第七章 红外检测方法

红外制导 50年代中期，美、英、法等国相继研制成 功“响尾蛇”、“火光”和“马特拉”等第一代红外制导 的空空战术导弹。 导弹 的红外导引头采用非致冷硫化铅 探测器，工作波段1～3微米。它只能对敌机作尾追攻击， 易受阳光干扰。随着红外技术的发展，红外制导系统日益 完善。60年代以后，在三个大气窗口都相继有了可供实用 的红外系统，攻击方式从尾追发展到全向攻击，制导方式 也有了全红外制导(点源制导和成像制导)和复合制导（红 外/电视、红外/无线电指令、 红外/雷达）。 红外点源制导系统已广泛应用于空空、地空、岸舰和 舰舰导弹等数十种战术导弹上。到90年代初，点源制导系 统仍将是上述战术导弹的主要制导方式之一。 红外成像制导系统的研制工作始于70年代中期，它比 红外点源制导系统提供的信息丰富，具有更强的识别能力 和更高的制导精度。80年代初，已在“小牛” 空地导弹 上使用。随着焦面阵列器件的研制成功，红外成像制导系 统将进一步提高识别能力，并使导弹具有自主攻击能力。
2）.反应速度快
辐射是次光速传播的，红外测温取决于 测温仪表的响应时间，一般比依靠热平衡 原理测温的仪器响应时间短两个数量级以 上，可用于实时显示 。
3）.灵敏度高
只要目标有微小的温度差就能分辨出来，一般红外测温仪都具有0.1℃ 的温度分辨率和毫米级的空间分辨率。
4）.测温范围广
根据不同要求，可以选择不同类型的仪器来实现负几十度到上千 度的温度测量。
5. 检查焊接质量
下图：ZTZ-99式坦克
上图：88式狙击步枪
1.火车轴箱温度检测
安放在车站外两侧，当 火车通过时，探测器逐个测 出各个车轴箱的温度，并把 探测器输出的每一脉冲(轴箱 温度的函数)输送到站内检测 室，根据脉冲高低就可判断 轴箱发热情况及热轴位置， 以便采取措施。目前，全国 铁路90%的列检所安装了轴温 红外探测仪，其准确率高达 99%。
当锻件加热到 900º C 时，红外探测器便输出电信号，启动 电动机将锻件从加热炉中由传送带送到锻锤之下进行锻压 加工。这样利用红外探测器就可以对整个工作过程实现生 产自动化。
3.航空发动机壳体红外无损缺陷主动探查 4.化工塔罐的检测
下图为氧化铝熟料窑筒局部热像图
通过对炉窑筒体测温,可发现筒体内衬损坏脱落程度。 图中发亮部位为窑内衬局部变薄。
夜视技术能让战场亮如“白昼”
北京特警手持安装ЛH—15K微光夜视瞄准镜 的85式狙击步枪训练的英姿。
全天候92式手枪及配套装置，下挂红外光点夜视投射瞄准器 的国产9毫米92式手枪和与之配套使用的微光夜视眼镜。
美国1944年研制的安装了“主动红外夜视瞄 准 镜”的7.62毫米M3夜视狙击卡宾枪。
手持安装了主动红外夜视瞄准镜的7.62毫米×51毫米M14 自动步枪瞄准的美军士兵。该枪是1957年装备美军的。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
5、红外测温仪的使用方法

必须处于“热稳定状态”；
防尘、防潮、防震、防过热； 防止环境介质的影响；



注意消除环境辐射的影响；
正确进行比辐射率修正。

二、红外热像仪
红外热像仪是利用红外成像技术，将被测物体的热图象显示到视 频显示器屏幕上的装置。 这种装置自问世以来，随着计算机的出现，得到迅猛的发展。现 在红外热像仪种类较多，其中应用较多的是光机扫描热像仪。
2．斯忒藩—波尔兹曼（Stefan-Boltzmann）定律 物体温度越高，向外辐射的能量越多。在单位时间内，物 体单位面积辐射的总能量ER为 ER =T4 式中：T—物体的绝对温度（K）； —Stefan-Boltzmann常数，=5.6710-8W/(m2K4)； —比辐射率，黑体的=1，一般物体的1。 3．维恩（Wien）位移定律 红外辐射的电磁波中包含各种波长，其辐射能谱峰值波 长m与物体自身的温度T成反比，即 m=2898/T (m) 由上式可见，随着温度T的升高，其能谱峰值波长m向短 波方向移动。
