紅外熱像儀在溫度領域上的應用

【摘 要】 紅外熱像儀是通過紅外探測器和光學成像物鏡，把被測物體所發出的不可見的紅外輻射能量分布圖形，傳送到紅外探測器上，再通過光敏元件轉變為可見的紅外熱像圖，這種可見的熱像圖上面的不同顏色所反映的就是被測物體的不同溫度。通過查看熱像圖就可以觀察到被測目標的整體溫度分布狀況，研究目標的發熱情況，從而進行下一步工作的判斷。

【關鍵詞】 紅外熱像儀 原理 結構 應用

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2016.04.011

1 紅外熱像儀的特點

紅外熱像儀的發展速度很快，應用范圍也越來越廣，紅外熱像儀的應用之所以如此廣泛，是因為它有如下特點：

（1）測量范圍廣：通常為（-170～2000）℃（加濾光片）；

（2）準確度高：能分辨0.1℃的溫度；

（3）響應快：可在幾秒內測出物體的溫度場；

（4）可用于測量小目標物體；

（5）不破壞被測溫場：測溫距離可近可遠，從幾厘米到天文距離。

紅外熱像儀通常適用于以下兩種情況：一是面積大且溫度分布不均勻的被測物體，欲求其整個面積的平均溫度或表面溫場隨時間的變化情況；其次是在有限的區域內，尋找出過熱點或過熱區域。

2 紅外熱像儀的工作原理

紅外熱像儀是一門使用光電設備來檢測和測量輻射并在輻射與物體表面溫度之間建立相互聯系的科學。輻射是指輻射能（電磁波）在沒有直接傳導媒體的情況下移動時發生的熱量移動。自然界里所有高于絕對零度（-273.15℃）的物體都會向外輻射能量。宇宙射線、紅外線和紫外線等不易被人眼所察覺，其中紅外線的波長為（0.75-40）μm，紅外熱像儀就是利用其中（3-5.6）μm的短波段和（8-14）μm長波段的紅外線束所工作的，它通過熱圖像技術，能夠給出熱輻射物體的溫度分布和溫度數值，并且轉換成可見的熱圖像。

在實際使用紅外熱像儀時，只要在計算機里面輸入被測物體的發射率、測量距離、環境溫度、濕度、熱范圍、光圈、鏡頭度數、濾光片種類等，就可以在熒屏上自動得出溫度分布等結果。

3 紅外熱像儀的結構

通常由掃描系統及顯示單元等組成，熱像儀的結構如圖1所示。

1紅外掃描器、2顯示單元、3錄像機、4數字式紅外轉換系統、5紅外連接組件、6計算機、7彩色掃印機 8彩色監視器

圖1 紅外熱像儀的結構示意圖

現對其主要構結說明如下：

紅外掃描器。它是紅外熱像儀里最重要的組成部分，它通過光子檢測器吸收物體發出的紅外輻射能量，并且將其轉換成電子視頻信號，該信號經過前置放大器放大后，傳送至顯示單元。

掃描系統是將被測對象的輻射經掃描并反射到反射聚光鏡，再通過衰減器、硅透鏡和反射鏡投射到致冷的銻化銦紅外檢測元件的表面上。掃描鏡既圍繞垂直軸作水平擺動，又在完成一“行”掃描后，圍繞水平軸做一次傾動，逐漸移動到被測對象上的測量點，從而實現對被測對象的面掃描。

顯示單元。顯示單元也是紅外熱像儀里很重要的組成部分，它主要包括輸出信號放大部分、掃描控制系統部分和陰極射線管部分。放大部分的輸出信號經發射率修正及環境溫度補償后，依據使用要求，將溫度分布的各種信號變成陰極射線管熒屏上的亮度信號。只要電子束的掃描與光學系統的掃描同步，就能夠在熒屏上成像，即顯示的溫度圖像與該被測對象的溫度分布相對應，觀測者就可以從圖像中獲得不同顏色所代表不同溫度的數值。同時，它也可將信號儲存起來，供我們以后對數據進行分析參考和處理之用。

在掃描的瞬間，掃描器只能接受被測對象在某個瞬間視場的紅外輻射，即溫度高處發亮、溫度低處發暗。用黑體爐分度之后，我們就可定量地測量溫度場。

測量結果經過計算機處理后，可同時給出溫度的最高值、最低值、平均值、變化范圍、方差等，在熒光屏上也可相應地顯示X方向或Y方向的軸向溫度分布等。圖像記錄和處理系統的組成方案有幾種，其中一種方案包括：

（1）錄像機。它可將圖像存儲在磁盤上，供計算機處理分析圖像之用；此錄像機同時具備放映功能。

（2）數字式紅外轉換系統。它是一個能夠將黑白圖像轉換成十種顏色圖像的實時系統。使用這種數字式紅外轉換系統不僅可以錄像還可以放像。

（3）紅外連接組件。它可以將模擬信號轉換成數字信號再傳送到計算機上。

（4）計算機。包括軟件系統、顯示器和打印機。在顯示器上可以直接觀測到熱像和溫度數值等，打印機也可紙質輸出熱像和溫度數值等。

（5）彩色監視器。可用于顯示彩色圖像。

4 紅外熱像儀的應用

紅外熱像儀的應用范圍隨著科技的發展越來越廣泛。紅外熱像儀已被廣泛應用于安全防范系統中。由于它具有隱蔽探測功能，在不需要可見光的情況下，它能夠觀察到犯罪分子的行蹤，而犯罪分子卻不知道它的存在。所以紅外熱像儀已經成為安全監控系統中的大明星。

紅外熱像儀還在現代戰爭中發揮了非常重要的作用。大氣和煙云能夠吸收可見光和近紅外線，利用這一點，為坦克、艦艇和飛機裝上全天候紅外監視系統，就可以在無光的夜晚，或者是煙云密布的戰場觀察敵情。

用紅外熱像儀還可以十分快捷的監測那些由于屏蔽而無法直接看到的過熱的機械部件，以免引起短路和火災，發現其熱隱患，從而避免危險的發生。

此外，紅外熱像儀在現代科研領域上了也發揮了很好的作用，主要包括：汽車研究發展——射出成型、引擎活塞、烤漆、剎車盤；電路板熱分布設計、電子零組件溫度測試、微小零組件測試；引擎燃燒試驗；熱傳導研究；模具鑄造溫度測量、軋輥的發熱情況及熱分布的監測等。