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關(guān)于紅外測(cè)溫儀原理

瀏覽次數(shù):2003發(fā)布日期:2016-07-21
 1、紅外線測(cè)溫儀概述

   紅外線測(cè)溫儀技術(shù)在生產(chǎn)過程中,在產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測(cè),設(shè)備在線故障診斷和安全保護(hù)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(cè)溫儀在技術(shù)上得到迅速發(fā)展,性能不斷完善,功能不斷增強(qiáng),品種不斷增多,適用范圍也不斷擴(kuò)大,*逐年增長(zhǎng)。比起接觸式測(cè)溫方法,紅外線測(cè)溫儀有著響應(yīng)時(shí)間快、非接觸、使用安全及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。非接觸紅外線測(cè)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(jì)算機(jī)軟件,每一系列中又有各種型號(hào)及規(guī)格。在不同規(guī)格的各種型號(hào)測(cè)溫儀中,正確選擇紅外線測(cè)溫儀型號(hào)對(duì)用戶來說是十分重要的。紅外檢測(cè)技術(shù)是“九五”國家科技成果重點(diǎn)推廣項(xiàng)目,紅外檢測(cè)是一種在線監(jiān)測(cè)不停電式高科技檢測(cè)技術(shù),它集光電成像技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)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(zhǔn)確判斷物體表面的溫度分布情況,具有準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、快速等優(yōu)點(diǎn)。任何物體由于其自身分子的運(yùn)動(dòng),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(chǎng),俗稱“熱像”。紅外診斷技術(shù)正是通過吸收這種紅外輻射能量,測(cè)出設(shè)備表面的溫度及溫度場(chǎng)的分布,從而判斷設(shè)備發(fā)熱情況。目前應(yīng)用紅外診技術(shù)的測(cè)試設(shè)備比較多,如紅外測(cè)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(shè)備利用熱成像技術(shù)將這種看不見的“熱像”轉(zhuǎn)變成可見光圖像,使測(cè)試效果直觀,靈敏度高,能檢測(cè)出設(shè)備細(xì)微的熱狀態(tài)變化,準(zhǔn)確反映設(shè)備內(nèi)部、外部的發(fā)熱情況,可靠性高,對(duì)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患非常有效。紅外診斷技術(shù)對(duì)電氣設(shè)備的早期故障缺陷及絕緣性能做出可靠的預(yù)測(cè),使傳統(tǒng)電氣設(shè)備的預(yù)防性試驗(yàn)維修預(yù)防試驗(yàn)是 50 年代引進(jìn)前蘇聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)提高到預(yù)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(jī)組、超高電壓的發(fā)展,對(duì)電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行,關(guān)系到電網(wǎng)的穩(wěn)定,提出了越來越高的要求。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展成熟與日益完善,利用紅外狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)具有遠(yuǎn)距離、不接觸、不取樣、不解體,又具有準(zhǔn)確、快速、直觀等特點(diǎn),實(shí)時(shí)地在線監(jiān)測(cè)和診斷電氣設(shè)備大多數(shù)故障幾乎可以覆蓋所有電氣設(shè)備各種故障的檢測(cè)。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(yīng)用的一種先進(jìn)狀態(tài)檢修體制,并得到快速發(fā)展。紅外檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用,對(duì)提高電氣設(shè)備的可靠性與有效性,提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益,降低維修成本都有很重要的意義。是目前在預(yù)知檢修領(lǐng)域中普遍推廣的一種很好手段,又能使維修水平和設(shè)備的健康水平上一個(gè)臺(tái)階。

