(完整word版)紅外測溫儀工作原理及應用(一)

1、紅外測溫儀工作原理及應用 （一 ）摘要： 本文結合國內(nèi)外紅外技術的發(fā)展和應用， 簡紹了紅外技術的基礎理論， 闡述了紅外熱 像儀的工作原理、發(fā)展和分類。1.概述 紅外測溫技術在生產(chǎn)過程中， 在產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測， 設備在線故障診斷和安全保護以及節(jié) 約能源等方面發(fā)揮了著重要作用。近 20 年來，非接觸紅外測溫儀在技術上得到迅速發(fā)展， 性能不斷完善，功能不斷增強， 品種不斷增多， 適用范圍也不斷擴大， 市場占有率逐年增長。 比起接觸式測溫方法，紅外測溫有著響應時間快、非接觸、使用安全及使用壽命長等優(yōu)點。 非接觸紅外測溫儀包括便攜式、在線式和掃描式三大系列，并備有各種選件和計算機軟件， 每一系列中又有

2、各種型號及規(guī)格。 在不同規(guī)格的各種型號測溫儀中， 正確選擇紅外測溫儀型 號對用戶來說是十分重要的。紅外檢測技術是 “九五”國家科技成果重點推廣項目，紅外檢測是一種在線監(jiān)測（不停電 ）式高科技檢測技術， 它集光電成像技術、 計算機技術、 圖像處理技術于一身，通過接收物體發(fā)出 的紅外線 （紅外輻射 ），將其熱像顯示在熒光屏上，從而準確判斷物體表面的溫度分布情況， 具有準確、實時、快速等優(yōu)點。 任何物體由于其自身分子的運動， 不停地向外輻射紅外熱能， 從而在物體表面形成一定的溫度場， 俗稱“熱像 ”。紅外診斷技術正是通過吸收這種紅外輻射 能量， 測出設備表面的溫度及溫度場的分布， 從而判斷設備發(fā)熱情

3、況。 目前應用紅外診技術 的測試設備比較多，如紅外測溫儀、紅外熱電視、紅外熱像儀等等。像紅外熱電視、紅外熱 像儀等設備利用熱成像技術將這種看不見的“熱像 ”轉變成可見光圖像， 使測試效果直觀， 靈敏度高，能檢測出設備細微的熱狀態(tài)變化， 準確反映設備內(nèi)部、 外部的發(fā)熱情況， 可靠性高， 對發(fā)現(xiàn)設備隱患非常有效。 紅外診斷技術對電氣設備的早期故障缺陷及絕緣性能做出可靠的預測， 使傳統(tǒng)電氣設備的預 防性試驗維修 （預防試驗是 50 年代引進前蘇聯(lián)的標準 ）提高到預知狀態(tài)檢修，這也是現(xiàn)代電 力企業(yè)發(fā)展的方向。 特別是現(xiàn)在大機組、 超高電壓的發(fā)展，對電力系統(tǒng)的可靠運行，關系到 電網(wǎng)的穩(wěn)定， 提出了越來越

4、高的要求。 隨著現(xiàn)代科學技術不斷發(fā)展成熟與日益完善， 利用紅 外狀態(tài)監(jiān)測和診斷技術具有遠距離、不接觸、不取樣、不解體，又具有準確、快速、直觀等 特點，實時地在線監(jiān)測和診斷電氣設備大多數(shù)故障（幾乎可以覆蓋所有電氣設備各種故障的檢測）。它備受國內(nèi)外電力行業(yè)的重視 （國外 70 年代后期普遍應用的一種先進狀態(tài)檢修體制），并得到快速發(fā)展。 紅外檢測技術的應用， 對提高電氣設備的可靠性與有效性， 提高運行經(jīng)濟 效益，降低維修成本都有很重要的意義。 是目前在預知檢修領域中普遍推廣的一種很好手段， 又能使維修水平和設備的健康水平上一個臺階。 采用紅外成像檢測技術可以對正在運行的設備進行非接觸檢測， 拍攝其溫

5、度場的分布、 測量 任何部位的溫度值， 據(jù)此對各種外部及內(nèi)部故障進行診斷，具有實時、 遙測、 直觀和定量測 溫等優(yōu)點，用來檢測發(fā)電廠、變電所和輸電線路的運轉設備和帶電設備非常方便、有效。 利用熱像儀檢測在線電氣設備的方法是紅外溫度記錄法。 紅外溫度記錄法是工業(yè)上用來無損 探測，檢測設備性能和掌握其運行狀態(tài)的一項新技術。與傳統(tǒng)的測溫方式（如熱電偶、不同熔點的蠟片等放置在被測物表面或體內(nèi)）相比，熱像儀可在一定距離內(nèi)實時、定量、在線檢測發(fā)熱點的溫度，通過掃描，還可以繪出設備在運行中的溫度梯度熱像圖，而且靈敏度高， 不受電磁場干擾，便于現(xiàn)場使用。它可以在-20C2000C的寬量程內(nèi)以 0.05 側高分

