红外热成像原理

作者：北京华泰科捷科技有限公司

欢迎访问e展厅 展厅 5 无损检测仪器展厅 金属探测仪, X射线检测仪, 工业CT, 涂层测厚仪, 探伤仪, 红外热像仪,... 波长为2.0~1000μm的部分称为热红外线。我们周围的物体只有当它们的温度高达1000℃以上时，才能够发出可见光。相比之下，我们周围所有温度在绝对零度（-273℃）以上的物体，都会不停地发出热红外线。所以，热红外线（或称热辐射）是自然界中存在最为广泛的辐射。热辐射除存在的普遍性之外，还有另外两个重要的特性。 1．大气、烟云等吸收可见光和近红外线，但是对3~5μm和8~14μm的热红外线却是透明的。因此，这两个波段被称为热红外线的“大气窗口” 。利用这两个窗口，可以使人们在完全无光的夜晚，或是在烟云密布的战场，清晰地观察到前方的情况。正是由于这个特点，热红外成像技术军事上提供了先进的夜视装备并为飞机、舰艇和坦克装上了全天候前视系统。这些系统在海湾战争中发挥了非常重要的作用。 2．物体的热辐射能量的大小，直接和物体表面的温度相关。热辐射的这个特点使人们可以利用它来对物体进行无接触温度测量和热状态分析，从而为工业生产，节约能源，保护环境等等方面提供了一个重要的检测手段和诊断工具。 现代的热成像装置工作在中红外区域（波长3~5μm）或远红外区域（波长8~12μm）。通过探测物体发出的红外辐射，热成像仪产生一个实时的图像，从而提供一种景物的热图像。并将不可见的辐射图像转变为人眼可见的、清晰的图像。热成像仪非常灵敏，能探测到小于0.1℃的温差。 工作时，热成像仪利用光学器件将场景中的物体发出的红外能量聚焦在红外探测器上，然后来自与每个探测器元件的红外数据转换成标准的视频格式，可以在标准的视频监视器上显示出来，或记录在录像带上。由于热成像系统探测的是热而不是光，所以可全天候使用；又因为它完全是被动式的装置，没有光辐射或射频能量，所以不会暴露使用者的位置。 红外探测器分为两类：光子探测器和热探测器。光子探测器在吸收红外能量后，直接产生电效应；热探测器在吸收红外能量后，产生温度变化，从而产生电效应。温度变化引起的电效应与材料特性有关。 光子探测器非常灵敏，其灵敏度依赖于本身温度。要保持高灵敏度，就必须将光子探测器冷却至较低的温度。通常采用的冷却剂为斯太林（Stirling）或液氮。 热探测器一般没有光子探测器那么高的灵敏度但在室温下也有足够好的性能，因此不需要低温冷却。 红外与热成像什么关系 红外热像仪是通过非接触探测红外热量，并将其转换生成热图像和温度值，进而显示在显示器上，并可以对温度值进行计算的一种检测设备。红外热像仪能够将探测到的热量精确量化，能够对发热的故障区域进行准确识别和严格分析。 照相机成像得到照片，电视摄像机成像得到电视图像，都是可见光成像。自然界中，一切物体都可以辐射红外线，因此利用探测仪测定目标的本身和背景之间的红外线差并可以得到不同的红外图像，热红外线形成的图像称为热图。 目标的热图像和目标的可见光图像不同，它不是人眼所能看到的目标可见光图像，而是目标表面温度分布图像，换一句话说，红外热成像使人眼不能直接看到目标的表面温度分布，变成人眼可以看到的代表目标表面温度分布的热图像。 浅谈红外热像仪 简单地讲：红外热像仪就是利用某些特殊的材料对红外光辐射能产生某些物理量的变化的特性，然后把这种变量转化成电信号，经过调制后再转变成图象并测温。这些特殊的材料多为：碲镉汞、锑化铟、铂化硅、氧化钒、硅掺杂（或多晶硅）等等。市场上所谓的“制冷”和“非制冷”之分，实际上是指有无制冷器而言。 红外热像仪本身并不发射红外，它只是被动地吸收而已。这有两重含义：第一，这种特征加上自然界任何物体都对外辐射红外信号的特点，使之成为军事价值极高的设备；第二，考虑到红外线在空气中衰减的幅度，作为高灵敏度探测器材料的要求是何等的高！