紅外熱像儀原理
紅外熱像儀是利用紅外探測(cè)器、光學(xué)成像物鏡和光機(jī)掃描

   紅外熱像儀是利用紅外探測(cè)器、光學(xué)成像物鏡和光機(jī)掃描

系統(tǒng)（目前先進(jìn)的焦平面技術(shù)則省去了光機(jī)掃描系統(tǒng)）接受被

測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測(cè)器的光敏元

上，在光學(xué)系統(tǒng)和紅外探測(cè)器之間，有一個(gè)光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)（焦

平面熱像儀無(wú)此機(jī)構(gòu)）對(duì)被測(cè)物體的紅外熱像進(jìn)行掃描，并聚

焦在單元或分光探測(cè)器上，由探測(cè)器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信

號(hào)，經(jīng)放大處理、轉(zhuǎn)換或標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)通過(guò)電視屏或監(jiān)測(cè)器顯

示紅外熱像圖。這種熱像圖與物體表面的熱分布場(chǎng)相對(duì)應(yīng)；實(shí)

質(zhì)上是被測(cè)目標(biāo)物體各部分紅外輻射的熱像分布圖由于信號(hào)非

常弱，與可見(jiàn)光圖像相比，缺少層次和立體感，因此，在實(shí)際

動(dòng)作過(guò)程中為更有效地判斷被測(cè)目標(biāo)的紅外熱分布場(chǎng)，常采用

一些輔助措施來(lái)增加儀器的實(shí)用功能，如圖像亮度、對(duì)比度的

控制，實(shí)標(biāo)校正，偽色彩描繪等技術(shù)

    紅外熱像儀的發(fā)展

    1800年，英國(guó)物理學(xué)家F. W. 赫胥爾發(fā)現(xiàn)了紅外線，從此

開(kāi)辟了人類(lèi)應(yīng)用紅外技術(shù)的廣闊道路。在第二次世界大戰(zhàn)中，

德國(guó)人用紅外變像管作為光電轉(zhuǎn)換器件，研制出了主動(dòng)式夜視

儀和紅外通信設(shè)備，為紅外技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

    二次世界大戰(zhàn)后，首先由美國(guó)德克薩蘭儀器公司經(jīng)過(guò)近一

年的探索，開(kāi)發(fā)研制的第一代用于軍事領(lǐng)域的紅外熱成像設(shè)

備，稱(chēng)之為紅外尋視系統(tǒng)（FLIR），它是利用光學(xué)機(jī)械系統(tǒng)對(duì)

被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射掃描。由光子探測(cè)器接收兩維紅外輻射跡

象，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及一系列儀器處理，形成視頻圖像信號(hào)。這種

系統(tǒng)、原始的形式是一種非實(shí)時(shí)的自動(dòng)溫度分布記錄儀，后來(lái)

隨著五十年代銻化銦和鍺摻汞光子探測(cè)器的發(fā)展，才開(kāi)始出現(xiàn)

高速掃描及實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)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(chǔ)上以增加了測(cè)溫的功能，稱(chēng)之

為紅外熱像儀。

    開(kāi)始由于保密的原因，在發(fā)達(dá)的國(guó)家中也僅限于軍用，投

入應(yīng)用的熱成像裝置可的黑夜或濃厚幕云霧中探測(cè)對(duì)方的目

標(biāo)，探測(cè)偽裝的目標(biāo)和高速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)。由于有國(guó)家經(jīng)費(fèi)的支

撐，投入的研制開(kāi)發(fā)費(fèi)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(shí)用性，結(jié)合工業(yè)紅外探測(cè)的特點(diǎn)，采

取壓縮儀器造價(jià)。降低生產(chǎn)成本并根據(jù)民用的要求，通過(guò)減小

掃描速度來(lái)提高圖像分辨率等措施逐漸發(fā)展到民用領(lǐng)域。

    六十年代中期，AGA公司研制出第一套工業(yè)用的實(shí)時(shí)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(guò)對(duì)儀器的幾代改進(jìn)，1986年

