紅外測溫儀工作原理及應用

1.概述 

　　紅外測溫技術在生產過程中，在產品質量控制和監(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，關系到電網的穩(wěn)定，提出了越來越高的要求。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)相比，熱像儀可在一定距離內實時、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-20℃～2000℃的寬量程內以0.05℃的高分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，比室內其他溫度的批示數(shù)值高。經過反復試驗，這個所謂熱量較多的高溫區(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見光一樣的本質，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0.76～100μm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(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較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，經放大處理、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)展奠定了基礎。 
二次世界大戰(zhàn)后，首先由美國德克薩蘭儀器公司經過近一年的探索，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；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的PC卡上，即完成全部操作，各種參數(shù)的設定可回到室內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，紅外熱成像系統(tǒng)已經在電力、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3～5μm及8～14μm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3～5μm或8～12μm。 
　　2.3.2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（PnSe）、碲化銦（InSb）、碲鎘汞（HgCdTe）、碲錫鉛（PbSnTe）、鍺摻雜（Ge：X）和硅摻雜（Si：X）等。 
　　2.3.3掃描制式；一般為我國標準電視制式，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。