尤其是要考虑红外热像仪本身也有红外辐射的干扰时。因此，从红外热像仪诞生那天开始，对它的技术保密级别及它的价格都非常的高。这里，我们还姑且不谈红外探测器的生产工艺的难度和成品率。 我们知道：自然界一切温度在绝对零度-273.15°C以上的物体，由于自身的分子热运动都在不停地向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波，其光谱范围比较广。分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之辐射的能量愈小。而现阶段的红外热像仪都只能对其中某一小段光谱范围的红外光产生反应。比如：3～5μm 或8～14μm，也就是所谓的“大气窗口”——大气、烟云等吸收可见光和近红外线，但是对3~5μm和8~14μm的热红外线却受影响较小。因此，这两个波段被称为热红外线的“大气窗口”。同时，物体向外发射的辐射强度取决于目标物体的温度和物体表面材料的辐射特性。同一种物质在不同的状况下（表面光洁度、环境温度、氧化程度等等），向外辐射红外能量的能力都不同，这种能力与假象中的黑体的比值就是该物质在该温度下的发射率。（黑体是一种理想化的辐射体，它吸收所有波长的辐射能量，没有能量的反射和透过，其表面的发射率为1。）应该指出，自然界中并不存在真正的黑体。 也就是说，红外热像仪能否观察到物体，取决于该红外热像仪的温度分辨率和空间分辨率以及被测物体表面的红外辐射强度和面积，我们甚至可以大略地理解为：温度分辨率即是最小可辨温差的能力，空间分辨率是显示这种温差的能力。现阶段温度分辨率是以NETD实验条件下，环境温度为30℃时探测器的最小可辨温差，而不是热像仪整机的温度分辨率。因为探测器本身的背景噪音如果为0.06℃时，后续处理所带来的背景噪音叠加后肯定要高于0.06℃，至于能达到多少，那就要看各个厂家后续电子线路版块的设计和处理能力了。这里值得说明的是：温度分辨率和测温精度是两回事。前者是最小可辨温差的能力；后者是重复测量的平均温差。刚接触红外热像仪的朋友通常会混淆这两个概念。空间分辨率不能等同于视场角，视场角是指镜头而言，空间分辨率实际是指红外热像仪整机的分辨能力，它与探测器、电路、镜头有关，是个综合指数，以mrad为单位，1.0mrad即千分之一弧度。 这里，还要介绍一下像素数。通常我们看到国内外的红外生产厂家在其产品技术参数上标明：320×240、160×120、120×120甚至是382×288、640×480，这一般是指探测器聚焦平面阵列数，可以理解为：单元探测器的数量，那当然是越多越好了。 这里要补充一点：现在国外有些厂家因受某些技术或条约的约束，还不能向中国出口高分辨率及高像素的红外热像仪或探测器，但出于资本的本能又希望进入中国市场，于是，采取了插值算法以提高显示像素数，同时又不违反所谓的条约。与此应注意“帧频”指标，即扫描速度。现在市面上出现了一些帧频为9HZ的进口红外热像仪，在某些行业的红外热像仪应用上，我国是有限制规定的。 顺便插一段：所谓的 “短波”红外和“长波”红外通常就是指探测波谱范围为3～5μm和8～14μm的红外热像仪。两者各有千秋。比如说：探测波谱范围为3～5μm短波红外热像仪通常为制冷型红外热像仪，材料一般为：碲镉汞、锑化铟、铂化硅等，多用于军事及测高温领域。分辨率一般较高。但由于制冷元件的成本高，导致价格贵。也正是制冷元件的故障率较高及制冷效果的衰退，导致其在工业领域使用范围的日见萎缩。而且，这些制冷仪器从开机到能够使用，通常要等10分钟左右——制冷器正常工作后，这在现场工作中是很不方便的。更不用谈制冷型红外热像仪相对比较重了；非制冷红外热像仪的材料一般为：氧化钒、硅掺杂（或多晶硅），多为8～14μm的红外热像仪。