研制的紅外熱像儀已無(wú)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(cè)量、

修改、分析、圖像采集、存儲(chǔ)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。

紅外熱像儀技術(shù)在產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測(cè)、設(shè)備在線故障診斷、安全保護(hù)以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮了正在發(fā)揮著重要作用。近二十年來(lái)，非接觸紅外熱像儀在技術(shù)上得到迅速發(fā)展，性能不斷提高，適用范圍也不斷擴(kuò)大，紅外熱像儀市場(chǎng)占有率逐年增長(zhǎng)。比起接觸式測(cè)溫方法，紅外熱成像儀有著響應(yīng)時(shí)間快、非接觸、使用安全及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。
選擇紅外熱像儀可分為三個(gè)方面：
1環(huán)境和工作條件方面，如環(huán)境溫度、窗口、顯示和輸出、保護(hù)附件等；
2．性能指標(biāo)方面：如溫度范圍、光斑尺寸、工作波長(zhǎng)、測(cè)量精度、響應(yīng)時(shí)間等；
3.其他選擇方面，如使用方便、維修和校準(zhǔn)性能以及價(jià)格等，也對(duì)測(cè)溫儀的選擇產(chǎn)生一定的影響。
隨著技術(shù)和不斷發(fā)展，紅外熱像儀最佳設(shè)計(jì)和新進(jìn)展為用戶提供了各種功能和多用途的儀器，擴(kuò)大了選擇余地。
確定測(cè)溫范圍：
測(cè)溫范圍是熱像儀最重要的一個(gè)性能指標(biāo)。每種型號(hào)的熱像儀都有自己特定的測(cè)溫范圍。因此，用戶的被測(cè)溫度范圍一定要考慮準(zhǔn)確、周全，既不要過(guò)窄，也不要過(guò)寬。根據(jù)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(guò)由發(fā)射率誤差所引起的輻射能量的變化，因此，用戶只需要購(gòu)買(mǎi)在自己測(cè)量溫度內(nèi)的紅外熱像儀。
確定目標(biāo)尺寸：
紅外熱像儀根據(jù)原理可分為單色測(cè)溫儀和雙色測(cè)溫儀(輻射比色測(cè)溫儀)。對(duì)于單色測(cè)溫儀，在進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，被測(cè)目標(biāo)面積應(yīng)充滿熱像儀視場(chǎng)。建議被測(cè)目標(biāo)尺寸超過(guò)視場(chǎng)大小的50%為好。如果目標(biāo)尺寸小于視場(chǎng)，背景輻射能量就會(huì)進(jìn)入熱像儀的視聲符支干擾測(cè)溫讀數(shù)，造成誤差。相反，如果目標(biāo)大于熱像儀的視場(chǎng)，熱像儀就不會(huì)受到測(cè)量區(qū)域外面的背景影響。
確定光學(xué)分辨率(距離系靈敏):
光學(xué)分辨率由D與S之比確定，是熱像儀到目標(biāo)之間的距離D與測(cè)量光斑直徑S之比。如果測(cè)溫儀由于環(huán)境條件限制必須安裝在遠(yuǎn)離目標(biāo)之處，而又要測(cè)量小的目標(biāo)，就應(yīng)選擇高光學(xué)分辨率的熱像儀。光學(xué)分辨率越高，即增大D：S比值，熱像儀的成本也越高。確定波長(zhǎng)范圍：目標(biāo)材料的發(fā)射率和表面特性決定熱像儀的光譜響應(yīng)或波長(zhǎng)。對(duì)于高反射率合金材料，有低的或變化的發(fā)射率。在高溫區(qū)，測(cè)量金屬材料的最佳波長(zhǎng)是近紅外，可選用0.18-1.0μm波長(zhǎng)。其他溫區(qū)可選用1.6μm、2.2μm和3.9μm波長(zhǎng)。由于有些材料在一定波長(zhǎng)是透明的，紅外能量會(huì)穿透這些材料，對(duì)這種材料應(yīng)選擇特殊的波長(zhǎng)。如測(cè)量玻璃內(nèi)部溫度選用1.0μm、2.2μm和3.9μm(被測(cè)玻璃要很厚，否則會(huì)透過(guò))波長(zhǎng)；測(cè)量玻璃內(nèi)部溫度選用5.0μm波長(zhǎng)；測(cè)低區(qū)區(qū)選用8-14μm波長(zhǎng)為宜；再如測(cè)量聚乙烯塑料薄膜選用3.43μm波長(zhǎng)，聚酯類(lèi)選用4.3μm或7.9μm波長(zhǎng)。厚度超過(guò)0.4mm選用8-14μm波長(zhǎng)；又如測(cè)火焰中的CO2用窄帶4.24-4.3μm波長(zhǎng)，測(cè)火焰中的CO用窄帶4.64μm波長(zhǎng)，測(cè)量火焰中的NO2用4.47μm波長(zhǎng)。
