红外热成像测温技术及其应用
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红外热成像测温技术及其应用
2011.5.16
提纲 OUTLINE
基本原理
先给出黑体的红外辐射规律。黑体, 简单讲就是对一切波 长的入射辐射吸收率都等于1的物体, 也就是说全吸收。显 然, 因为自然界中实际存在的任何物体对不同波长的入射 辐射都有一定的反射(吸收率不等于1) , 所以, 黑体只是人 们抽象出来的一种理想化的物体模型。但黑体热辐射的基 本规律是红外研究及应用的基础, 它揭示了黑体发射的红 外热辐射随温度及波长变化的定量关系。其中最重要的是 下面3个基本定律。 (1) 普朗克辐射定律 (2) 斯蒂芬- 玻耳兹曼定律 (3) 朗伯余弦定律
医疗卫生
?因为当人体局部或全身发生病变 ，血液循环障碍以 及代谢功能发生变化时 ，将导致相应部位温度平衡 的破坏 ，所以体温变化是人体病理诊断的重要指标 之一。因此可利用红外热像仪检查人体温度分布的 异常情况 ，为某些疾病特别是恶性肿瘤提供诊断的 依据。
质量监测
?在很多产品的质量监控方面 ，需要严格控制温度的 均匀性，可利用红外热像仪检测其温度场分布 ，例 如，轧钢厂的板坯温度分布情况 、纸浆干燥监测 、 沥青路面的铺设 、水泥旋转窑监测 、玻璃制造过程 温控，以及复合材料 、建筑材料、集成电路板设计 等工业过程中均需要进行过程温度调查与监测
? 红外热成像人体快速测温系统，因其具有的非接触、 响应速度快、操作简便等特点，被相关单位作为机场 、港口、车站等公共场所排查监测“非典”等症状患者 和疑似病人的重要工具。在一些不便于使用传统接触 式测温方法的场合，红外辐射式测温仪就显得尤为重 要了。红外热成像人体快速测温系统是集先进的光电 子技术、热成像技术、图像处理技术和控制技术于一 体的高科技产品。整个系统包括红外监控系统（体温 探测头、光学镜头、红外分析软件等）、人梯体温监 测岗和监控指挥中心。
测温系统结构图
系统测温界面图
红外热成像伪彩色测温系统
? 由于人眼对灰度微弱递变的敏感程度远远小于对色 彩变化的敏感程度。在 256个灰度级中能分辨出 40个左右级灰度，而能分辨出的彩色达几自种甚 至上千种。伪彩色增强技术作为一大类基本的图像 增强处理技术，是将灰度图像转变为伪彩色图像， 也可以是原来自然彩色的图像变换成给定彩色分布 的图像，如不同谱能遥感图像。
大气
被测物体辐射的能量
探 测 器
红外热成像仪
热成像系统的温度标定
黑体炉原理图
最大探测距离
制冷装置
“制冷”这一要求—— 导致了常规的热成像测温系统成本太高，
应用比较受限！
工作波长的选择
在选用红外热成像仪或热辐射仪的时候，应注意 生产厂家所提供的工作波段。
红外热成像测温的应用
应用
?红外热成像测温技术具有很多优点 !因此在—— 医疗卫生 、 航空航天 、 无损探伤 、 安全检查等领域
红外热成像在线测温系统
? 红外热成像在线测温来统 将物体表面的热辐射显示 成二维的可视图象, 它是热 成像技术、红外标定技术 、图象处理技术、多去翱 本技犬和图象压缩与恢复 技术等多项高技术的集成 。它采用近红外固体电荷 栩合器件设计而成, 不需制 冷、成本低、可靠性好。
非制冷红外焦平面热成像测温系统
科学实验研究
?在科学实验研究方面 ，红外热像仪亦可显示其在测 试物体温度场方面的优势 。例如， *利用红外热像仪测量火焰温度 ， *利用其精确测试物体的发射率 。 在许多科学实验研究方面 都取得了较好的效果 。
热成像测量物体表面温度
? 探测器的制冷装置
目的：消除背景噪声和提高探测器的灵敏度
几种常用的微型制冷器： ⑴杜瓦瓶式制冷器 ⑵气体节流式制冷器 ⑶半导体制冷器
?——得到了广泛的应用 。
Βιβλιοθήκη Baidu
安全预测
?安全预测就是早期发现设备的异常情况 ，并相应地 采取适当的补救措施 ，以保证设备安全 ，减少损失。 对于大型设备 ，利用红外热像仪在设备运行时对其 早期的温度异常变化进行在线监测 ，判断设备运行 状况具有重要意义 。典型的应用情况有 ：对工业炉 窑和高温管道耐火材料侵蚀和剥落情况的监测 ，预 防烧穿事故的发生 ；对锅炉及加热炉炉壁和保温容 器壁的监测 ，寻找热能泄露点 ，实现节能；在带电 的情况下，对各种电气设备线路的监测 ，预防停电 和火灾等恶性事故的发生 ；等等。
