紅外熱像儀在溫度領(lǐng)域上的應(yīng)用

【摘 要】 紅外熱像儀是通過(guò)紅外探測(cè)器和光學(xué)成像物鏡，把被測(cè)物體所發(fā)出的不可見(jiàn)的紅外輻射能量分布圖形，傳送到紅外探測(cè)器上，再通過(guò)光敏元件轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)的紅外熱像圖，這種可見(jiàn)的熱像圖上面的不同顏色所反映的就是被測(cè)物體的不同溫度。通過(guò)查看熱像圖就可以觀察到被測(cè)目標(biāo)的整體溫度分布狀況，研究目標(biāo)的發(fā)熱情況，從而進(jìn)行下一步工作的判斷。

【關(guān)鍵詞】 紅外熱像儀 原理 結(jié)構(gòu) 應(yīng)用

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2016.04.011

1 紅外熱像儀的特點(diǎn)

紅外熱像儀的發(fā)展速度很快，應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣，紅外熱像儀的應(yīng)用之所以如此廣泛，是因?yàn)樗腥缦绿攸c(diǎn)：

（1）測(cè)量范圍廣：通常為（-170～2000）℃（加濾光片）；

（2）準(zhǔn)確度高：能分辨0.1℃的溫度；

（3）響應(yīng)快：可在幾秒內(nèi)測(cè)出物體的溫度場(chǎng)；

（4）可用于測(cè)量小目標(biāo)物體；

（5）不破壞被測(cè)溫場(chǎng)：測(cè)溫距離可近可遠(yuǎn)，從幾厘米到天文距離。

紅外熱像儀通常適用于以下兩種情況：一是面積大且溫度分布不均勻的被測(cè)物體，欲求其整個(gè)面積的平均溫度或表面溫場(chǎng)隨時(shí)間的變化情況；其次是在有限的區(qū)域內(nèi)，尋找出過(guò)熱點(diǎn)或過(guò)熱區(qū)域。

2 紅外熱像儀的工作原理

紅外熱像儀是一門使用光電設(shè)備來(lái)檢測(cè)和測(cè)量輻射并在輻射與物體表面溫度之間建立相互聯(lián)系的科學(xué)。輻射是指輻射能（電磁波）在沒(méi)有直接傳導(dǎo)媒體的情況下移動(dòng)時(shí)發(fā)生的熱量移動(dòng)。自然界里所有高于絕對(duì)零度（-273.15℃）的物體都會(huì)向外輻射能量。宇宙射線、紅外線和紫外線等不易被人眼所察覺(jué)，其中紅外線的波長(zhǎng)為（0.75-40）μm，紅外熱像儀就是利用其中（3-5.6）μm的短波段和（8-14）μm長(zhǎng)波段的紅外線束所工作的，它通過(guò)熱圖像技術(shù)，能夠給出熱輻射物體的溫度分布和溫度數(shù)值，并且轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)的熱圖像。

在實(shí)際使用紅外熱像儀時(shí)，只要在計(jì)算機(jī)里面輸入被測(cè)物體的發(fā)射率、測(cè)量距離、環(huán)境溫度、濕度、熱范圍、光圈、鏡頭度數(shù)、濾光片種類等，就可以在熒屏上自動(dòng)得出溫度分布等結(jié)果。

3 紅外熱像儀的結(jié)構(gòu)

通常由掃描系統(tǒng)及顯示單元等組成，熱像儀的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1紅外掃描器、2顯示單元、3錄像機(jī)、4數(shù)字式紅外轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、5紅外連接組件、6計(jì)算機(jī)、7彩色掃印機(jī) 8彩色監(jiān)視器

圖1 紅外熱像儀的結(jié)構(gòu)示意圖

現(xiàn)對(duì)其主要構(gòu)結(jié)說(shuō)明如下：

紅外掃描器。它是紅外熱像儀里最重要的組成部分，它通過(guò)光子檢測(cè)器吸收物體發(fā)出的紅外輻射能量，并且將其轉(zhuǎn)換成電子視頻信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大器放大后，傳送至顯示單元。

掃描系統(tǒng)是將被測(cè)對(duì)象的輻射經(jīng)掃描并反射到反射聚光鏡，再通過(guò)衰減器、硅透鏡和反射鏡投射到致冷的銻化銦紅外檢測(cè)元件的表面上。掃描鏡既圍繞垂直軸作水平擺動(dòng)，又在完成一“行”掃描后，圍繞水平軸做一次傾動(dòng)，逐漸移動(dòng)到被測(cè)對(duì)象上的測(cè)量點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象的面掃描。