很小的面积上，使入射红外线照射在工作端上，参考端则处 于掩蔽场所，可以获得一定的热电势。对波长无选择性，响 应频率范围宽；时间常数大，不能测快速变化的红外辐射。 利用薄膜技术制作微型热电偶；适当选择窗口材料，便可 得到所需的光谱范围。
3．高莱气动型探测器
利用气体吸收红外线后温度升高、体积增大的特性，来反 映红外辐射的强弱。其结构原理如图所示。灵敏度高，性能稳 定；但响应时间长，结构复杂。
2、红外测温仪的组成
反射镜
瞄准装置
信号处理 探测器 目标 物镜 主镜 滤光片 信号 输出 显示
测试系统
图7-1红外测温仪的组成
滤光片 滤光片可以改变入射的红外辐射通量及光谱成 分，以消除或减少散射辐射或背景辐射的影响，并 分出具有特定波长范围的红外辐射。
红外探测器
是红外检测系统中最关键、最重要的部分，它 把所接收的红外辐射变换成易于测量的电量。
可见光 宇宙射线 γ 射线 X 射线 紫外线 红外线 无线电波
可见光 0.4 0.8
近红外线 3
中红外线 6
远红外线 15
超远红外线 1000 波长μ m
通常将红外线分为四部分： 近红外: 波长0.76～3μm;
中红外:
远红外:
波长3～6μm;
波长6～15μm;
超远红外:波长15～1000μm。
二、红外线与温度的关系
气动红外探测器机构
4．热释电型探测器
热释电效应：若使某些强电介质的表面温度发 生变化，在这些物质表面上就会产生电荷的变化， 这种现象称为热释电效应。 热释电传感器： 红外辐射 热（温度） 电荷
热释电红外传感器结构如图所示 。
热释电红外传感器 （a）外形；（b）内部结构；（c）电路
热释电红外光敏元件材料，主要是压电陶瓷和陶瓷氧化 物，如LiTaO3，锆钛酸铅 (PZT) 等。 热释电红外光敏元件只能测动态信号，不能测静态信 号，入射光必须调制成脉冲光进行检测。 热释电红外光敏元件内阻极高（可达1013），输出电 压极其微弱，则须进行阻抗变换和信号放大才能应用。 热释电红外光敏元件光谱响应范围宽（0.2~20m），采 用不同材料的滤光片作为窗口，使其光谱响应范围宽变 窄，以适应不同的用途。如人体（36℃）红外辐射峰值波 长m=9.4m，则人体热释电红外传感器的滤光片选取 7.5~14m波段为好。
本次课主要了解的问题
红外线的认识 红外测温仪 红外监测技术的应用
第七章 红外监测方法
7.1 红外线的认识
一、红外线
在太阳光谱中，位于红光光谱之外的区域里存 在着一种看不见的、具有强烈热效应的辐射波，称 为红外线。
一般可见光的波长为0.4～0.76μm，红外线 的波长范围相当宽，达0.76～1000μm。
热轴探测仪
2.锻造车间测量加热炉内锻件温度
在锻造厂里，工件在锻造之前需要在加热炉内加温 到900º C，其误差不得超过±5º C，否则会影响锻件 的质量，所以控制锻件的温度是一关键问题。以往 的办法是由工人目测温度，看到差不多了，把烧红 的锻件取出放锻锤之下进行锻压。而现在采用红外 辐射测温计，通过加热炉口可以直接对准工件的表 面，可以测量出工件的温度。
1.光电导探测器（简称PC器件） 利用光电导效应制成的探测器，称为光电导探测器，如图 所示。光敏材料主要有：PbS，PbSe，InSb，HgCdTe等。
红外光电转换电路及信号波形 M-调制盘；R-光电导电阻；RL-负载电阻
2．光生伏特探测器（简称PU器件） 利用光生伏特效应制成的探测器，称为光生伏特探测 器，光敏材料主要有：InAs，InSb，HgCdTe等。 3．光磁电探测器（简称PEM器件） 光磁电效应：当红外线照射到某些半导体材料的表面上 时，材料表面的电子和空穴向内部扩散，在扩散过程中若 受到强磁场的作用，电子和空穴则各偏向一边，因而产生 开路电压，这种现象称为光磁电效应。 利用光磁电效应制成的红外探测器称为光磁电探测器。 特点：毋须致冷；响应波段达7m；时间常数小，响应 快；不用加偏压；内阻极低；噪声小；稳定、可靠；灵敏 度低。
1）、热辐射
2）、温度与热辐射 3）、温度与辐射波长
4）、红外辐射与温度的确定关系
