红外线检测(红外辐射检测)的原理

红外线检测（红外辐射检测）的原理

2005.09.28整理

无损检测技术方法中的红外线检测（红外辐射检测）的实质是利用物体辐射红外线的特点进行非接触的红外温度记录法。

红外线是一种电磁波，具有与无线电波及可见光一样的本质，波长在0.76～100μm之间，按波长的范围可分为近红外、中红外、远红外、极远红外四类，它在电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，并不停地辐射出热红外能量，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。

根据斯捷藩-波尔兹曼（Stefan-Boltzman）定律：Rλ=ελ·σ·T4

式中：Rλ-物体光谱辐射通量密度（w·cm2/μm）；ελ-物体光谱辐射本领；σ-斯捷藩-波尔兹曼常数（5.67x10-8w·m2/T4）；T-物体绝对温度（）

可知任何物体只要具有一定的温度，即能在其表面有能量辐射，具有一定温度的物体对应某一波长有最大辐射通量密度，根据维恩（wein）位移定律有：λm·T=b，式中：λm-物体最大辐射通量密度对应的波长（即峰值波长）；b-常数，数值为2.898x10-3m·

在红外检测中利用的物体温度通常为300~400（以凯尔文[K]表示的热力学温度单位-1968年国际实用温标-IPTS-68），即波长范围为8~14μm，此时的红外辐射具有最大辐射通量密度，由此决定了红外检测系统的敏感波段。

一切温度在绝对零度（-273.15K°）以上的物体，都会因自身的分子运动而不停地向周围空间辐射出红外线，物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。通过红外线辐射的探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号后（对物体自身辐射的红外能量的测量），就能准确地测定它的表面温度，或者通过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。运用这一方法，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，亦即红外辐射检测的基本原理。

普朗克黑体辐射定律：黑体是一种理想化的辐射体，它吸收所有波长的辐射能量，没有能量的反射和透过，其表面的发射率为1。虽然自然界中并不存在真正的黑体，但是为了弄清和获得红外辐射分布规律，在理论研究中必须选择合适的模型，这就是普朗克提出的体腔辐射的量子化振子模型，从而导出了普朗克黑体辐射的定律，即以波长表示的黑体光谱辐射度，这是一切红外辐射理论的出发点，故简称黑体辐射定律。

自然界中存在的实际物体，几乎都不是黑体。所有实际物体的辐射量除依赖于辐射波长及物体的温度之外，还与构成物体的材料种类、制备方法、热过程以及表面状态和环境条件等因素有关。因此，为使黑体辐射定律适用于所有实际物体，必须引入一个与材料性质及表面状态有关的比例系数，即发射率。该系数表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度，其值在零和小于1的数值之间。根据辐射定律，只要知道了材料的发射率，就知道了任何物体的红外辐射特性。

根据材料的热扩散率（发射率）：a=k/(ρ·c)，式中：k-材料的导热率；ρ-材料质量体密度；c-材料的比热

可知热扩散率（发射率）与材料性质有关。对于均匀无缺陷的材料，a为常数。当在均匀材料中有缺陷存在时，缺陷相当于具有另一热扩散率的材料，因而有缺陷部分与无缺陷部分的热状态不同，表现在材料表面有不同。热传导的差异在材料表面形成时间和空间上的温度梯度，即温度扰动：△T=T f-T，式中：△T-温度扰动；T f-有缺陷处的材料表面温度；T-无缺陷处的材料表面温度。△T不仅与材料的热扩散率有关，而且与缺陷的几何尺寸和埋藏深度有关。

当材料表面的温度差大于红外热象仪的最小可测温度时，即可在热象仪上观察试件表面温度分布的热图像，分析判断材料中是否存在缺陷，从而达到检测目的。也就是说：影响发射率的主要因素与材料种类、表面粗糙度、理化结构和材料厚度等相关。

如果通过在试件背面或正面加热（人工或自然加热），从而向被检试件注入一定的热量（主动式），以便进行的红外检测属于主动式红外检测。依靠物体自身热辐射而对其温度场被动成象的红外检测属于被动式红外检测。例如利用试件自身存在的热源（被动式），当试件内部存在缺陷时，因为缺陷的导热性与母体材料的导热性有差异，可以测量这种差异从而检出缺陷。

目前最常用的红外检测方式仍以被动式红外检测为多。被动式红外检测除了在工业上用于设备、构件等的热点检测外，在军事上应用如红外夜视仪、红外瞄准镜等，在医学上可应用于检查人体温度异常区域，例如2003年的萨斯（SARS）流行期间安置于机场、车站等人流密集的地方监视人体额头部位有无发热就是一个典型的应用实例。

红外检测（红外诊断技术）是一种在线监测的检测技术，它集光电成像技术、计算机技术、图像处理技术于一身，通过接收物体发出的红外线(红外辐射)，将其热像显示在荧光屏上，从而准确判断物体表面的温度分布情况，具有准确、实时、快速等优点。任何物体由于其自身分子的运动，不停地向外辐射红外热能，从而在物体表面形成一定的温度场，俗称“热像”。红外诊断技术正是通过吸收这种红外辐射能量，测出设备表面的温度及温度场的分布，从而判断设备发热情况。目前应用红外诊技术的测试设备比较多，如红外测温仪、红外热电视、红外热像仪等等。红外热电视、红外热像仪等设备利用热成像技术能将这种看不见的“热像”转变成可见光图像，使测试效果直观，灵敏度高，能检测出设备细微的热状态变化，准确反映设备内部、外部的发热情况，可靠性高，对发现设备隐患非常有效。红外热成像系统已经在电力、消防、石化以及医疗等领域得到了广泛的应用。

红外测温技术在产品质量控制和监测、设备在线故障诊断、安全保护以及节约能源等方面发挥了重要作用。

红外检测技术的优点是能非接触遥控测量，直接显示实时图像，灵敏度较高，检测速度快。红外热象仪结构简单，使用安全，信息数据处理速度快，并能实现自动化检测和永久性记录，在检测时受试件表面光洁度影响小等。因此，红外检测已广泛应用于金属、非金属构件，尤其适用于导热系数低的材料，如检测复合材料、胶接结构和叠层结构中的孔洞、裂纹、分层和脱粘类缺陷，还可用于聚合物、橡胶、尼龙、胶纸板、石棉、有机玻璃、水泥制品、陶瓷等的质量检测，对固体火箭发动机整体或壳体、航空发动机喷管、涡轮叶片、电子仪器的整机或组件（如印刷电路板、集成电路块等）的温度监控，可以检查元件的质量、钎焊质量及工作状态，并且在电力设备（如发电机组的换向触点、变压器、高压瓷瓶、高压开关与触头、输变电线路等）的热点检测、铁路车辆的热轴检测、建筑工程中墙体构造异常和墙饰面层质量的检测，以及石油化工、采暖、节能等多方面都获得了应用。

红外检测的缺点是由于检测灵敏度与热辐射率相关，因此受试件表面及背景辐射的干扰，