开机即用，成本较低，轻便小巧，维护方便，其探测器的稳定性及分辨能力相对较差（由于科技的发展，其分辨率也越来越高了）。被广泛应用于电力、化工、消防等领域。 这里，还有一个有趣的故事：当初非制冷红外热像仪刚出现在市场时，为了和早期制冷型红外热像仪竞争，有些人士曾屡屡提到阳光干扰问题。有一种说法是：短波红外热像仪（3～5μm）易受阳光干扰，而长波红外热像仪（8～14μm）不受阳光干扰；因此，长波红外可以在白天工作，而短波红外热像仪不行。的确，阳光是有干扰，但是，阳光照射物体表面发生发射或衍射时，其光谱范围跨越了3～5μm的同时也跨越了8μm的范围，也就是说：阳光对两者皆有干扰，轻重不同而已。谁也不敢说：拿长波红外热像仪白天检测就能避免因阳光干扰而产生的误判断！否则，我国相关检测规程中也不会建议：在使用红外热像仪进行检测时，尽量在“日出之前、日落之后”或阴天。其实，这种干扰还包含另外两个因素：第一，阳光照射会使被检测设备本身升温，该温升与设备故障部位的温升有可能叠加，造成漏检或误判断；第二，阳光照射对使用液晶屏作为显像器的红外来说，对人的肉眼是有很大的干扰的。 红外热像仪除了能显示物体表面的热状态分布图之外，还有一个特点：非接触测温。这个功能，在当年的“非典”中应用是非常广泛的。但是，笔者认为：红外在“非典”中的应用，对普及红外热像仪相关知识有一定的作用；可在某些地方的应用方式上却是有待商榷的。我们知道：人体是个恒温体，传统测温所采取的部位是：腋窝、口腔、直肠。其中，直肠的温度最高也最接近人体内部温度。体表呢？——要知道红外热像仪只能测量表面的热辐射（体表的不同位置温度也不一定相同，但多在26度到31度左右），而人又分男女、老少，每个人在体表热辐射上都有差异，同时，同一个人在24小时内的体表温度也是有差异的。你怎么能排除人受环境的影响？（比如说人多而空间小、有空调、刚喝过热水吃过饭、刚运动过、心情紧张等等）由于人有这些特性，即使你用相对温差法或热谱图法也无法准确判断。 红外热像仪能测温实际上是通过黑体恒温（可调）炉对红外热像仪先定标它的温度曲线，定标的点越多，测温相对越准。也就是说：没有哪一家（无论是国外的还是国内的红外厂家），也无论你是高档的红外热像仪还是低端红外热像仪，都不可能无限止地标定无数个点，那样是不现实也不经济的——这一点对于人工成本高的国外产品来说，也是个不好的消息。即：谁的测温都不可能准确。这种标定是和每个探测器本身的特性相关，所以，每台红外热像仪，只要你测温，这道工序是不可避免的。最麻烦的是：红外探测器在工作或放置一段时间后，其材料的老化也是不可避免的——不管你是氧化矾还是硅掺杂（或多晶硅）或者别的什么材料，材料的特性发生改变，测温曲线就得重新标定，否则测温就不可能准确！虽然说非制冷焦平面号称免维护机型，可以工作5万或8万小时，但这与测温准确性无关，是指成像而已。何况，空气中的水分，CO，CO2、灰尘对，红外线的衰减作用，谁也无法去量化——它是流动的、非线性的且各区域在不同时间内是变化的。于是，关于“环境参数自动校正”“大气穿透率自动校正:”等参数就出现在我们面前了。那估计是各个厂家自己的经验参数吧！ 相关人士在谈及该问题时，开玩笑说：“红外热像仪测温是绝对不准的，发现相对温差的能力是一流的。”当然，这只是和接触式测温相比而言。应该说红外热像仪测温虽然有误差，但还是比较准确的。 另外，我们国家有些行业已制订的检测规则中规定：用红外热像仪检测带电、高温的设备的方法是：1，热谱图法2，相对温差法。 从核心技术的角度来说，国内工业红外热像仪行业根本没有什么可以自豪的地方。因为非制冷焦平面探测器制造技术完全国外厂家手中，我们面临的是长期的技术封锁。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (8/5/2010)