6、辨率檢測 電氣設備的熱致故障，揭示出如導線接頭或線夾發(fā)熱，以及電氣設備中的局部過熱點等等。 帶電設備的紅外診斷技術是一門新興的學科。 它是利用帶電設備的致熱效應， 采用專用設備 獲取從設備表面發(fā)出的紅外輻射信息，進而判斷設備狀況和缺陷性質(zhì)的一門綜合技術。2 .紅外基礎理論1672 年，人們發(fā)現(xiàn)太陽光（白光）是由各種顏色的光復合而成，同時，牛頓做出了單色光在性質(zhì)上比白色光更簡單的著名結論。 使用分光棱鏡就把太陽光 （白光）分解為紅、 橙、黃、 綠、青、藍、紫等各色單色光。1800 年，英國物理學家 F.W 赫胥爾從熱的觀點來研究各種色光時， 發(fā)現(xiàn)了紅外線。 他在研究各種色光的熱量時， 有意地把暗

7、室的唯一的窗戶用暗板堵 住，并在板上開了一個矩形孔， 孔內(nèi)裝一個分光棱鏡。當太陽光通過棱鏡時，便被分解為彩 色光帶， 并用溫度計去測量光帶中不同顏色所含的熱量。 為了與環(huán)境溫度進行比較， 赫胥爾 用在彩色光帶附近放幾支作為比較用的溫度計來測定周圍環(huán)境溫度。試驗中， 他偶然發(fā)現(xiàn)一個奇怪的現(xiàn)象： 放在光帶紅光外的一支溫度計， 比室內(nèi)其他溫度的批示數(shù)值高。 經(jīng)過反復試 驗，這個所謂熱量最多的高溫區(qū)， 總是位于光帶最邊緣處紅光的外面。 于是他宣布太陽發(fā)出 的輻射中除可見光線外，還有一種人眼看不見的 “熱線 ”，這種看不見的 “熱線”位于紅色光外 側，叫做紅外線。紅外線是一種電磁波， 具有與無線電波及可

8、見光一樣的本質(zhì)，紅外線的發(fā) 現(xiàn)是人類對自然認識的一次飛躍， 對研究、 利用和發(fā)展紅外技術領域開辟了一條全新的廣闊 道路。紅外線的波長在 0.76100 艸 之間，按波長的范圍可分為近紅外、中紅外、遠紅外、極遠 紅外四類，它在電磁波連續(xù)頻譜中的位置是處于無線電波與可見光之間的區(qū)域。紅外線輻射是自然界存在的一種最為廣泛的電磁波輻射， 它是基于任何物體在常規(guī)環(huán)境下都會產(chǎn)生自身 的分子和原子無規(guī)則的運動， 并不停地輻射出熱紅外能量， 分子和原子的運動愈劇烈， 輻射 的能量愈大，反之，輻射的能量愈小。溫度在絕對零度以上的物體， 都會因自身的分子運動而輻射出紅外線。 通過紅外探測器將物 體輻射的功率信號轉

9、換成電信號后， 成像裝置的輸出信號就可以完全一一對應地模擬掃描物 體表面溫度的空間分布， 經(jīng)電子系統(tǒng)處理， 傳至顯示屏上， 得到與物體表面熱分布相應的熱 像圖。運用這一方法，便能實現(xiàn)對目標進行遠距離熱狀態(tài)圖像成像和測溫并進行分析判斷。2.1 熱像儀原理紅外熱像儀是利用紅外探測器、 光學成像物鏡和光機掃描系統(tǒng) （目前先進的焦平面技術則省 去了光機掃描系統(tǒng)）接受被測目標的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元上， 在光學系統(tǒng)和紅外探測器之間， 有一個光機掃描機構 （焦平面熱像儀無此機構） 對被測物體 的紅外熱像進行掃描， 并聚焦在單元或分光探測器上， 由探測器將紅外輻射能轉換成電信號， 經(jīng)放