热成像测量物体表面温度
? 应用
⑴在电力行业中的应用
热成像测量物体表面温度
? 应用
⑵在微电子行业中的应用
热成像测量物体表面温度
? 应用
⑶ 机械故障诊断
热成像测量物体表面温度
? 应用
⑷野生动物
热成像测量物体表面温度
? 应用
⑸夜视监视
热成像测量物体表面温度
? 应用
⑹在军事上的应用
红外热成像人体快速测温系统
? 在红外热成像技术研究领域中，红外探测器是核心， 探测器的技术水平决定了热成像技术的技术水平。 基于光电效应的光子探测器和基于热电效应的热电 探测器一直是红外热成像技术的两大支柱。为获得 高性能必须在低温 (典型的是液氮温度 77K)下工作。 正是由于需要制冷以及成本等原因，使光电探测器 类热成像技术在民用领域仍难形成很大的市场。而 热电探测器类热成像技术由于灵敏度和响应速度方 面的限制，只有采用热电摄像管的热成像系统 (即 热电视 )获得一些应用，而且一般用于要求较低的 民用领域。
热成像测量物体表面温度
? 测温影响因素
⑴被测物体发射率 发射率又称为黑度，反映物体向外发射辐射的能 力．物体表面发射率是不相同，且随温度和波长变化。
热成像测量物体表面温度
⑵背景
被测物体的辐射能
背景投向物体表面被物体 物体表面反射的辐射能
背景投向物体表面并透过物 体物体表面的辐射能
响应平面
⑶大气
某些成分吸 收红外辐射
系统基本组成
红外热像仪是一种红外波段的摄像机 ，它利用实 时的扫描热成像技术进行温度分析 ，其系统组成包 括红外望远镜 、光学扫描仪 、红外探测器与制冷器 组件、信号放大器与处理电路 、显示器等。下图为 其系统基本组成示意图
优点（1)
优点（2）
热成像测量物体表面温度
? 优点
非接触测量
响应快
不影响目标的温度分布
不需要达到与目标物体的热平 衡，只要接受辐射就可以
测温范围宽
普通型T系列 -20℃— 300℃
热成像测量物体表面温度
灵敏度高 空间分辨率高
目前最灵敏的热成像系统 能测出0.01℃的温度变化
例如：点热成像系统1s 内 可测出20 万个点。
影响因素
1 被测物体发射率的影响 2 背景的影响 3 大气的影响
2011.5.16
提纲 OUTLINE
基本原理
先给出黑体的红外辐射规律。黑体, 简单讲就是对一切波 长的入射辐射吸收率都等于1的物体, 也就是说全吸收。显 然, 因为自然界中实际存在的任何物体对不同波长的入射 辐射都有一定的反射(吸收率不等于1) , 所以, 黑体只是人 们抽象出来的一种理想化的物体模型。但黑体热辐射的基 本规律是红外研究及应用的基础, 它揭示了黑体发射的红 外热辐射随温度及波长变化的定量关系。其中最重要的是 下面3个基本定律。 (1) 普朗克辐射定律 (2) 斯蒂芬- 玻耳兹曼定律 (3) 朗伯余弦定律
医疗卫生
?因为当人体局部或全身发生病变 ，血液循环障碍以 及代谢功能发生变化时 ，将导致相应部位温度平衡 的破坏 ，所以体温变化是人体病理诊断的重要指标 之一。因此可利用红外热像仪检查人体温度分布的 异常情况 ，为某些疾病特别是恶性肿瘤提供诊断的 依据。
质量监测
?在很多产品的质量监控方面 ，需要严格控制温度的 均匀性，可利用红外热像仪检测其温度场分布 ，例 如，轧钢厂的板坯温度分布情况 、纸浆干燥监测 、 沥青路面的铺设 、水泥旋转窑监测 、玻璃制造过程 温控，以及复合材料 、建筑材料、集成电路板设计 等工业过程中均需要进行过程温度调查与监测
? 红外热成像人体快速测温系统，因其具有的非接触、 响应速度快、操作简便等特点，被相关单位作为机场 、港口、车站等公共场所排查监测“非典”等症状患者 和疑似病人的重要工具。在一些不便于使用传统接触 式测温方法的场合，红外辐射式测温仪就显得尤为重 要了。红外热成像人体快速测温系统是集先进的光电 子技术、热成像技术、图像处理技术和控制技术于一 体的高科技产品。整个系统包括红外监控系统（体温 探测头、光学镜头、红外分析软件等）、人梯体温监 测岗和监控指挥中心。
测温系统结构图
系统测温界面图
红外热成像伪彩色测温系统