確定響應(yīng)時(shí)間：
響應(yīng)時(shí)間表示紅外熱像儀對(duì)被測(cè)溫度變化的反應(yīng)速度，定義為到達(dá)最后讀數(shù)的95%能量所需要時(shí)間，它與光電探測(cè)器、信號(hào)處理電路及顯示系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)有關(guān)?，F(xiàn)在的紅外熱像儀的反映速度都很快。這要比接觸式測(cè)溫方法快得多。如果目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度很快或測(cè)量快速加熱的目標(biāo)時(shí)，要選用快速響應(yīng)紅外熱像儀，否則達(dá)不到足夠的信號(hào)響應(yīng)，會(huì)降低測(cè)量精度。然而，并不是所有應(yīng)用都要求快速響應(yīng)的紅外熱像儀。對(duì)于靜止的或目標(biāo)熱過(guò)程存在熱慣性時(shí)，紅外熱像儀的響應(yīng)時(shí)間就可以放寬要求了。因此，紅外熱像儀響應(yīng)時(shí)間的選擇要和被測(cè)目標(biāo)的情況相適應(yīng)。
環(huán)境條件考慮：
熱像儀所處的環(huán)境條件對(duì)測(cè)量結(jié)果有很大影響，應(yīng)加以考慮并適當(dāng)解決，否則會(huì)影響測(cè)溫精度甚至引起熱像儀的損壞。當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)高、存在灰塵、煙霧和蒸汽的條件下，可選用廠商提供的保護(hù)套、水冷卻、空氣冷卻系統(tǒng)、空氣吹掃器等附件。這些附件可有效地解決環(huán)境影響并保護(hù)熱像儀，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)溫。在確定附件時(shí)，應(yīng)盡可能要求標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)，以降低安裝成本。在密封的或危險(xiǎn)的材料應(yīng)用中(如容器或真空箱)，熱像儀通過(guò)窗口進(jìn)行觀測(cè)。材料必須有足夠的強(qiáng)度并能通過(guò)所用測(cè)溫儀的工作波長(zhǎng)范圍。還要確定操作工是否也需要通過(guò)窗口進(jìn)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(cè)量應(yīng)用中，通常用Ge或Si材料作為窗口，不透可見(jiàn)光，人眼不能通過(guò)窗口觀察目標(biāo)。如操作員需要通過(guò)窗口目標(biāo)，應(yīng)采用既透紅外輻射又透過(guò)可見(jiàn)光的光學(xué)材料，如應(yīng)采用既透紅外輻射又透過(guò)可見(jiàn)光的光學(xué)材料，如ZnSe或BaF2等作為窗口材料。
操作簡(jiǎn)單，使用方便：
紅外熱像儀應(yīng)該是直觀的，操作簡(jiǎn)單，易于被操作人員使用，其中便攜式紅外熱像儀是一種集測(cè)溫和顯示輸出為一體的小型、輕便、由人攜帶進(jìn)行測(cè)溫的儀器，在顯示面板上可顯示溫度和輸出各種溫度信息，有的可通過(guò)遙控或通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件程序操作。在環(huán)境條件惡劣復(fù)雜的情況下，可以選擇測(cè)溫頭和顯示器分開(kāi)的系統(tǒng)，以便于安裝和配置。可選擇與現(xiàn)行控制設(shè)備相匹配的信號(hào)輸出形式。紅外輻射熱像儀的標(biāo)定：紅外熱像儀必須經(jīng)過(guò)標(biāo)定才能使它正確地顯示出被測(cè)目標(biāo)的溫度。如果所用的測(cè)溫儀在使用中出現(xiàn)測(cè)溫超差，則需退回廠家或維修中心重新標(biāo)定。

