热成像探测技术

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换热器的传热试验 热成像探测技术
换热器的传热试验
上海汽车配件厂气-水-油传热风洞 (现上海贝洱热系统有限公司)
南宁八菱汽车配件有限公司 气-水-油传热风洞
南宁八菱汽车配件有限公司 气-水-油传热风洞
南宁八菱汽车配件有限公司 气-水-油传热风洞
南宁八菱汽车配件有限公司 气-水-油传热风洞
• 红外热成像技术——非接触式测温方法
• 三. 电磁波谱
• 1800年,英国物理学家赫胥尔在研究各种色光的 热量时,有意地把暗室中唯一的窗户用木板堵住, 并在板上开了一条矩形的孔,孔内装一个分光棱 镜。
• 在试验中,他突然发现:放在光带红光外的温度 计,比室内其它温度计的指示值都要高。经过多 次试验,这个所谓含热量最多的高温区,总是位 于光带最边缘处红光的外面。
• 物体与背景的红外线辐射,以及物体表面 不同点的红外辐射,构成了它们的红外辐 射分布图。
2.热成像镜头
在红外辐射方向上放置一个热成像镜 头,便可以通过折射和反射,把物体的 红外辐射分布会聚在某一平面上,根据 几何光学原理,这个平面上的红外辐射 分布与物体的红外辐射分布存在一定的 比例关系。(这个过程和普通照相机相 同)
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山东换热器试验台 20101228
山东换热器试验台 20101228
热成像探测技术
§1.基本知识
• 一. 热与温度
• 温度是反映物体冷热程度的物理量。
3.红外探测器
为了把不可见的红外分布图转变成可 见光图像,必须使用对红外线敏感的特 殊元件,把红外线能量转变成电信号。 这种敏感元件为红外探测器。
来自百度文库.电子电路
红外探测器输出的电信号一般很微弱, 所以必须通过电子电路进行充分的放大, 然后再经过电子电路的一系列处理,才 能符合最终指示和显示的需要。
• 使用热成像镜头往往比直接用敏感元件 接受红外线的效率高。这种情况称为热 成像光学镜头的光学增益。
有效光学增益

