紅外熱像原理及應用

郭建軍 辛偉大

(赤峰創諾醫藥科技有限公司，內蒙古赤峰 024000)

1 紅外熱像原理

19世紀初英國的天文學家威廉漢姆·和瑟爾在對可見光譜進行熱效應的實驗中發現了紅外線及紅外輻射現象。

后來的科學實驗證明自然界任何物體，只要溫度高于絕對零度，就會以電磁輻射的形式在非常寬的波長范圍內發射能量，產生電磁波。并且不同的材料、不同的溫度、不同的表面光度、不同的顏色等，所發出的紅外輻射強度各不相同。

紅外熱成像技術:熱成像技術是利用熱感應照相機的紅外線成像技術。熱感應照相機可生成熱而不是光的圖像，它可以測量紅外(IR)能量，并將數據經過處理轉換成相應的溫度圖像。進而被轉換成可見圖像，即熱圖。由于物體所發出的紅外輻射在穿過大氣到達測量系統時會受到衰減，如果不利用校正措施，那么隨著距離增大，測量的溫度讀數越來越偏小。所以紅外熱像設備在測量和使用過程中有一些關鍵參數需要特別注意。

2 紅外熱像的幾個關鍵參數

1)熱靈敏度(NETD)。

熱靈敏度:熱像儀能精確分辨出目標輻射的最小溫度能力。熱靈敏度指標越高，可表明紅外熱像儀不僅能夠反映細小的溫度變化，而且還可以提供更為清晰、無噪聲的優質圖像。

2)視場角(FOV)。

視場角又稱為總視場角或掃描視場角，表示熱像儀位置固定時，所能觀察到的最大空間角度范圍(見圖1)。

3)空間分辨率(IFOV)。

空間分辨率指紅外熱像儀能夠識別的兩個相鄰目標的最小距離。通常用瞬時視場角(IFOV)來表示(單位:mrad)。表示熱像儀的最小角分辨單元。空間分辨率決定著熱像儀的清晰度，是熱像儀所能測量的最小尺寸。它與像素，視場角有關。

3 紅外熱像應用中的幾個重要問題

1)發射率的變化。

影響發射率的因素。大多數非金屬材料發射率較高，且相同材質、不同顏色的目標的發射率非常接近，誤差通常不超過測量精度范圍;部分表面光亮的非金屬材料發射率較低(見圖2)。

a.非金屬的發射率。

皮膚(0.98)、電氣膠帶(0.95)、漆(0.90～ 0.95);紙標簽(0.90)、空腔(0.95以上)、黑體(0.98);沸水(0.98);

b.金屬材料的發射率會受到下列因素的影響。

材料:不同材料發射率不同，如銅的發射率一般比鋁高。表面光潔度:通常表面粗糙的材料發射率比光潔表面高。表面顏色:以黑色為代表的深色系表面發射率比淺色系高。表面形狀:表面有凹陷、夾角或不平整規則的部位比平整的部位發射率高。

2)關于發射率的注意事項。

a.盡可能拍攝目標上的一個高發射率參考點(膠帶、油漆或空腔輻射體)。

b.發射率低于0.50時，最好不要直接進行測量。

c.在必須拍攝低發射率表面時，嘗試在視場中放置一個高發射率參考物，或對照接觸式測量來檢查輻射測量。

3)紅外窗口材料。

絕大多數情況下，我們看到的只是表面;然而，我們想要了解的熱量卻通常源自于內部。我們如何透過密閉的外殼看到內部，對于8μm～14μm的紅外波段來說，通常可見光可穿透的玻璃、有機玻璃等材料都變得難以透過，我們需要特殊的材料作為紅外測溫的窗口(見圖3)。

a.硅(Si)。

b.鍺(Ge)。

c.氟化鈣(CaF)。

d.硫化鋅(ZnS)。

e.硒化鋅(ZnXe)。

還有一種材料是我們日常生活中經常用到的:保鮮膜現場有較多粉塵和水氣時作為保護鏡頭用。可以作為模擬密閉環境的外殼，在測量時必須先確認其透過率。

4)背景溫度(反射溫度)補償。

發射率較低的測量目標可以反射來自附近的物體的能量，這部分額外的反射能量會被添加到測量目標自身發射的能量中，從而使讀數變得不準確。部分情況下，位于測量目標附近的物體(設備、發射能量或者其他熱源)的溫度會比測量目標的溫度高出很多(見圖4)。

如果不能避免反射干擾，就需要修正背景溫度(反射溫度補償)。

5)調焦的問題。

若沒有準確調焦，就無法得到清晰的紅外熱像圖，也無法得到準確的目標溫度。所有參數都可以在后臺軟件中方便地進行處理，只有調焦必須在場完成。高級熱像儀完全重合的畫中畫模式(PIP)，為準確調焦提供了方便的判斷依據(見圖5，圖6)。

6)調色板的選擇。

熱像儀一般會提供3種調色板模式:灰度、鐵紅、紅藍彩色(彩虹)。

建議選用的調色板:高對比度在紅藍彩色調色板基礎上，增加了高對比度模式，更適合現場快速、清晰地捕捉問題點。

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［5］北京華泰科捷科技有限公司.紅外熱成像原理［Z］.