：

p T

λ

—波长λ，热力学温度为T 时，黑体的红外辐射功率。

C

1

—光速度（10103⨯cm/s ）

C 2

—第一辐射常数=4

107415.3⨯（瓦厘米2

-微米2

）

λ—波长（微米），T 热力学温度（K ）温度辐射的能量密

度峰值对应的波长，随物体温度的升高波长变短。

根据维思定律：T

=2898λ（μm ）

式中：

λ—峰值波长，单位：μm

T —物体的绝对温度单位K

物体的红外辐射功率与物体表面绝对温度的四次方成正比，与物体表面的发射率成正比。物体红外辐射的总功率对温度的关系，根据斯蒂芬—波尔兹曼定律：

P=4T

ε（W/2m）

R⋅

式中：

T—物体的绝对温度

P—物体红外辐射功率（辐射能量）

ε—物长表面红外发射率（辐射系数）

R—斯蒂芬—波尔兹曼常数（23

.1-

⨯J/K）

380662

10物体表面绝对温度的变化，使的物体发热功率的变化更快。物体产生的热量在红外辐射的同时，还形成物体周围一定的表面温度分布场这种温度分布场取决于物体材料的热物性，物体内部的热扩散和物体表面温度与外界温度的热交换。

通过红外探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号后，成像装置的输出信号就可以完全一一对应地模拟扫描物体表面温度的空间分布，经电子系统处理，传至显示屏上，得到与物体表面热分布相应的热像图。

红外线辐射的特点，除了具有电磁波的本质特性外，还同时具有两个重要的特性。

其一，物体表面红外线辐射的峰值波长与物体表面分布的温度有关，峰值波长与温度成反比。温度越高，辐射的波长越短；温度越低，辐射的波长越长。

与红外线辐射峰值波长对应的温度见表。

表1—1与红外线辐射峰值波长对应的温度

类别峰值波长范围μm 温度℃

近红外0.76～1.5 3540～165

中红外 1.5～15 1658～-80

远红外15～750 -80～-269

极远红外750～1000 -269～-270

因此，物体红外辐射的能量大小及波长分布与表面温度有十分密切的关系。

根据红外线辐射的这一特性，通过对被测物体红外辐射的探测，便能实现对目标进行远距离热状态图像成像和测温并进行分析判断。

其二，红外辐射电磁波在大气中传播要受到大气的吸收而使辐射的能量被衰减，但空间的大气、烟云对红外辐射的吸收程度与红外线辐射的波长有关，特别对波长范围在（2～2.5μm）, （3～5μm）及（8～14μm）的三个区域相对吸收很弱,红外线穿透能力较强,透明度较高,这三个区域被称之为“大气窗口”, “大气窗口”以外的红外辐射在传播过程中由于大气、烟云中存在的二氧化碳、臭氧和水蒸气等物质的分子具有强烈吸收作用而被迅速衰减，利用红外辐射中“大气窗口”的特性，使红外辐射具备了夜视功能，并能实现全天候对目标的搜索和观察。

2红外检测设备种类及其特性比

红外辐射的探测是将被测物体的辐射能转换为可测量的形式，对被测物体的热效应进行热电转换来测量物体红外辐射的强弱，或利用红外辐射的光电效应产生的电性质的变化来测量物体红外辐射的强弱，由于电量的测量最方便、最精确，因此一般红外辐射的探测总是把红外辐射量转换成电量进行测量，而红外辐射的探测是通过红外探测器来实现的。红外探测器种类繁多，根据不同的功能已覆盖整个红外波段，按其性质可分为两大类：其一是依据物体辐射特性进行测量和控制，其二是依据材料的红外光学特性进行分析和控制。目前，我国电力行业所使用的红外探测器可分为红外测温仪、红外热电视、红外热像仪三种，以下是三种红外设备的基本工作原理及其性能比：

3.1红外测温仪的基本工作原理

红外测温仪的基本原理是将目标的红外辐射能量经仪器透镜会聚，并通过红外滤光片进入探

测器，探测器将辐射能转换成电能信号，经放大器放大电子电路处理，由液晶显示器显示出被测物体的表面温度。

3.2红外热电视的基本工作原理

红外热电视是通过热释电摄像管（PEV）接收被测目标物体的表面红外辐射，并把目标内热辐射分布的不可见热图像转变成视频信号,最后经信号放大,处理由屏幕显示出目标热图像。

3.3红外热像仪的基本工作原理

红外热像仪是利用光学系统收集被测目标的红外辐射能，经光谱滤波、空间滤波、使聚焦的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元上，利用光学系统与红外探测器之间的光机扫描机构对被测物体红外进行扫描，由探测器将红外辐射能转换成电信号、经放大处理转换成标准视频信号通过电视屏显示红外热像。

3.4三种红外检测设备的特性比

我国目前所使用的红外检测设备性能比较见表。

表3-1红外诊断设备的种类与特性

机型主要技术特点

红外热像仪光机扫描式

可稳定成像，具有彩色、定格、图像分析功能，测温准确。

图像质量，温度分辨力、空间分辨力、帧频良好。

适合外部、内部故障诊断。

焦平面式

可稳定成像，测温准确。

图像质量，温度分辨力、空间分辨力、帧频性能好，功能十分强大。

适合外部、内部故障诊断。

红外热电视平移式

工作时必须不停摇动摄像机。

平移有严重拖尾信号失真。

图像质量较差、测温误差较大，无彩色、定格、图像分析功能。

适合查找接头过热，但不适合内部故障诊断。

瞬变式

平移时仍有拖尾，但瞬变工作时无拖尾。

图像质量略有改善，本机有彩色、定格、图像分析功能。

适合查找接头过热，也可用于简单的内部故障诊断。

折波式

工作时无须摇动摄像机即可稳定成像。

完全无拖尾，图像质量好、测温准确。

有较强图像分析功能及彩色、定格、图像存储功能。

适合外部、内部故障诊断。

红外测温仪

激光瞄准式

不能成像、只能测温、功能简单。

只能用于接头过热故障的监视和初略查找。光学望远瞄准式

不能成像、只能测温、功能简单。

只能用于接头过热故障的监视和初略查找。

3红外检测技术故障诊断方法

4.1表面温度判断法

在对设备表面温度进行判断时,可将所测表面温度值,对照《交流高压电器在长期工作时的发热》(GB763-90) 3.2条的有关规定，凡是温度（或温升）超过标准的可根据设备温度超标的程度、设备负荷率的大小、设备的重要性及设备承受机械应力的大小来确定设备的缺陷性质，尤其是对在小负荷率下温度超标或设备承受机械应力较大的设备应当严格对待。