镜头接受面积 敏感元件面积
2.热成像镜头的类型
(1) 锗(硅)透镜
• 用单晶锗材料磨制的热成像镜头,可在 3~5μ m,8~14μ m两个波段上工作。
• 对于只要求透过3~5μ m红外线的仪器可 使用单晶硅,单晶硅的价格约为单晶锗 的一半。
5.显示器
• 经过电子电路处理后的电信号,可以通过 显示器显示目标表面红外辐射分布图。
• 显示器显示物体热像,可以用其灰度不同 的黑白图像来显示,也可以用不同的颜色 来表示红外辐射的分布情况。
三. 热成像镜头
1.热成像镜头的功能 • 将红外设备与空间分隔开来,作为红
外线进入仪器的窗口。
• 热成像镜头将入射的红外辐射进行收 集和汇聚,使它的空间分布显示在给定平 面上(焦面)。通常这个平面上放置对红 外线敏感的元件(红外探测器)。
• 热成像测温技术是利用红外探测器摄取 来自被测物体表面的热辐射,即红外辐 射,从而获得物体表面的热像图。
• 热像图包含被测物体表面的温度信息, 因此根据辐射理论,可以求得物体表面 的温度分布。
工业上最感兴趣的是可见光和红外线。
• 可见光:0.38μm~0.76μm
• 近 红 外 : 0.76μm ( 0.78μm ) ~ 1.5μm (3.0μm)
四.物体的吸收率、反射率、 透射率、发射率
Q=Qα +Qρ +Qτ Qα /Q+Qρ /Q+Qτ /Q=1
α +ρ +τ =1 发射率反映物体向外辐射的能力,通常用
实际物体发射的辐射能力与同温度下绝 对黑体发射的辐射能力之比来表示,即: ε =E/Eb
黑体、 灰体、 漫体、 漫灰体。
五. 辐射的基本定律
(4). 多晶硫化锌
• 热压成型的红外光学材料。
• 透过的红外波长在1~14μ m,平均透过率 大于70%,而且没有吸收谷。
• 多晶硫化锌不但可以热压成红外透镜或窗 口,并可用作镀膜材料。
(5). 多晶氟化镁
• 耐高温的红外光学材料,3~5μ m,也可 透过可见光。
• 对0.598μ m的可见光,τ =20~30%;对于 3~6.5μ m的红外线,透过率高达90%。 800℃以下对τ 变化很小。
• 于是赫胥尔宣布,太阳发出的光线中除可见光外, 还有一种人眼看不见的“热线”,这种看不见的 “热线”位于红色光外侧,因而叫做红外线。
红外线其实也是一种电磁波,其波长 范围从0.78微米到1000微米。为了研究上 的方便,红外线被科学家划分为三个波段:
• 近红外:波长为0.78微米~3.0微米; • 中红外:波长为3.0微米~20微米; • 远红外:波长为20微米~1000微米。
⑵. 任何通过光心的入射光线,在通过透镜之后, 其传播方向不变。
O1
O
O2
f
O1
O2
O
f
二、红外线成像
• 红外线的传播规律也和可见光一样,符 合几何光学各定律。
• 红外线通过空间传播到目的地,也可经 过红外光学系统而成像在某一确定的平 面上,这个平面上的红外线能量密度分 布图就是目标的红外图像。
• 一般单晶锗的最大透过率约为44%(表面 不加任何处理),表面镀以增透膜的工 艺处理,τ 会提高,最高可达99%。
(2). 单晶硅
• 也是一种常见的人工单晶材料,只适用波 长在11μ m以内的红外线。
• 透过率约在50%左右。
(3). 多晶氟化钙
• 是一种热压成型的多晶红外光学材料。
• 透过波长在0.25~10.5μ m,透过率可高 达90%左右。
能够透过大气的红外线主要有三个波长:范围P142:1~2.5μ m, 3~5μ m,8~14μ m
• 对红外线透明的红外线波长范围称为大气窗口。
2.红外线在介质中的传输
• 普通玻璃能透过可见光,但它几乎不能 透过红外线。
• 通常把可以透过红外线的介质称为红外 光学材料。
任何介质不可能对所有波长的红外 线都透明,而只是对某些波长范围的红 外线具有较高的透过率.
φ1 φ2
(3). 折射定律
• 可见光从一种介质射向另一种介质时,除了反 射外,还有部分射入到另一种介质中,而且光 的方向发生改变,这一物理现象称为光的折射。
• 折射定律:
n21是一个和两种介质光学特性相关的常数,称 为介质2对介质1的相对折射率
sin 1 sin 2
n21
φ1 φ2
2.可见光成像 • 根据光的传播规律,利用专门设计的光
(6). 三硫化二砷玻璃
• 合成无定型玻璃,透过可见光和波长小于 11μ m的红外线
(7). 聚四氟乙烯
合成聚合物。最高使用温度为260℃左 右,最低使用温度-269℃。
§2.热成像
• 成像在广义上讲,就是显示目标辐射能 量密度分布的情况。
• 可见光像实际上显示的是目标表面可见 光能量密度的分布情况,亮的地方是辐 射可见光能量密度大的地区,暗的地方 则是可见光能量密度小的地区。
• 中 红 外 : 1.5μm ( 3.0μm ) ~ 6.0μm (20μm)
• 远 红 外 : 6.0μm ( 20μm ) ~ 15μm (1000μm)
• 极远红外:15μm~1000μm
• 波长与颜色的关系: 紫色:0.38~0.43μ m 蓝色:0.43~0.46μ m 青色:0.46~0.49μ m 绿色:0.49~0.55μ m 黄色:0.55~0.59μ m 橙色:0.59~0.65μ m 红色:0.65~0.78μ m
学镜头把物体辐射透过和反射的可见光 重新合聚在一起,形成可见光能量密度 分布图——可见光成像。
• 成像所用的光学镜头是一个合聚透镜。 (双凸镜、平凸镜、凹凸镜)
光通过透镜时有以下规律:
⑴. 平行于光轴的入射光线通过透镜后都折向主 光 轴 ,并 且 都通 过 同一 个 点 ( F—— 透 镜 的焦 点)。
Eb,φ =0—法线方向的定向发射率
5. 基尔霍夫定律
这一定律说明的是实际物体辐射和吸收 之间的关系:
E


