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红外热像仪的工作原理是什么?

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一粒金砂(初级)

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发表于 2015-3-31 16:02:53 | 显示全部楼层 |阅读模式
热像仪的操作以红外热像仪的工作原理为基础。热像仪通常作为一种开源节流的检测工具,可用于诊断、维护和检查电气系统、机械系统和建筑结构,另外,科学研究和企业研发人员也可以通过热成像技术攻克各类研究过程中的难题。那么,到底什么是红外热成像技术呢?而红外热像仪工作原理又是什么呢?就让福禄克红外热像仪来告诉你吧!
红外热成像
红外热成像是一门使用光电设备来检测和测量辐射并在辐射与表面温度之间建立相互联系的科学。辐射是指辐射能(电磁波)在没有直接传导媒体的情况下移动时发生的热量移动。现代红外红外热像仪的工作原理是使用光电设备来检测和测量辐射,并在辐射与表面温度之间建立相互联系。
人类一直都能够检测到红外辐射。人体皮肤内的神经末梢能够对低达±0.009°C (0.005°F) 的温差作出反应。虽然人体神经末梢极其敏感,但其构造不适用于无损热分析。
例如,尽管人类可以凭借动物的热感知能力在黑暗中发现温血猎物,但仍可能需要使用更佳的热检测工具。由于人类在检测热能方面存在物理结构的限制,因此开发了对热能非常敏感的机械和电子设备。这些设备是在众多应用中检查热能的标准工具。
红外线技术的发展历史
“红外线”一词源于“past red”,是超出红色之外的意思,表示该波长在电磁辐射频谱中所处的位置。“thermography”一词是采用同根词生成的,意思是“温度图像”。热成像的起源归功于德国天文学家 Sir William Herschel,他在 1800 年使用太阳光做了一些实验。Herschel 让太阳光穿过一个棱镜并在各种颜色处放置温度计,利用灵敏的水银温度计测量每种颜色的温度,结果发现了红外辐射。
Herschel 发现,当越过红色光线进入他称为“暗红热”区域时,温度便会升高。“暗红热”即是现在人们所说的红外热能,处于被称为电磁辐射的电磁波频谱区域。
二十年后,德国物理学家 Thomas Seebeck 发现了温差电效应。在该发现的基础上,意大利物理学家 Leopoldo Nobili 1829 年发明了热量倍增器(即早期版本的热电偶)。这种简单的接触式设备的工作原理是两个异种金属之间的电压差会随着温度的变化而变化。过了不久,Nobili 的合作伙伴 Macedonio Melloni 把热量倍增器改进为热电堆(以串联方式安装热量倍增器)并将热辐射集于热电堆上,这样,他可以检测到 9.1 米(33 英尺)远处的人类体热。
1880 年,美国天文学家 Samuel Langley 使用辐射热检测仪探测到 304 (1000 英尺)以外的牛的体热。辐射热检测仪测量的不是电压差异,而是与温度变化有关的电阻变化。Sir William Herschel 的儿子 Sir John Herschel 1840 年使用名为“蒸发成像仪”的设备制作出第一幅红外图像。热图像是薄油膜的蒸发量差异形成的,可以借助油膜上反射出的光线进行查看。
热像仪是一种无需与设备直接接触便可检测出红外波长频谱中的热图案的设备。参见图 1-1。早期型号的热像仪称为“光导探测器”。从 1916 年至 1918 年,美国发明家 Theodore Case 利用光导探测器做实验,通过与光子(而不是热能)直接交互作用产生信号。最终发明了速度更快、更灵敏的光导探测器。20 世纪四十年代和五十年代期间,为了满足日益增长的军事应用领域的需求,热成像技术不断演变,取得了长足的发展。德国科学家发现,通过冷却光导探测器可以提高整体性能。

直到 20 世纪六十年代,热成像技术才被用于非军事应用领域。虽然早期的热成像系统很笨重、数据采集速度缓慢而且分辨率不佳,但它们还是被用于工业应用领域,例如检查大型输配电系统。20 世纪七十年代,军事应用领域的持续发展造就了第一个便携式系统。该系统可用于建筑诊断和材料无损测试等应用领域。
20世纪七十年代的热成像系统结实耐用而且非常可靠,但与现代热像仪相比,它们的图像质量不佳。到 20 世纪八十年代初期,热成像技术已广泛应用于医疗、主流行业以及建筑检查领域。经过校准后,热成像系统可以制作完全的辐射图像,这样便可测量该图像中任意位置的辐射温度。辐射图像是指包含图像内各点处的温度测量计算值的热图像。
安全可靠的热像仪冷却器经过改进,取代了沿用已久的用于冷却热像仪的压缩气或液化气。此外,人们还开发并大量生产了成本较低、基于管道的热电光导摄像管 (PEV) 热成像系统。虽然不能进行辐射测量,但 PEV 热成像系统轻巧灵便、携带方便,而且无需冷却便可操作。
20 世纪八十年代后期,一种称为焦平面阵列 (FPA) 的新设备从军事应用领域转移至商业市场。焦平面阵列 (FPA) 是一种图像传感设备,由位于镜头焦平面处的红外传感探测器的阵列(通常为矩形)组成。参见图 1-2