10、大處理、 轉換或標準視頻信號通過電視屏或監(jiān)測器顯示紅外熱像圖。這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應； 實質(zhì)上是被測目標物體各部分紅外輻射的熱像分布圖由于信號非常 弱，與可見光圖像相比， 缺少層次和立體感， 因此，在實際動作過程中為更有效地判斷被測 目標的紅外熱分布場， 常采用一些輔助措施來增加儀器的實用功能， 如圖像亮度、 對比度的 控制，實標校正，偽色彩描繪等技術2.2 熱像儀的發(fā)展1800 年，英國物理學家 F.W 赫胥爾發(fā)現(xiàn)了紅外線，從此開辟了人類應用紅外技術的廣闊道 路。在第二次世界大戰(zhàn)中， 德國人用紅外變像管作為光電轉換器件，研制出了主動式夜視儀和紅外通信設備，為紅外技術的發(fā)展奠定了

11、基礎。二次世界大戰(zhàn)后， 首先由美國德克薩蘭儀器公司經(jīng)過近一年的探索，開發(fā)研制的第一代用于軍事領域的紅外成像裝置，稱之為紅外尋視系統(tǒng)（FLIR,它是利用光學機械系統(tǒng)對被測目標的紅外輻射掃描。由光子探測器接收兩維紅外輻射跡象，經(jīng)光電轉換及一系列儀器處理， 形成視頻圖像信號。 這種系統(tǒng)、 原始的形式是一種非實時的自動溫度分布記錄儀， 后來隨著 五十年代銻化銦和鍺摻汞光子探測器的發(fā)展， 才開始出現(xiàn)高速掃描及實時顯示目標熱圖像的 系統(tǒng)。六十年代早期，瑞典 AGA 公司研制成功第二代紅外成像裝置，它是在紅外尋視系統(tǒng)的基礎 上以增加了測溫的功能，稱之為紅外熱像儀。開始由于保密的原因， 在發(fā)達的國家中也僅限于

12、軍用， 投入應用的熱成像裝置可的黑夜或濃 厚幕云霧中探測對方的目標，探測偽裝的目標和高速運動的目標。由于有國家經(jīng)費的支撐， 投入的研制開發(fā)費用很大， 儀器的成本也很高。 以后考慮到在工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展中的實用性， 結 合工業(yè)紅外探測的特點， 采取壓縮儀器造價。 降低生產(chǎn)成本并根據(jù)民用的要求， 通過減小掃 描速度來提高圖像分辨率等措施逐漸發(fā)展到民用領域。六十年代中期，AGA 公司研制出第一套工業(yè)用的實時成像系統(tǒng)（THV）,該系統(tǒng)由液氮致冷，110V 電源電壓供電，重約 35 公斤，因此使用中便攜性很差，經(jīng)過對儀器的幾代改進，1986年研制的紅外熱像儀已無需液氮或高壓氣，而以熱電方式致冷，可用電池供電；

13、1988 年推出的全功能熱像儀，將溫度的測量、修改、分析、圖像采集、存儲合于一體，重量小于7公斤，儀器的功能、精度和可靠性都得到了顯著的提高。九十年代中期，美國 FSI 公司首先研制成功由軍用技術（FPA 轉民用并商品化的新一紅外熱像儀（CCD）屬焦平面陣列式結構的一種凝成像裝置，技術功能更加先進，現(xiàn)場測溫時只 需對準目標攝取圖像，并將上述信息存儲到機內(nèi)的PC 卡上，即完成全部操作，各種參數(shù)的設定可回到室內(nèi)用軟件進行修改和分析數(shù)據(jù)， 最后直接得出檢測報告， 由于技術的改進和結 構的改變，取代了復雜的機械掃描，儀器重量已小于二公斤，使用中如同手持攝像機一樣， 單手即可方便地操作。如今， 紅外熱成

14、像系統(tǒng)已經(jīng)在電力、 消防、石化以及醫(yī)療等領域得到了廣泛的應用。紅外熱 像儀在世界經(jīng)濟的發(fā)展中正發(fā)揮著舉足輕重的作用。2.3 熱像儀分類 紅外熱像儀一般分光機掃描成像系統(tǒng)和非掃描成像系統(tǒng)。 光機掃描成像系統(tǒng)采用單元或多元（元數(shù)有 8、10、16、23、48、55、60、120、180 甚至更多）光電導或光伏紅外探測器， 用單元探測器時速度慢， 主要是幀幅響應的時間不夠快， 多元陣列探測器可做成高速實時熱 像儀。 非掃描成像的熱像儀， 如近幾年推出的陣列式凝視成像的焦平面熱像儀， 屬新一代的 熱成像裝置，在性能上大大優(yōu)于光機掃描式熱像儀，有逐步取代光機掃描式熱像儀的趨勢。 其關鍵技術是探測器由單片