正確使用紅外熱像儀 的過(guò)程：
1)調(diào)整焦距
2)選擇正確的測(cè)溫范圍
3)了解最大測(cè)量距離
4)僅僅要求生成清晰紅外熱圖像，還是同時(shí)要求精確測(cè)溫？
5)工作背景單一
6)保證測(cè)量過(guò)程中儀器平穩(wěn)

1)調(diào)整焦距
您可以在紅外圖像存儲(chǔ)后對(duì)圖像曲線進(jìn)行調(diào)整，但是您無(wú)法在圖像存儲(chǔ)后改變焦距，也無(wú)法消除其他雜亂的熱反射。保證第一時(shí)間操作正確性將避免現(xiàn)場(chǎng)的操作失誤。仔細(xì)調(diào)整焦距！如果目標(biāo)上方或周?chē)尘暗倪^(guò)熱或過(guò)冷的反射影響到目標(biāo)測(cè)量的精確性時(shí)，試著調(diào)整焦距或者測(cè)量方位，以減少或者消除反射影響。(FoRD的意思是：Focus焦距，Range范圍, Distance距離)
2)選擇正確的測(cè)溫范圍
您是否了解現(xiàn)場(chǎng)被測(cè)目標(biāo)的測(cè)溫范圍？為了得到正確的溫度讀數(shù)，請(qǐng)務(wù)必設(shè)置正確的測(cè)溫范圍。當(dāng)觀察目標(biāo)時(shí)，對(duì)儀器的溫度跨度進(jìn)行微調(diào)將得到最佳的圖像質(zhì)量。這也將同時(shí)會(huì)影響到溫度曲線的質(zhì)量和測(cè)溫精度。
3)了解最大的測(cè)量距離
當(dāng)您測(cè)量目標(biāo)溫度時(shí)，請(qǐng)務(wù)必了解能夠得到精確測(cè)溫讀數(shù)的最大測(cè)量距離。對(duì)于非制冷微熱量型焦平面探測(cè)器，要想準(zhǔn)確地分辨目標(biāo)，通過(guò)熱像儀光學(xué)系統(tǒng)的目標(biāo)圖像必須占到9個(gè)像素，或者更多。 如果儀器距離目標(biāo)過(guò)遠(yuǎn)，目標(biāo)將會(huì)很小，測(cè)溫結(jié)果將無(wú)法正確反映目標(biāo)物體的真實(shí)溫度，因?yàn)榧t外熱像儀此時(shí)測(cè)量的溫度平均了目標(biāo)物體以及周?chē)h(huán)境的溫度。為了得到最精確的測(cè)量讀數(shù)，請(qǐng)將目標(biāo)物體盡量充滿儀器的視場(chǎng)。顯示足夠的景物，才能夠分辨出目標(biāo)。與目標(biāo)的距離不要小于熱像儀光學(xué)系統(tǒng)的最小焦距，否則不能聚焦成清晰的圖像。
4)僅僅要求生成清晰紅外熱圖像，還是同時(shí)要求精確測(cè)溫？
這之間有什么區(qū)別嗎？一條量化的溫度曲線可用來(lái)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的溫度情況，也可以用來(lái)編輯顯著的溫升情況。清晰的紅外圖像同樣十分重要。但是如果在工作過(guò)程中，需要進(jìn)行溫度測(cè)量，并要求對(duì)目標(biāo)溫度進(jìn)行比較和趨勢(shì)分析，便需要記錄所有影響精確測(cè)溫的目標(biāo)和環(huán)境溫度情況，例如發(fā)射率，環(huán)境溫度，風(fēng)速及風(fēng)向，濕度，熱反射源等等。
5)工作背景單一
例如，天氣寒冷的時(shí)候，在戶外進(jìn)行檢測(cè)工作時(shí)，你將會(huì)發(fā)現(xiàn)大多數(shù)目標(biāo)都是接近于環(huán)境溫度的。當(dāng)在戶外工作時(shí)，請(qǐng)務(wù)必考慮太陽(yáng)反射和吸收對(duì)圖像和測(cè)溫的影響。因此，有些老型號(hào)的紅外熱像儀只能在晚上進(jìn)行測(cè)量工作，以避免太陽(yáng)反射帶來(lái)的影響。
6)保證測(cè)量過(guò)程中儀器平穩(wěn)
現(xiàn)在所有的長(zhǎng)波FLIR紅外熱像儀都有固定的幀頻速率，因此在拍攝圖像過(guò)程中，由于儀器移動(dòng)可能會(huì)引起圖像模糊。為了達(dá)到最好的效果，在凍結(jié)和記錄圖像的時(shí)候，應(yīng)盡可能保證儀器平穩(wěn)。當(dāng)按下存儲(chǔ)按鈕時(shí)，應(yīng)盡量保證輕緩和平滑。即使輕微的儀器晃動(dòng)，也可能會(huì)導(dǎo)致圖像不清晰。推薦在您胳膊下用支撐物來(lái)穩(wěn)固，或?qū)x器放置在物體表面，或使用三腳架。