紅外線檢測（紅外輻射檢測）的原理以及紅外測溫儀

紅外線檢測（紅外輻射檢測）的原理以及紅外測溫儀

紅外線檢測（紅外輻射檢測）的原理

無損檢測技術方法中的紅外線檢測（紅外輻射檢測）的實質是利用物體輻射紅外線的特點進行非接觸的紅外溫度記錄法。
紅外線是一種電磁波，具有與無線電波及可見光一樣的本質，波長在0.76～100μm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，它在電磁波連續頻譜中的位置是處于無線電波與可見光之間的區域。紅外線輻射是自然界存在的一種為廣泛的電磁波輻射，它是基于任何物體在常規環境下都會產生自身的分子和原子無規則的運動，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。

一切溫度在零度（-273.15K°）以上的物體，都會因自身的分子運動而不停地向周圍空間輻射出紅外線，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。通過紅外線輻射的探測器將物體輻射的功率信號轉換成電信號后（對物體自身輻射的紅外能量的測量），就能準確地測定它的表面溫度，或者通過成像裝置的輸出信號就可以*一一對應地模擬掃描物體表面溫度的空間分布，經電子系統處理，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，便能實現對目標進行遠距離熱狀態圖像成像和測溫并進行分析判斷，亦即紅外輻射檢測的基本原理。
普朗克黑體輻射定律：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，其表面的發射率為1。雖然自然界中并不存在真正的黑體，但是為了弄清和獲得紅外輻射分布規律，在理論研究中必須選擇合適的模型，這就是普朗克提出的體腔輻射的量子化振子模型，從而導出了普朗克黑體輻射的定律，即以波長表示的黑體光譜輻射度，這是一切紅外輻射理論的出發點，故簡稱黑體輻射定律。
自然界中存在的實際物體，幾乎都不是黑體。所有實際物體的輻射量除依賴于輻射波長及物體的溫度之外，還與構成物體的材料種類、制備方法、熱過程以及表面狀態和環境條件等因素有關。因此，為使黑體輻射定律適用于所有實際物體，必須引入一個與材料性質及表面狀態有關的比例系數，即發射率。該系數表示實際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，其值在零和小于1的數值之間。根據輻射定律，只要知道了材料的發射率，就知道了任何物體的紅外輻射特性。
根據材料的熱擴散率（發射率）：a=k/(ρ·c)，式中：k-材料的導熱率；ρ-材料質量體密度；c-材料的比熱
可知熱擴散率（發射率）與材料性質有關。對于均勻無缺陷的材料，a為常數。當在均勻材料中有缺陷存在時，缺陷相當于具有另一熱擴散率的材料，因而有缺陷部分與無缺陷部分的熱狀態不同，表現在材料表面有不同。熱傳導的差異在材料表面形成時間和空間上的溫度梯度，即溫度擾動：△T=Tf-T，式中：△T-溫度擾動；Tf-有缺陷處的材料表面溫度；T-無缺陷處的材料表面溫度。△T不僅與材料的熱擴散率有關，而且與缺陷的幾何尺寸和埋藏深度有關。
當材料表面的溫度差大于紅外熱象儀的小可測溫度時，即可在熱象儀上觀察試件表面溫度分布的熱圖像，分析判斷材料中是否存在缺陷，從而達到檢測目的。也就是說：影響發射率的主要因素與材料種類、表面粗糙度、理化結構和材料厚度等相關。
如果通過在試件背面或正面加熱（人工或自然加熱），從而向被檢試件注入一定的熱量（主動式），以便進行的紅外檢測屬于主動式紅外檢測。依靠物體自身熱輻射而對其溫度場被動成象的紅外檢測屬于被動式紅外檢測。例如利用試件自身存在的熱源（被動式），當試件內部存在缺陷時，因為缺陷的導熱性與母體材料的導熱性有差異，可以測量這種差異從而檢出缺陷。
目前常用的紅外檢測方式仍以被動式紅外檢測為多。被動式紅外檢測除了在工業上用于設備、構件等的熱點檢測外，在軍事上應用如紅外夜視儀、紅外瞄準鏡等，在醫學上可應用于檢查人體溫度異常區域，例如2003年的薩斯（SARS）流行期間安置于機場、車站等人流密集的地方監視人體額頭部位有無發熱就是一個典型的應用實例。
紅外檢測（紅外診斷技術）是一種在線監測的檢測技術，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，從而判斷設備發熱情況。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。紅外熱電視、紅外熱像儀等設備利用熱成像技術能將這種看不見的“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變化，準確反映設備內部、外部的發熱情況，可靠性高，對發現設備隱患非常有效。紅外熱成像系統已經在電力、消防、石化以及醫療等領域得到了廣泛的應用。
紅外測溫技術在產品質量控制和監測、設備在線故障診斷、安全保護以及節約能源等方面發揮了重要作用。
紅外檢測技術的優點是能非接觸遙控測量，直接顯示實時圖像，靈敏度較高，檢測速度快。紅外熱象儀結構簡單，使用安全，信息數據處理速度快，并能實現自動化檢測和*性記錄，在檢測時受試件表面光潔度影響小等。因此，紅外檢測已廣泛應用于金屬、非金屬構件，尤其適用于導熱系數低的材料，如檢測復合材料、膠接結構和疊層結構中的孔洞、裂紋、分層和脫粘類缺陷，還可用于聚合物、橡膠、尼龍、膠紙板、石棉、有機玻璃、水泥制品、陶瓷等的質量檢測，對固體火箭發動機整體或殼體、航空發動機噴管、渦輪葉片、電子儀器的整機或組件（如印刷電路板、集成電路塊等）的溫度監控，可以檢查元件的質量、釬焊質量及工作狀態，并且在電力設備（如發電機組的換向觸點、變壓器、高壓瓷瓶、高壓開關與觸頭、輸變電線路等）的熱點檢測、鐵路車輛的熱軸檢測、建筑工程中墻體構造異常和墻飾面層質量的檢測，以及石油化工、采暖、節能等多方面都獲得了應用。
紅外檢測的缺點是由于檢測靈敏度與熱輻射率相關，因此受試件表面及背景輻射的干擾，受缺陷大小、埋藏深度的影響，對原試件分辨率差，不能測定缺陷的形狀、大小和位置。在檢測時對時間-溫度關系要求嚴格，需要使用如液氮冷卻的探測器（新型的紅外熱象儀已經不需要采用液氮或高壓氣冷卻，而以熱電方式致冷，可用電池供電），檢測結果的解釋比較復雜，需要有參考標準，檢測操作人員需要經過培訓等。新一代的紅外熱象儀已經能夠將溫度的測量、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。