Eb
E
Eb
在热平衡条件下,任何物体的辐射力 和它对来自黑体辐射的吸收比的比值,恒 等于同温度下黑体的辐射力。
六. 红外线传输
红外线也是一种电磁波。和其他波长 的电磁波一样,可以在空间和一些介质 中传输。 1.红外线在大气中的传输 大气是由气体(氮、氧、氢和惰性气体 等)、水蒸汽和悬浮于大气中的固体及 液体粒子组成。
• 锗和硅透镜的镜面可磨制成各种形状的凸 透镜:球面、非球面。
• 镜头:一个透镜组成或由多个透镜组成。
• 采用非球面透镜或多个透镜构成一个热成 像镜头:都可以提高成像质量。
• 磨好的单晶锗透镜,τ 约44%, • 镀增透膜:单层,τ 增加到85~95%;多
层,τ 提高到95~99%。 • 在透镜的最外层镀上保护膜 。
1. 普朗克定律
普朗克定律揭示了黑体辐射能力按照 波长的分布规律,即:
Eb

C1 5 e C2 (T )1
λ :波长,m
W/m3
T:黑体的热力学温度,K
C1:第一辐射常数:3.742×10-16,W·㎡ C2:第二辐射常数:1.4388×10-2,m·K
2. 维恩位移定律
λ m与T之间存在如下关系: λ mT=2.8976×10-3
合肥宇光机械制造有限公司 气—气闭式中冷器传热性能试验台
上海理工大学研制 2006年
合肥宇光机械制造有限公司 气—气闭式中冷器传热性能试验台
上 海


工 大

学 研





上海理工大学
宁波路润冷却器制造有限公司
上海理工大学
上海理工大学设计建造 2002年12月
气气中冷器压力循环试验台
上海理工大学设计建造 2009年12月
• 红外光学材料按它的结构,性能和制备 方法可分为三大类:晶体材料、玻璃材 料、塑性材料。
(1). 单晶锗
• 一种最常用的红外光学材料,可以作为 红外仪器本体与大气隔离的窗口,可以 磨制成各种透镜、棱镜。
• 制备多采用拉晶的方法,直径可大200~ 250㎜,用做红外光学材料,一般采用低 阻型(ρ 〈30Ω ,㎜〉
• 如果把可见光换成红外线,那么红外线 能量分布图即为红外线像
一、可见光成像
1.可见光传播规律 (1). 直线传播
各种波长可见光在真空或同一介质中 传播总是沿直线进行。
(2). 反射定律
• 可见光在传播中射向两种介质的交界面 时,则有全部或部分的可见光反射回 来——光的反射。
• 光的反射符合反射定律,入射光与反射 光位于同一平面内,反射角与入射角相 等。
大气对红外的吸收和衰减是具有选择性的。
某些气体分子吸收带中心波长(μ m) 水(H2O):0.9,1.14,1.38,1.87,2.7,3.2 6.3 二氧化碳(CO2): 1.4,1.6,2.0,2.7,4.3,4.8,5.2,15 臭氧(O3): 4.5,9.6 ,14 氧化氮(N2O): 4.7,7.8 甲烷(CH4):3.2,7.5 一氧化碳(CO):4.8
• 人眼无法直接感受红外线
• 必须把看不见的红外线能量密度分布图 转变成可见光图。
• 表示红外线能量密度分布图情况的可见 光图像叫做目标热像
• 显示目标热像的过程叫做红外热成像 • 对应的装置称为红外热成像装置。
1.物体的热辐射分布图 • 温度>0 K的物体不断向周围辐射红外线。
• 红外辐射源和背景的温度、形状总有一定 的差异,而辐射源本身各部分的温度、形 状和表面状态也存在差异,这些差异决定 了物体红外辐射的不均匀性。
• 温标:就是温度的数量表示方法。
• 实验表明,人们已经可以使物体冷却到接近零 度的温度,但无论如何都不可能真正地达到绝 对零度的低温,通过理论分析,可以推算,绝 对零度相当于-273.15℃。
二. 测温的方法:
• 传统的接触测温方法,是根据热平衡原 理进行的(热力学第零定律)
二. 测温的方法:
(2) 玻璃反射镜
• 大口径的热成像镜头多数使用玻璃反射 镜玻璃,价格低于单晶锗、硅。
3. 斯蒂芬—波尔定律 ——黑体总辐力与温度之间的关系

E 0 Eb ()d
=σ T4 =C0(T/100)4 σ :斯蒂芬—波尔兹曼常数:5.167×10-8W/ ㎡·K4 C0:黑体辐射系数:5.67 W/㎡·K4
4. 兰贝特定律
兰贝特定律说明黑体辐射在空间各方 向的分布规律。
Eb,φ =Eb,φ =0·cosφ
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