红外热成像检测技术(3.3~3.5)资料

式中，1~2是红外热像仪工作波长范围； 是热像仪的瞬时视场角； 是玻耳兹曼常数；
T为被测目标温度；
()是被测目标的光谱发射率； a()是大气透过率； R()是热像仪的总光谱响应。
高精度的温度控制 器可以成功抑制由 于温度微小变化而 引起的工作波动。
红
目标物体发
外
出红外辐射
光
学
系
统
温控器
非 致
温度参考 信号
均质体反射法（单面法）
均质体透射法（双面法） 22
若试样内部存在缺陷时，就会在试样有缺陷区和无缺陷区形成温差。
当物体内部含有导热性缺陷时，反射法试样表面就会出现温度较低 的局部冷区；透射法出现局部热区。
非均质体反射法（单面法）
非均质体透射法（双面法）
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冷
焦
A/D转
平
换器
面
阵
列
逻辑时 序控制
非制冷红外成像框图
用户界面
Video视频
数
模拟输出
字
信
号
处
理
器
USB接口数
字输出
2.检测方式
（1）主动检测（有源检测） 采用某种加热方式来激励内部缺陷，使
试件表面形成反映这些缺陷存在的温差，采 用热像仪进行红外热成像实现对物体缺陷的 检测，这种检测形式称为主动式红外无损检 测。
目标物体发
外
冷
字
出红外辐射
光
焦
A/D转
信
学
平
换器
号
系
面
处
统
阵
理
列
器
USB接口数
逻辑时
字输出
序控制
非制冷红外成像框图
红外辐射到视频信号的形成原理：
红外热像仪成像时，目标物体的某个 单位面积与图像的某一像素相对应，像 素的灰度值就是热像仪输出的视频信号 幅度US经过放大、量化后得到的电压。
根据辐射定理，理想情况下，考虑目标物体 的任意成像点（某个单位面积），US与波长、温 度等参数满足以下关系：
W T 4
可见，物体的温度越高，红外辐射能量越多。
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二、红外检测原理 1.可行性 （1）物体辐射
自然界温度高于绝对0度（－273°C）的 物体，表面不断地辐射红外线。 红外线是电磁波，波长范围：0.78～1000um
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（2）红外热成像仪
将物体的红外辐射聚焦到 红外探测器上，红外探测器再 将强弱不等的辐射信号转换成相应的电信号，然后经过放大 和视频处理，形成可供人眼观察的视频图像。
太阳
11000
融化的铁 1803
融化的铜 1173
融化的蜡 336
人体
305
地球大气 300
冰
273
液态氮
77.2
波长/um 0.26 1.61 2.47 8.62 9.50 9.66 10.6 37.53
常见物体的峰值波长
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斯蒂芬－玻耳兹曼定律（1879，1884）
物体辐射的红外能量密度W与其自身的热 力学温度T的4次方成正比，并与它表面的比 辐射率成正比：
3.3 红外无损检测的原理
一、红外热辐射基本定律： 1.基尔霍夫定律 2.普朗克定律 3.维恩定律 4.斯蒂芬－玻耳兹曼定律
1
基尔霍夫定律
同温度物体的红外发射能 力正比于其红外吸收能力；红 外平衡状态时，物体吸收的红 外能量恒等于它所发射的红外 能量。 推论：性能好的反射体或透明体，
必然是性能差的辐射体。
被动式红外检测应用于运行中的设备、 元器件和科学实验中。
由于被动检测不需要附加热源，在生产 现场基本都采用这种方式。
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3.主动检测原理 如果向一个试件注入热量，其中一部分
热流必然向内部扩散，并引起试样表面的温 度分布的变化。
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对于无缺陷的物体，均匀注入热流，热量能够均匀 的向内部扩散或从表面扩散，因而表面的温度场分 布也是均匀的。
同一目标的热图像和可见光图像是不同，它不是人 眼所能看到的可见光图像，而是目标表面温度分布图像， 或者说，红外热图像是人眼不能直接看到目标的表面温 度分布，变成人眼可以看到的代表目标表面温度分布的 热图像。
2. 红外热像仪成像的原理
扫 红目光外描标敏焦表区辐平平面接射面面发收经阵阵射到过列列的入物的的红 射镜输不外的聚出同辐红焦信部射外，号位辐，被经射、经聚A后或大焦/D按气，后转顺的在换序红后将外进电窗辐行D荷口射S传的，P处送入输一理到射般，读位红是 出 A中置外/D器波上焦转件和产平换中长生面一，波一上般读红个，是出外与准1这窗入确2~些口射的16电红，说位荷外传是。。辐输在射到光性物敏能镜区有，上关即。的红局外部光电学荷系统。。
2
普朗克定律
描述了黑体辐射的光谱分布规律，是黑 体辐射的理论基础。
式中 Wλ为黑体的光谱辐射出射度，W/(m2•um)； λ为辐射电磁波的波长，um; k为玻尔兹曼常数，1.38*10-23W•s•K； h为普朗克常数，6.6262*10-34J•s； T为黑体热力学温度，K； C为光速，3*108m/s。
当信号以视频红Βιβλιοθήκη 号输出非致 时，温每度信一参号考个局部称数做一个像元 。
目标物体发
外
冷
字
出红外辐射
光
焦
A/D转
信
学
平
换器
号
系
面
处
统
阵
理
列
器
逻辑时 序控制
非制冷红外成像框图
数字信号处理器主要是进行的是非线性校正等。
(a)校正前
(b)校正后
实际图像校正前后对比
红
非 致
温度参考 信号
数
Video视频 模拟输出
3
维恩位移定律
物体的红外辐射能量密度大小，随波长 （频率）不同而变化。与辐射能量密度最大 峰值相对应的波长为峰值波长，维恩通过大 量实验得出了峰值波长和物体热力学温度之 间的关系：
max 2897 / T
m波ax长的单位是um，T是物体的绝对温度，单位是K。
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波长
温度
红外辐射能量密度曲线
物体名称 温度/K
红外热成像系统将物体发射的红外辐射（即表面温度场） 转变为人眼可见的热图像，从而使人眼的视觉范围扩展到不 可见的红外区。
目标
红外光学系统
红外探测器
显示器
图像信号处理 与显示
探测器读出电路
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红外探测器输出的图像通常称为“热图像”，由于不 同物体甚至同一物体不同部位辐射能力和它们对红外线 的反射强弱不同。利用物体与背景环境的辐射差异以及 物体本身各部分辐射的差异，热图像能够呈现物体各部 分的辐射起伏，从而能显示出物体的特征。
在热激励工件的同时或在激励经过一段 时间延迟后测量工件表面的温度分布。
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• 反射检测（单面检测）
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• 透射检测（双面检测）
（2）被动检测（无源检测） 利用工件自身的温度分布来检测工件内
部的缺陷。 不需要对被测加热，仅仅利用被测目标
的温度不同于周围环境的条件，在被测目标 与环境的热交换过程中进行红外检测的方式。