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選擇紅外測溫儀時的考慮主要有以下方面：
（1）性能指標方面，如：
測溫范圍：每種型號的測溫儀都有自己特定的測溫范圍，既不要過窄，也不要過寬，一般來說，測溫范圍越窄，監控溫度的輸出信號分辨率越高，精度可靠性容易解決。測溫范圍過寬，會降低測溫精度
工作波長：根據黑體輻射定律，在光譜的短波段由溫度引起的輻射能量的變化將超過由發射率誤差所引起的輻射能量的變化，因此，測溫時應盡量選用短波較好，但是還必須結合被檢測對象考慮發射率的因素：
目標材料的發射率和表面特性決定測溫儀的光譜相應波長，對于高反射率合金材料，有低的或變化的發射率。在高溫區，測量金屬材料的jia波長是近紅外，可選用0.8~1.0μm。其他溫區可選用1.6、2.2和3.9μm。由于有些材料在一定波長上是透明的，紅外能量會穿透這些材料，對這種材料應選擇特殊的波長，如測量玻璃內部溫度選用波長1.0、2.2和3.9μm（被測玻璃要很厚，否則會透過）；測玻璃表面溫度選用5.0μm；測低溫區選用8~14μm為宜，又如測量聚乙烯塑料薄膜選用3.43μm，聚酯類選用4.3或7.9μm，厚度超過0.4mm的選用8~14μm，如測火焰中的CO用窄帶4.64μm，測火焰中的NO2用4.47μm等。
光點尺寸：測溫儀測量點的面積稱為“光點尺寸”（spot size），為了獲得的溫度讀數，測溫儀與測試目標之間的距離必須有合適的范圍，距離目標越遠，光點尺寸就越大。因此在應用中要注意距離與光點尺寸的比率，或稱D：S。在確定測量距離時，應注意使目標直徑等于或大于受測的光點尺寸。如果目標小于受測的光點尺寸，則測溫儀將同時在測量背景物體的溫度，從而降低了讀數的性。
紅外測溫儀根據原理可分為單色測溫儀和雙色測溫儀（輻射比色測溫儀）。對于單色測溫儀，在進行測溫時，被測目標面積應充滿測溫儀視場。一般建議被測目標尺寸超過視場大小的50%為好。如果目標尺寸小于視場，背景輻射能量就會進入測溫儀的視場干擾測溫讀數，造成誤差。對于雙色測溫儀，其溫度是由兩個獨立的波長帶內輻射能量的比值來確定的。因此當被測目標很小，不能充滿視場，測量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋，對輻射能量有衰減時，都不會對測量結果產生重大影響。對于細小而又處于運動或震動之中的目標，有時在視場內運動，或可能部分移出視場的目標，在此條件下，使用雙色測溫儀將更為適宜。如果測溫儀和目標之間不可能直接瞄準，測量通道彎曲、狹小、受阻等情況下，選用雙色光纖測溫儀是適宜的。這是由于其直徑小，有柔性，可以在彎曲、阻擋和折疊的通道上傳輸光輻射能量，因此可以測量難以接近、條件惡劣或靠近電磁場的目標。