  采用紅外成像檢測(cè)技術(shù)可以對(duì)正在運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行非接觸檢測(cè),拍攝其溫度場(chǎng)的分布、測(cè)量任何部位的溫度值,據(jù)此對(duì)各種外部及內(nèi)部故障進(jìn)行診斷,具有實(shí)時(shí)、遙測(cè)、直觀和定量測(cè)溫等優(yōu)點(diǎn),用來檢測(cè)發(fā)電廠、變電所和輸電線路的運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備和帶電設(shè)備非常方便、有效。利用熱像儀檢測(cè)在線電氣設(shè)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(cè),檢測(cè)設(shè)備性能和掌握其運(yùn)行狀態(tài)的一項(xiàng)新技術(shù)。與傳統(tǒng)的測(cè)溫方式如熱電偶、不同熔點(diǎn)的蠟片等放置在被測(cè)物表面或體內(nèi)相比,熱像儀可在一定距離內(nèi)實(shí)時(shí)、定量、在線檢測(cè)發(fā)熱點(diǎn)的溫度,通過掃描,還可以繪出設(shè)備在運(yùn)行中的溫度梯度熱像圖,而且靈敏度高,不受電磁場(chǎng)干擾,便于現(xiàn)場(chǎng)使用。它可以在-20℃~2000℃的寬量程內(nèi)以 0.05℃的高分辨率檢測(cè)電氣設(shè)備的熱致故障,揭示出如導(dǎo)線接頭或線夾發(fā)熱,以及電氣設(shè)備中的局部過熱點(diǎn)等等。帶電設(shè)備的紅外診斷技術(shù)是一門新興的學(xué)科。它是利用帶電設(shè)備的致熱效應(yīng),采用設(shè)備獲取從設(shè)備表面發(fā)出的紅外輻射信息,進(jìn)而判斷設(shè)備狀況和缺陷性質(zhì)的一門綜合技術(shù)。

2、紅外線測(cè)溫儀基礎(chǔ)理論

  1672 年,人們發(fā)現(xiàn)太陽光(白光)是由各種顏色的光復(fù)合而成,同時(shí),牛頓做出了單色光在性質(zhì)上比白色光更簡(jiǎn)單的結(jié)論。使用分光棱鏡就把太陽光(白光)分解為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等各色單色光。1800 年,英國物理學(xué)家 F. W. 赫胥爾從熱的觀點(diǎn)來研究各種色光時(shí),發(fā)現(xiàn)了紅外線。他在研究各種色光的熱量時(shí),有意地把暗室的*的窗戶用暗板堵住,并在板上開了一個(gè)矩形孔,孔內(nèi)裝一個(gè)分光棱鏡。當(dāng)太陽光通過棱鏡時(shí),便被分解為彩色光帶,并用溫度計(jì)去測(cè)量光帶中不同顏色所含的熱量。為了與環(huán)境溫度進(jìn)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(jì)來測(cè)定周圍環(huán)境溫度。試驗(yàn)中,他偶然發(fā)現(xiàn)一個(gè)奇怪的現(xiàn)象:放在光帶紅光外的一支溫度計(jì),比室內(nèi)其他溫度的批示數(shù)值高。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn),這個(gè)所謂熱量zui多的高溫區(qū),總是位于光帶zui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“”,這種看不見的“”位于紅色光外側(cè),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(zhì),紅外線的發(fā)現(xiàn)是人類對(duì)自然認(rèn)識(shí)的一次飛躍,對(duì)研究、利用和發(fā)展紅外技術(shù)領(lǐng)域開辟了一條全新的廣闊道路。紅外線的波長(zhǎng)在 0.76~100μm 之間,按波長(zhǎng)的范圍可分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外、極遠(yuǎn)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的電磁波輻射,它是基于任何物體在常規(guī)環(huán)境下都會(huì)產(chǎn)生自身的分子和原子無規(guī)則的運(yùn)動(dòng),并不停地輻射出熱紅外能量,分子和原子的運(yùn)動(dòng)愈劇烈,輻射的能量愈大,反之,輻射的能量愈小。溫度在零度以上的物體,都會(huì)因自身的分子運(yùn)動(dòng)而輻射出紅外線。通過紅外探測(cè)器將物體輻射的功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后,成像裝置的輸出信號(hào)就可以*一一對(duì)應(yīng)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(yīng)的熱像圖。運(yùn)用這一方法,便能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)距離熱狀態(tài)圖像成像和測(cè)溫并進(jìn)行分析判斷。