下图是黑体的发射本领按波长和温度的分布曲线。一 般物体热辐射特性与此相似。
黑体发射本领按波长和温度的分布
1．基尔霍夫（Kirechhoff）定律 物体在一定温度下，与外界处于热平衡时，单位时间内 从单位面积发射出的辐射能（即发射本领）ER为 ER =E0 式中：—物体的吸收系数； E0—常数，绝对黑体在相同条件下的发射本领。
热释电摄象管结构示意图
1-热成象镜头 2-热释电效应靶 3-聚焦和扫描线圈 4-电子束 5-阴极
7. 4
红外诊断的应用
红外监测技术最早是在军事应用中发展起来的
二战期间德国使用的夜战之豹
红外成像的特点
1．大气、烟云等吸收可见光和近红外线，但是对3～5微 米和8～14微米的热红外线却是透明的。因此，这两个波段被 称为热红外线的“大气窗口” 。利用这两个窗口，可以使人 们在完全无光的夜晚，或是在烟云密布的战场，清晰地观察 到前方的情况。正是由于这个特点，热红外成像技术军事上 提供了先进的夜视装备并为飞机、舰艇和坦克装上了全天候 前视系统。这些系统在海湾战争中发挥了非常重要的作用。 2．物体的热辐射能量的大小，直接和物体表面的温度相 关。热辐射的这个特点使人们可以利用它来对物体进行无接 触温度测量和热状态分析，从而为工业生产，节约能源，保 护环境等等方面提供了一个重要的检测手段和诊断工具 。
二、光子探测器
光子探测器就是利用某些半导体材料在入射光照射下， 产生光子效应，使材料电学性质发生变化，通过测量其电 学性质的变化，达到测量红外辐射强弱的目的。 特点：灵敏度高；响应快；探测波段窄；需在低温下工 作。 分类： 外光电探测器（PE器件），利用外光电效应的光电管 和光电倍增管； 内光电探测器，光电导探测器（PC器件），光生伏特 探测器（PU器件），光磁电探测器（PEM器件）。
三、红外线辐射在大气中的传输
1、CO2对红外线的吸收带：2.7μm、4.3μm、11.4μm 2、H2O对红外线的吸收带：1.87μm、2.7μm、6.7μm 3、CO对红外线的吸收带：4.6μm
这些气体组成的吸收屏障会使红外辐射大大衰减
所以红外辐射仪器避开这几个吸收带，选 择以下三个波段：
1μm~2.5μm 3μm~5μm 8μm~13μm 近红外:波长0.76μm ～3μm; 中红外:波长3μm ～6μm; 远红外:波长6μm ～15μm;
7.3
红外测温仪器
红外测温的仪器很多，就其主要工作原理可分 为三种： 红外测温仪；
红外热像仪； 红外热电视。
一、红外测温仪
1、红外测温的工作原理：
被测物体发出的红外线，通过光学系统聚集后，
入射到红外探测器上。在红外辐射的作用下，探测 器产生一个正比于辐射能量的电信号，由放大器放 大和A/D转换后，在数字显示器上显示温度值。
探测器在物 体空间投影 光学系统 水平扫描器
物体空间现场 探测器 垂直扫描器 信号处理器
视频显示
红外热成像示意图
三、红外热电视
红外热电视又称为热释电摄象管成象装置。它与光机扫描不同之 处在于, 前者是机械扫描, 后者为电子扫描。和电视机工作原理相 似, 它由成像镜头, 热释电摄象管、摄象机电路、显示器和温度标 定电路组成。其中关键元件是摄象管。
3、红外测温仪的分类
1）、按测温范围分：
低温点温仪：-100℃~300℃；
中温点温仪：600 ℃以下； 高温点温仪：900 ℃以上。
2）、按其结构形式分：
固定式
便携式
3）、按其所选择使用的波长分：
全辐射测温仪 单色测温仪 比色测温仪
4、 红外测温仪的特点
1）.非接触式测量
这一特点使得远距离、高速运动或带 电的目标其温度测量变得方便，而且不 影响被测目标的温度分布。
7.2
红外探测器
红外线 电信号
一、热探测器 利用红外线的热效应，采用热敏器件将红外线转 换为电信号。 红外线 热（温度） 电信号 热敏器件
1．热敏电阻型探测器
热敏电阻红外探测器如图所示。
热敏电阻红外探测器 （a）结构；（b）桥式测量电路
2．热电偶型探测器（热电堆光敏器件）
用多个微型热电偶串联起来，将其工作端密集地排列在