15、集成電路組成， 被測目標的整個視野都聚焦在上面， 并且圖像更 加清晰， 使用更加方便， 儀器非常小巧輕便，同時具有自動調(diào)焦圖像凍結， 連續(xù)放大， 點溫、 線溫、等溫和語音注釋圖像等功能，儀器采用 PC卡，存儲容量可高達 500 幅圖像。紅外熱電視是紅外熱像儀的一種。紅外熱電視是通過熱釋電攝像管（PEV 接受被測目標物體的表面紅外輻射， 并把目標內(nèi)熱輻射分布的不可見熱圖像轉變成視頻信號，因此， 熱釋電攝像管是紅外熱電視的光鍵器件，它是一種實時成像，寬譜成像（對35m及 814m有較好的頻率響應） 具有中等分辨率的熱成像器件， 主要由透鏡、 靶面和電子槍三部分組成。 其技術功能是將被測目標的紅外輻

16、射線通過透鏡聚焦成像到熱釋電攝像管，采用常溫熱電視探測器和電子束掃描及靶面成像技術來實現(xiàn)的。熱像儀的主要參數(shù)有：2.3.1 工作波段；工作波段是指紅外熱像儀中所選擇的紅外探測器的響應波長區(qū)域，一般是35（im或 812（imo2.3.2 探測器類型；探測器類型是指使用的一種紅外器件。是采用單元或多元（元數(shù)8、 10、16、23、 48、 55、 60、 120、180 等）光電導或光伏紅外探測器， 其采用的元素有硫化鉛 （PbS） 、硒化鉛（Pn Se）、碲化銦（In Sb）、碲鎘汞（HgCdTc）、碲錫鉛（PbS nT、鍺摻雜（Ge： X） 和硅摻雜（Si: X）等。233 掃描制式；一般為

17、我國標準電視制式，PAL 制式。2.3.4 顯示方式；指屏幕顯示是黑白顯示還是偽彩顯示。2.3.5 溫度測定范圍；指測定溫度的最低限與最高限的溫度值的范圍。2.3.6 測溫準確度；指紅外熱像儀測溫的最大誤差與儀器量程之比的百分數(shù)。2.3.7 最大工作時間；紅外熱像儀允許連續(xù)的工作時間。3.紅外測溫3.1 紅外測溫儀器的種類紅外測溫儀器主要有 3 種類型：紅外熱像儀、紅外熱電視、紅外測溫儀（點溫儀）。60 年代我國研制成功第一臺紅外測溫儀， 1990 年以后又陸續(xù)生產(chǎn)小目標、遠距離、適合電業(yè)生產(chǎn) 特點的測溫儀器，如西光 IRT 1200D 型、HCWX型. HCWX型; YHCW 9400 型；

18、WHD4015 型（雙瞄準， 目標 D40mm ,可達 15m） 、 WFHX330 型 （光學瞄準， 目標 D50mm,可達 30m） 。美國生產(chǎn)的 PM20、 30、 40、 50、 HAS 201 測溫儀；瑞典 AGA 公司 TPT20、 30、 40、 50 等也有較廣泛的應用。DL 500E 可以應用于 110500kV 變電設備上，圖像清晰，溫度準確。 紅外熱像儀，主要有日本 TVS- 2000、TVS- 100,美國 PM 250,瑞典 AGA THV510、550、 570。近期，國產(chǎn)紅外熱像儀在昆明研制成功，實現(xiàn)了國產(chǎn)化。3.2 紅外測溫儀工作原理了解紅外測溫儀的工作原理、

19、技術指標、 環(huán)境工作條件及操作和維修等是用戶正確地選擇和 使用紅外測溫儀的基礎。 紅外測溫儀由光學系統(tǒng)、 光電探測器、信號放大器及信號處理、顯 示輸出等部分組成。光學系統(tǒng)匯集其視場內(nèi)的目標紅外輻射能量， 視場的大小由測溫儀的光 學零件以及位置決定。 紅外能量聚焦在光電探測儀上并轉變?yōu)橄鄳碾娦盘枴?該信號經(jīng)過放 大器和信號處理電路按照儀器內(nèi)部的算法和目標發(fā)射率校正后轉變?yōu)楸粶y目標的溫度值。除此之外，還應考慮目標和測溫儀所在的環(huán)境條件， 如溫度、氣氛、 污染和干擾等因素對性能 指標的影響及修正方法。 一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長的分布 與它的表面溫度有著十分密切的關系。 因此， 通過對物體自 身輻射的紅外能量的測量， 便能準確地測定它的表面溫度， 這就是紅外輻射測溫所依據(jù)的客 觀基礎。黑體輻射定律： 黑體是一種理想化的輻射體， 它吸收所有波長的輻射能量， 沒有能量的反射 和透過，其表面的發(fā)射率為 1 。應該指出，自然界中并不存在真正的