2.1 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,與可見光圖像相比,缺少層次和立體感,因此,在實(shí)際動(dòng)作過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)

2.2 熱像儀的發(fā)展

  1800 年,英國物理學(xué)家 F. W. 赫胥爾發(fā)現(xiàn)了紅外線,從此開辟了人類應(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,首先由美國德克薩蘭儀器公司經(jīng)過近一年的探索,開發(fā)研制的*代用于軍事領(lǐng)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(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,稱之為紅外熱像儀。開始由于保密的原因,在發(fā)達(dá)的國家中也于軍用,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)。由于有國家經(jīng)費(fèi)的支撐,投入的研制開發(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(lǐng)域。

  六十年代中期,AGA 公司研制出*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)過對(duì)儀器的幾代改進(jìn),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(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。

  九十年代中期,美國 FSI 公司首先研制成功由軍用技術(shù)(FPA)轉(zhuǎn)民用并商品化的新一紅外熱像儀(CCD)屬焦平面陣列式結(jié)構(gòu)的一種凝成像裝置,技術(shù)功能更加先進(jìn),現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫時(shí)只需對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)攝取圖像,并將上述信息存儲(chǔ)到機(jī)內(nèi)的 PC 卡上,即完成全部操作,各種參數(shù)的設(shè)定可回到室內(nèi)用軟件進(jìn)行修改和分析數(shù)據(jù),zui后直接得出檢測(cè)報(bào)告,由于技術(shù)的改進(jìn)和結(jié)構(gòu)的改變,取代了復(fù)雜的機(jī)械掃描,儀器重量已小于二公斤,使用中如同手持?jǐn)z像機(jī)一樣,單手即可方便地操作。

  如今,紅外熱成像系統(tǒng)已經(jīng)在電力、消防、石化以及醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。紅外熱像儀在世界經(jīng)濟(jì)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(jī)掃描成像系統(tǒng)和非掃描成像系統(tǒng)。光機(jī)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(dǎo)或光伏紅外探測(cè)器,用單元探測(cè)器時(shí)速度慢,主要是幀幅響應(yīng)的時(shí)間不夠快,多元陣列探測(cè)器可做成高速實(shí)時(shí)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(jī)掃描式熱像儀,有逐步取代光機(jī)掃描式熱像儀的趨勢(shì)。其關(guān)鍵技術(shù)是探測(cè)器由單片集成電路組成,被測(cè)目標(biāo)的整個(gè)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(shí)具有自動(dòng)調(diào)焦圖像凍結(jié),連續(xù)放大,點(diǎn)溫、線溫、等溫和語音注釋圖像等功能,儀器采用 PC 卡,存儲(chǔ)容量可高達(dá) 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(cè)目標(biāo)物體的表面紅外輻射,并把目標(biāo)內(nèi)熱輻射分布的不可見熱圖像轉(zhuǎn)變成視頻信號(hào),因此,熱釋電攝像管是紅外熱電視的光鍵器件,它是一種實(shí)時(shí)成像,寬譜成像(對(duì) 3~5μm 及 8~14μm 有較好的頻率響應(yīng))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(shù)功能是將被測(cè)目標(biāo)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?zé)犭娨曁綔y(cè)器和電子束掃描及靶面成像技術(shù)來實(shí)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(cè)器的響應(yīng)波長(zhǎng)區(qū)域,一般是3~5μm 或 8~12μm。

2.3.2 探測(cè)器類型;探測(cè)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(dǎo)或光伏紅外探測(cè)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(biāo)準(zhǔn)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(cè)定范圍;指測(cè)定溫度的zui低限與zui高限的溫度值的范圍。 
2.3.6 測(cè)溫準(zhǔn)確度;指紅外熱像儀測(cè)溫的zui大誤差與儀器量程之比的百分?jǐn)?shù)。

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