紅外測溫儀工作原理及應(yīng)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(dǎo)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(yīng)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(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(diào)焦圖像凍結(jié)，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(nèi)熱輻射分布的不可見熱圖像轉(zhuǎn)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(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?zé)犭娨曁綔y器和電子束掃描及靶面成像技術(shù)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(yīng)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(dǎo)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。

3.紅外測溫

　　3.1紅外測溫儀器的種類

　　紅外測溫儀器主要有3種類型：紅外熱像儀、紅外熱電視、紅外測溫儀（點溫儀）。60年代我國研制成功第一臺紅外測溫儀，1990年以后又陸續(xù)生產(chǎn)小目標、遠距離、適合電業(yè)生產(chǎn)特點的測溫儀器，如西光IRT－1200D型、HCW－Ⅲ型、HCW－Ⅴ型；YHCW－9400型；WHD4015型（雙瞄準，目標D 40mm，可達15 m）、WFHX330型（光學(xué)瞄準，目標D 50 mm，可達30 m）。美國生產(chǎn)的PM－20、30、40、50、HAS－201測溫儀；瑞典AGA公司TPT20、30、40、50等也有較廣泛的應(yīng)用。DL－500 E可以應(yīng)用于110～500 kV變電設(shè)備上，圖像清晰，溫度準確。紅外熱像儀，主要有日本TVS－2000、TVS－100，美國PM－250，瑞典AGA－ THV510、550、570。近期，國產(chǎn)紅外熱像儀在昆明研制成功，實現(xiàn)了國產(chǎn)化。

　　3.2紅外測溫儀工作原理

　　了解紅外測溫儀的工作原理、技術(shù)指標、環(huán)境工作條件及操作和維修等是用戶正確地選擇和使用紅外測溫儀的基礎(chǔ)。紅外測溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)匯集其視場內(nèi)的目標紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學(xué)零件以及位置決定。紅外能量聚焦在光電探測儀上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號。該信號經(jīng)過放大器和信號處理電路按照儀器內(nèi)部的算法和目標發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標的溫度值。除此之外，還應(yīng)考慮目標和測溫儀所在的環(huán)境條件，如溫度、氣氛、污染和干擾等因素對性能指標的影響及修正方法。
　　一切溫度高于絕對零度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量。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(guān)系。因此，通過對物體自身輻射的紅外能量的測量，便能準確地測定它的表面溫度，這就是紅外輻射測溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)?！?BR>　　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(fā)射率為1。應(yīng)該指出，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(guī)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(dǎo)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(fā)點，故稱黑體輻射定律。
　　物體發(fā)射率對輻射測溫的影響：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(gòu)成物體的材料種類、制備方法、熱過程以及表面狀態(tài)和環(huán)境條件等因素有關(guān)。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(zhì)及表面狀態(tài)有關(guān)的比例系數(shù)，即發(fā)射率。該系數(shù)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(shù)值之間。根據(jù)輻射定律，只要知道了材料的發(fā)射率，就知道了任何物體的紅外輻射特性。
　　影響發(fā)射率的主要因紗在：材料種類、表面粗糙度、理化結(jié)構(gòu)和材料厚度等。
　　當用紅外輻射測溫儀測量目標的溫度時首先要測量出目標在其波段范圍內(nèi)的紅外輻射量，然后由測溫儀計算出被測目標的溫度。單色測溫儀與波段內(nèi)的輻射量成比例；雙色測溫儀與兩個波段的輻射量之比成比例。
　　紅外系統(tǒng)：紅外測溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分組成。光學(xué)系統(tǒng)匯聚其視場內(nèi)的目標紅外輻射能量，視場的大小由測溫儀的光學(xué)零件及其位置確定。紅外能量聚焦在光電探測器上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號。該信號經(jīng)過放大器和信號處理電路，并按照儀器內(nèi)療的算法和目標發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y目標的溫度值。

　　3.3紅外測溫儀性能

　　紅外測溫儀是通過接收目標物體發(fā)射、反射和傳導(dǎo)的能量來測量其表面溫度。測溫儀內(nèi)的探測元件將采集的能量信息輸送到微處理器中進行處理，然后轉(zhuǎn)換成溫度讀數(shù)顯示。在帶激光瞄準器的型號中，激光瞄準器只做瞄準使用。其性能說明如表1。
　　
　　　　測溫范圍　　-32℃--400℃　　顯示分辯率　　　0.1℃(199.1℃時 )
　　　　精度　　　　23 ℃時±1%　　工作環(huán)境溫度范圍　　0--50 ℃
　　　　重復(fù)性　　　23 ℃時±1%　　相對濕度　　　　　30 ℃時 10—95%
　　　　響應(yīng)時間　　500ms　　　　　電源　　　　　　　　9V
　　　　響應(yīng)光譜　　7 -18micron　　尺寸　　　　　　　137 × 41 × 196mm
　　　　最大值顯示　Have　　　　　 重量　　　　　　　270g
　　　　發(fā)射率　　　0.95Preset　　 防水　　　　　　　　根據(jù)消防部隊要求特殊制作

表1紅外測溫儀性能

　　為了獲得精確的溫度讀數(shù)，測溫儀與測試目標之間的距離必須在合適的范圍之內(nèi)，所謂“光點尺寸”（spot size）就是測溫儀測量點的面積。您距離目標越遠，光點尺寸就越大。右圖所示為距離與光點尺寸的比率，或稱D：S。在激光瞄準器型測溫儀上，激光點在目標中心的上方，有12mm（0.47英寸）的偏置距離。
　　測量距離與光點尺寸
　　在定測量距離時，應(yīng)確保目標直徑等于或大于受測的光點尺寸。右圖所標示的“1號物體”（object 1 ）與測量儀之間的距離正，因為目標比被測光點尺寸略大一些。而“2號物體”距離太遠，因為目標小于受測的光點尺寸，即測溫儀同在測量背景物體，從而降低了讀數(shù)的精確性。