? 由于人眼对灰度微弱递变的敏感程度远远小于对色 彩变化的敏感程度。在 256个灰度级中能分辨出 40个左右级灰度，而能分辨出的彩色达几自种甚 至上千种。伪彩色增强技术作为一大类基本的图像 增强处理技术，是将灰度图像转变为伪彩色图像， 也可以是原来自然彩色的图像变换成给定彩色分布 的图像，如不同谱能遥感图像。
大气
被测物体辐射的能量
探 测 器
红外热成像仪
热成像系统的温度标定
黑体炉原理图
最大探测距离
制冷装置
“制冷”这一要求—— 导致了常规的热成像测温系统成本太高，
应用比较受限！
工作波长的选择
在选用红外热成像仪或热辐射仪的时候，应注意 生产厂家所提供的工作波段。
红外热成像测温的应用
应用
?红外热成像测温技术具有很多优点 !因此在—— 医疗卫生 、 航空航天 、 无损探伤 、 安全检查等领域
红外热成像在线测温系统
? 红外热成像在线测温来统 将物体表面的热辐射显示 成二维的可视图象, 它是热 成像技术、红外标定技术 、图象处理技术、多去翱 本技犬和图象压缩与恢复 技术等多项高技术的集成 。它采用近红外固体电荷 栩合器件设计而成, 不需制 冷、成本低、可靠性好。
非制冷红外焦平面热成像测温系统
科学实验研究
?在科学实验研究方面 ，红外热像仪亦可显示其在测 试物体温度场方面的优势 。例如， *利用红外热像仪测量火焰温度 ， *利用其精确测试物体的发射率 。 在许多科学实验研究方面 都取得了较好的效果 。
热成像测量物体表面温度
? 探测器的制冷装置
目的：消除背景噪声和提高探测器的灵敏度
几种常用的微型制冷器： ⑴杜瓦瓶式制冷器 ⑵气体节流式制冷器 ⑶半导体制冷器
?——得到了广泛的应用 。
Βιβλιοθήκη Baidu
安全预测
?安全预测就是早期发现设备的异常情况 ，并相应地 采取适当的补救措施 ，以保证设备安全 ，减少损失。 对于大型设备 ，利用红外热像仪在设备运行时对其 早期的温度异常变化进行在线监测 ，判断设备运行 状况具有重要意义 。典型的应用情况有 ：对工业炉 窑和高温管道耐火材料侵蚀和剥落情况的监测 ，预 防烧穿事故的发生 ；对锅炉及加热炉炉壁和保温容 器壁的监测 ，寻找热能泄露点 ，实现节能；在带电 的情况下，对各种电气设备线路的监测 ，预防停电 和火灾等恶性事故的发生 ；等等。
热成像测量物体表面温度
? 应用
⑴在电力行业中的应用
热成像测量物体表面温度
? 应用
⑵在微电子行业中的应用
热成像测量物体表面温度
? 应用
⑶ 机械故障诊断
热成像测量物体表面温度
? 应用
⑷野生动物
热成像测量物体表面温度
? 应用
⑸夜视监视
热成像测量物体表面温度
? 应用
⑹在军事上的应用
红外热成像人体快速测温系统
? 在红外热成像技术研究领域中，红外探测器是核心， 探测器的技术水平决定了热成像技术的技术水平。 基于光电效应的光子探测器和基于热电效应的热电 探测器一直是红外热成像技术的两大支柱。为获得 高性能必须在低温 (典型的是液氮温度 77K)下工作。 正是由于需要制冷以及成本等原因，使光电探测器 类热成像技术在民用领域仍难形成很大的市场。而 热电探测器类热成像技术由于灵敏度和响应速度方 面的限制，只有采用热电摄像管的热成像系统 (即 热电视 )获得一些应用，而且一般用于要求较低的 民用领域。
热成像测量物体表面温度
? 测温影响因素
⑴被测物体发射率 发射率又称为黑度，反映物体向外发射辐射的能 力．物体表面发射率是不相同，且随温度和波长变化。
热成像测量物体表面温度
⑵背景
被测物体的辐射能
背景投向物体表面被物体 物体表面反射的辐射能
背景投向物体表面并透过物 体物体表面的辐射能
响应平面
⑶大气
某些成分吸 收红外辐射
系统基本组成
红外热像仪是一种红外波段的摄像机 ，它利用实 时的扫描热成像技术进行温度分析 ，其系统组成包 括红外望远镜 、光学扫描仪 、红外探测器与制冷器 组件、信号放大器与处理电路 、显示器等。下图为 其系统基本组成示意图
优点（1)
优点（2）
热成像测量物体表面温度
? 优点
非接触测量
响应快
不影响目标的温度分布
不需要达到与目标物体的热平 衡，只要接受辐射就可以
测温范围宽
普通型T系列 -20℃— 300℃
热成像测量物体表面温度
灵敏度高 空间分辨率高
目前最灵敏的热成像系统 能测出0.01℃的温度变化
例如：点热成像系统1s 内 可测出20 万个点。
影响因素
1 被测物体发射率的影响 2 背景的影响 3 大气的影响