紅外熱像儀的原理及發(fā)展

紅外熱像儀原理
　　紅外熱像儀是利用紅外探測器、光學(xué)成像物鏡和光機掃描系統（目前先進(jìn)的焦平面技術(shù)則省去了光機掃描系統）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(xué)系統和紅外探測器之間，有一個(gè)光機掃描機構（焦平面熱像儀無(wú)此機構）對被測物體的紅外熱像進(jìn)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(jīng)放大處理、轉換或標準視頻信號通過(guò)電視屏或監測器顯示紅外熱像圖。這種熱像圖與物體表面的熱分布場(chǎng)相對應；實(shí)質(zhì)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(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目標的紅外熱分布場(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、對比度的控制，實(shí)標校正，偽色彩描繪等技術(shù)
紅外熱像儀的發(fā)展
　　1800年，英國物理學(xué)家F. W. 赫胥爾發(fā)現了紅外線(xiàn)，從此開(kāi)辟了人類(lèi)應用紅外技術(shù)的廣闊道路。在第二次世界大戰中，德國人用紅外變像管作為光電轉換器件，研制出了主動(dòng)式夜視儀和紅外通信設備，為紅外技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎。
二次世界大戰后，首先由美國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)域的紅外成像裝置，稱(chēng)之為紅外尋視系統（FLIR），它是利用光學(xué)機械系統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(jīng)光電轉換及一系列儀器處理，形成視頻圖像信號。這種系統、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(zhù)五十年代銻化銦和鍺摻汞光子探測器的發(fā)展，才開(kāi)始出現高速掃描及實(shí)時(shí)顯示目標熱圖像的系統。
　　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的基礎上以增加了測溫的功能，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(dòng)的目標。由于有國家經(jīng)費的支撐，投入的研制開(kāi)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(chǎn)發(fā)展中的實(shí)用性，結合工業(yè)紅外探測的特點(diǎn)，采取壓縮儀器造價(jià)。降低生產(chǎn)成本并根據民用的要求，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（THV），該系統由液氮致冷，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(zhù)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(shù)功能更加先進(jìn)，現場(chǎng)測溫時(shí)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，各種參數的設定可回到室內用軟件進(jìn)行修改和分析數據，最后直接得出檢測報告，由于技術(shù)的改進(jìn)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，紅外熱成像系統已經(jīng)在電力、消防、石化以及醫療等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。紅外熱像儀在世界經(jīng)濟的發(fā)展中正發(fā)揮著(zhù)舉足輕重的作用。


紅外熱像儀分類(lèi)
　　紅外熱像儀一般分光機掃描成像系統和非掃描成像系統。光機掃描成像系統采用單元或多元（元數有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(shí)速度慢，主要是幀幅響應的時(shí)間不夠快，多元陣列探測器可做成高速實(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)于光機掃描式熱像儀，有逐步取代光機掃描式熱像儀的趨勢。其關(guān)鍵技術(shù)是探測器由單片集成電路組成，被測目標的整個(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)調焦圖像凍結，連續放大，點(diǎn)溫、線(xiàn)溫、等溫和語(yǔ)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(guò)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(jiàn)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(shí)時(shí)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(shù)功能是將被測目標的紅外輻射線(xiàn)通過(guò)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(shù)來(lái)實(shí)現的。熱像儀的主要參數有：
　　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(cháng)區域，一般是3～5μm或8～12μm。
　　2.3.2探測器類(lèi)型；探測器類(lèi)型是指使用的一種紅外器件。是采用單元或多元（元數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。
　　2.3.7最大工作時(shí)間；紅外熱像儀允許連續的工作時(shí)間。

紅外熱像儀是通過(guò)吸收目標物體的能量輻射生成紅外圖像和溫度測量的儀器。
　　紅外能量是一種肉眼看不見(jiàn)的能量，它的波長(cháng)很長(cháng)，無(wú)法被肉眼探測到。它是電磁波譜中的一部分，人類(lèi)將它感知為熱量。與可見(jiàn)光不同，在紅外領(lǐng)域里，凡是溫度在絕對零度以上的物體都能夠散發(fā)熱量。即使如冰塊這樣表面非常寒冷的物體，同樣能夠發(fā)射紅外能量。物體的溫度越高，它所輻射的紅外能量就越強。紅外熱像儀能夠幫助我們看見(jiàn)肉眼無(wú)法看見(jiàn)的情況。
　　紅外熱像儀能夠生成紅外圖像或熱輻射圖像，并且能夠提供精確的非接觸溫度測量功能。幾乎所有物體在發(fā)生故障之前，溫度都會(huì )隨之升高，因此在很多領(lǐng)域內，紅外熱像儀絕對是一種經(jīng)濟有效的檢測工具。由于很多行業(yè)都將高效生產(chǎn)、能源管理、提高產(chǎn)量和生產(chǎn)安全作為企業(yè)發(fā)展的重要目標，因此紅外熱像儀正在被不斷的應用在各種行業(yè)和各種應用領(lǐng)域中。
為何要進(jìn)行溫度測量
　　僅僅通過(guò)紅外圖像來(lái)尋找故障往往是不夠的。事實(shí)上，一臺只能生成紅外圖像而無(wú)法測量溫度的紅外熱像儀并不能反映電氣或者機械故障的所有情況。很多電氣設備能夠在自身溫度顯著(zhù)高于環(huán)境溫度的情況下仍然可以正常運行。因此一臺不具備測溫功能的紅外熱像儀可能將誤導您發(fā)現了一個(gè)根本不存在的故障。
　　具備測溫功能的紅外熱像儀能夠正確引導預防性維護專(zhuān)家對電氣或機械設備的運轉情況進(jìn)行準確判斷。您可以將測量溫度值同歷史溫度進(jìn)行比較，或者與相同時(shí)間同類(lèi)設備的溫度讀數進(jìn)行比較，以準確判斷是否發(fā)生了顯著(zhù)的溫升，是否會(huì )導致部件失效，帶來(lái)生產(chǎn)隱患。
　　幾乎所有的FLIR紅外熱像儀都可以具備數字化圖像存儲功能。在任何時(shí)間，您都可以通過(guò)安裝在計算機上的FLIR 紅外分析軟件對所生成的標定過(guò)的熱圖像上78，000個(gè)單獨象素點(diǎn)進(jìn)行測溫。