距離系數（光學分辨率）由D：S之比確定，即測溫儀探頭到目標之間的距離D與光點直徑之比。如果測溫儀由于環境條件限制必須安裝在遠離目標之處，而又要測量小的目標，就應選擇高光學分辨率的測溫儀，光學分辨率越高，亦即增大了D：S比值。如果測溫儀遠離目標，而目標又小，就應選擇高距離系數的測溫儀。對于固定焦距的測溫儀，在光學系統焦點處為光斑小位置，近于和遠于焦點位置光斑都會增大。存在兩個距離系數。因此，為了能在接近和遠離焦點的距離上準確測溫，被測目標尺寸應大于焦點處光斑尺寸，變焦測溫儀有一個小焦點位置，可根據到目標的距離進行調節。增大D：S，接收的能量就減少，如不增大接收口徑，距離系數D：S很難做大。
響應時間：表示紅外測溫儀對被測溫度變化的反應速度，定義為到達后讀數的95%能量所需要時間，它與光電探測器、信號處理電路及顯示系統的時間常數有關。如果目標的運動速度很快或測量快速加熱的目標時，要選用快速響應紅外測溫儀，否則達不到足夠的信號響應，會降低測量精度。對于靜止的或目標熱過程存在熱慣性時，測溫儀的響應時間則可以放寬要求。因此，紅外測溫儀響應時間的選擇要和被測目標的情況相適應，主要根據目標的運動速度和目標的溫度變化速度。對于靜止的目標或目標參在熱慣性，或現有控制設備的速度受到限制，測溫儀的響應時間就可以放寬要求。
信號處理功能：鑒于離散過程（如零件生產）和連續過程不同，要求紅外測溫儀應具有多種信號處理功能（如峰值保持、谷值保持、平均值），如測量傳送帶上的瓶子溫度時，就要用峰值保持功能將其溫度的輸出信號傳送至控制器內，否則測溫儀會讀出瓶子之間的較低的溫度值。若用峰值保持，則應設置測溫儀響應時間稍長于瓶子之間的時間間隔，這樣至少有一個瓶子總是處于測量之中。
（2）環境和工作條件方面，如：
保護附件：測溫儀所處的環境條件對測量結果有很大影響，如不適當解決，將會影響測溫精度甚至引起損壞。當環境溫度高，存在灰塵、煙霧和蒸汽的條件下，可選用廠商提供的保護套、水冷卻、空氣冷卻系統、空氣吹掃器等附件。這些附件可有效地解決環境影響并保護測溫儀，實現準確測溫。當在噪聲、電磁場、震動或難以接近環境條件下，或其他惡劣條件下，煙霧、灰塵或其他顆粒降低測量能量信信號時，較適宜的是選用光纖雙色測溫儀。
窗口材料：在密封的或危險的材料應用中（如容器或真空箱），測溫儀需要通過窗口進行觀測。窗口材料必須有足夠的強度并能通過所用測溫儀的工作波長范圍。還要確定操作工是否也需要通過窗口進行觀察，因此要選擇合適的安裝位置和窗口材料，避免相互影響。在低溫測量應用中，通常用Ge或Si材料作為窗口，不透可見光，人眼不能通過窗口觀察目標。如操作員需要通過窗口觀測目標，應采用既透紅外輻射又透過可見光的光學材料，如ZnSe或BaF2等作為窗口材料。
當測溫儀工作環境中存在易ran氣體時，可選用安全型紅外測溫儀在一定濃度的易ran氣體環境中進行安全測量和監視。
在環境條件惡劣復雜的情況下，可選擇測溫頭和顯示器分開的系統以便于安裝和配置及選擇與現行控制設備相匹配的信號輸出形式。
（3）其他選擇方面，如操作簡單、使用方便、維修和校準性能以及價格等。 
例如便攜式紅外測溫儀，這是一種集測溫和顯示輸出為一體的小型、輕便、由人攜帶進行測溫的儀器，在顯示面板上可顯示溫度和輸出各種溫度信息，有的還可通過遙控或通過計算機軟件程序操作。
注意：紅外輻射測溫儀必須經過標定才能使它正確地顯示出被測目標的溫度。如果所用的測溫儀在使用中出現測溫超差，則需退回廠家或維修中心重新標定。