顯示單元。顯示單元也是紅外熱像儀里很重要的組成部分，它主要包括輸出信號(hào)放大部分、掃描控制系統(tǒng)部分和陰極射線管部分。放大部分的輸出信號(hào)經(jīng)發(fā)射率修正及環(huán)境溫度補(bǔ)償后，依據(jù)使用要求，將溫度分布的各種信號(hào)變成陰極射線管熒屏上的亮度信號(hào)。只要電子束的掃描與光學(xué)系統(tǒng)的掃描同步，就能夠在熒屏上成像，即顯示的溫度圖像與該被測(cè)對(duì)象的溫度分布相對(duì)應(yīng)，觀測(cè)者就可以從圖像中獲得不同顏色所代表不同溫度的數(shù)值。同時(shí)，它也可將信號(hào)儲(chǔ)存起來(lái)，供我們以后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析參考和處理之用。

在掃描的瞬間，掃描器只能接受被測(cè)對(duì)象在某個(gè)瞬間視場(chǎng)的紅外輻射，即溫度高處發(fā)亮、溫度低處發(fā)暗。用黑體爐分度之后，我們就可定量地測(cè)量溫度場(chǎng)。

測(cè)量結(jié)果經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理后，可同時(shí)給出溫度的最高值、最低值、平均值、變化范圍、方差等，在熒光屏上也可相應(yīng)地顯示X方向或Y方向的軸向溫度分布等。圖像記錄和處理系統(tǒng)的組成方案有幾種，其中一種方案包括：

（1）錄像機(jī)。它可將圖像存儲(chǔ)在磁盤上，供計(jì)算機(jī)處理分析圖像之用；此錄像機(jī)同時(shí)具備放映功能。

（2）數(shù)字式紅外轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。它是一個(gè)能夠?qū)⒑诎讏D像轉(zhuǎn)換成十種顏色圖像的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。使用這種數(shù)字式紅外轉(zhuǎn)換系統(tǒng)不僅可以錄像還可以放像。

（3）紅外連接組件。它可以將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再傳送到計(jì)算機(jī)上。

（4）計(jì)算機(jī)。包括軟件系統(tǒng)、顯示器和打印機(jī)。在顯示器上可以直接觀測(cè)到熱像和溫度數(shù)值等，打印機(jī)也可紙質(zhì)輸出熱像和溫度數(shù)值等。

（5）彩色監(jiān)視器。可用于顯示彩色圖像。

4 紅外熱像儀的應(yīng)用

紅外熱像儀的應(yīng)用范圍隨著科技的發(fā)展越來(lái)越廣泛。紅外熱像儀已被廣泛應(yīng)用于安全防范系統(tǒng)中。由于它具有隱蔽探測(cè)功能，在不需要可見(jiàn)光的情況下，它能夠觀察到犯罪分子的行蹤，而犯罪分子卻不知道它的存在。所以紅外熱像儀已經(jīng)成為安全監(jiān)控系統(tǒng)中的大明星。

紅外熱像儀還在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮了非常重要的作用。大氣和煙云能夠吸收可見(jiàn)光和近紅外線，利用這一點(diǎn)，為坦克、艦艇和飛機(jī)裝上全天候紅外監(jiān)視系統(tǒng)，就可以在無(wú)光的夜晚，或者是煙云密布的戰(zhàn)場(chǎng)觀察敵情。

用紅外熱像儀還可以十分快捷的監(jiān)測(cè)那些由于屏蔽而無(wú)法直接看到的過(guò)熱的機(jī)械部件，以免引起短路和火災(zāi)，發(fā)現(xiàn)其熱隱患，從而避免危險(xiǎn)的發(fā)生。

此外，紅外熱像儀在現(xiàn)代科研領(lǐng)域上了也發(fā)揮了很好的作用，主要包括：汽車研究發(fā)展——射出成型、引擎活塞、烤漆、剎車盤；電路板熱分布設(shè)計(jì)、電子零組件溫度測(cè)試、微小零組件測(cè)試；引擎燃燒試驗(yàn)；熱傳導(dǎo)研究；模具鑄造溫度測(cè)量、軋輥的發(fā)熱情況及熱分布的監(jiān)測(cè)等。