这大大改进了原始的扫描式探测器,从而提高了图像质量和空间分辨率。现代热像仪上的典型阵列的像素范围为:16 × 16 640 × 480。从这个角度来说,像素是可以检测红外能量的FPA 的最小独立元素。对于特殊应用场合,阵列的像素可以达到 1000 × 1000 以上。第一个数字代表每个垂直列中的像素数,第二个数字代表屏幕上显示的行数。例如,160 × 120 阵列的总像素为 19,200 160 像素 × 120 像素 = 19,200 总像素)。美国福禄克公司最近推出了一款实测红外像素可以高达2048*1536的专家级热像仪,达到了商用热像仪的最高像素级别。
2000 年以来,使用多个探测器的 FPA 技术的发展不断加快。长波热像仪用于检测 8 μm 15 μm 波长范围内的红外能量。微米 (μm) 是一个长度测量单位,等于 1 毫米(0.001 米)的千分之一。中波热像仪用于检测 2.5 μm 6 μm 波长范围内的红外能量。长波和中波热成像系统均提供全面的辐射型号,图像融合度和热灵敏度通常为 0.03SDgrC (0.054SDgrF) 或更低。
这些系统的成本在过去十年间降低了十倍以上,但质量得到了大幅度提升。此外,用于图像处理的计算机软件的应用也有了显著的发展。现在,几乎所有商业类型的红外系统均使用软件来协助分析和撰写报告。报告可快速生成并在互联网上以电子形式发送,或以一种常见格式(例如 PDF)保存,而且还可以刻录在多种数字存储设备上。
热像仪操作
了解热成像系统的基本操作知识非常有用,因为热像仪必须在设备的限制范围内工作,这一点至关重要。这可以更准确地检测和分析潜在的问题。热像仪旨在检测目标所放出的红外辐射。参见图 1-3。目标是指使用热像仪进行检查的物体。


红外辐射通过热像仪的光学镜片聚焦于探测器,从而引起反应,通常是电压或电阻的变化,该变化由热成像系统中的电子元件读取。热像仪产生的信号将转换成电子图像(温度记录图)并显示在屏幕上。温度记录图是经过电子处理后显示在屏幕上的目标图像,在该图像中,不同的色调与目标表面上的红外辐射分布相对应。在这个简单的过程中,热像仪可以查看与目标表面上发出的辐射能量相对应的温度记录图。
热像仪组件
典型的热像仪由多个常用组件组成,包括镜头、镜头盖、显示屏、探测器和处理电子元件、控件、数据存储设备、配有手带的把柄以及数据处理和报告制作软件。这些组件因热成像系统的类型和型号而异。参见图 1-4

镜头。热像仪至少配有一个镜头。热像仪镜头可以捕获红外辐射并使之聚焦于红外探测器上。探测器将作出反应并生成电子(热)图像或温度记录图。热像仪镜头用于采集传入的红外辐射并使之聚焦于探测器上。大多数长波热像仪的镜头包含锗 (Ge)薄层增透膜,可以改善镜头的透光能力。

显示屏。热图像显示在热像仪的液晶显示屏 (LCD) 上。LCD 显示屏必须足够大,而且足够清晰,以便在各种场合的不同光线条件下轻松查看图像。此外,显示屏通常还会提供其它信息,例如电池电量、日期、时间、目标温度(以 °F、°C 或 °K 为单位)、可见光图像以及与温度有关的色谱键。参见图 1-5

探测器和处理电子元件。探测器和处理电子元件用于将目标处理成为有用的信息。目标发出的热辐射将聚焦于探测器(通常是电子半导体材料)上。热辐射可使探测器作出可测量的反应。该反应在热像仪中经过电子处理,形成热图像,并显示在热像仪的显示屏上。
控件(操作菜单)。控件用于执行各种电子调整,以优化显示屏上的热图像。可以对温度范围、热跨度和级别、调色板和图像融合度等变量执行电子调整。此外,还可以对辐射率和反射背景温度执行调整。参见图 1-6。近几年已出现触摸屏热像仪实现所有操控。

数据存储设备。包含热图像和相关数据的电子数字文件存储在各类电子记忆卡或存储器以及传输设备中。许多红外成像系统还允许存储补充语音或文字数据以及通过集成的可见光摄像机采集的相应可见光图像。
数据处理和报告制作软件。与大多数现代热成像系统配合使用的软件不仅功能强大,而且容易使用。数字热图像和可见光图像可以导入个人计算机中,然后在此处通过各种调色板显示,而且还可以进一步调整所有辐射参数和分析功能。之后,经过处理的图像将被插入报告模板中,或者发送至打印机、以电子形式存储或者通过互联网发送给客户。福禄克红外热像仪使用的是SmartView红外分析软件。


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