BE-5302 红外显象测温仪的设计原理

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红外显象测温仪，又称为红外线热影象仪、热成像仪、热显象仪、红外显象摄影机、热成像摄影机等。红外显象测温仪是一种检测对象物体发出的红外线辐射能量，并将能量转换成温度後以图象形式显示其温度分布情况的设备。红外显象测温仪能够扑捉拍摄对象物体面的温度分布，并且转换为热图象显示出来。红外显象测温仪能够从一定距离之外以非接触方式测量物体的温度。红外显象测温仪能够及时进行温度测量。红外显象测温仪的优点有能够针对大范围内的表面温度分布进行相对比较，便于对运动中的物体或是有危险而无法靠近的物体进行温度测量，能够精确测量微小物体的温度，能够在确保卫生的情况下对食品、药品、化学品等进行温度测量，能够对温度变化剧烈的物体和瞬间现象进行温度测量。

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所有温度在 -273℃ 绝对零度以上的物体，都会因自身的分子运动而生成红外线辐射热。红外显象测温仪能将这些人眼无法看到的辐射能量转换为电信号，并以各种不同的颜色来显示出不同温度的分布，使整个温度分布状态以可视图象显示出来。透过图象，可以迅速便捷的检测整个温度面，并辨识高低温度点，进行温度的定性与定量分析，如有温度异常则预示着可能有故障的生成，使检测工作精准、简单快捷。红外热像仪测温基于被测物体的红外热辐射，它能在一定宽温域做不接触、无害、即时、连续的温度测量。被测物体的温度分布形成肉眼看不见的红外热能辐射，经红外热像仪转化为电视图象或照片。光学系统收集辐射线，经滤波处理後将景物图形聚集在探测器上，光学机械扫描包括两个扫描镜组，一个是垂直扫描，另一个是水平扫描。扫描仪位于光学系统和探测器之间，当镜子摆动时，从物体到达探测器的光束也随之移动，形成物点与物象互相对应。然后探测器将光学系统逐点扫描所依次搜集的景物温度空间分布信息，变为按时序排列的电信号，经过信号处理後，由显示器显示出可见图象—物体温度的空间分布情况。

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热的传递方式有三种，包括热辐射、热对流与热传导。热辐射即红外线，以红外线能量直接从物体表面辐射出来。热对流是受热後的气体或液体通过上昇运动来传递热量。热传导主要是固体之间的热传递方式。

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红外线 (Infrared，简称 IR) 是波长介乎微波与可见光之间的电磁波，其波长在 760 奈米(nm) 至 1 毫米(mm) 之间，是波长比红光长的非可见光，对应频率约是在 430THz 到 300GHz 的范围内。室温下物体所发出的热辐射多都在此波段。

物体通常会辐射出跨越不同波长的红外线，但是侦测器的设计通常只能接收感到兴趣的特定频谱宽度以内的辐射。结果是，红外线通常会被区分成不同波长的较小区段。一般分类是近红外线、短波长红外线、中波长红外线、长波长红外线、远红外线。

近红外线 (NIR, IR-A DIN)：波长在 0.75 ~ 1.4 微米，以水的吸收来定义，由于在二氧化矽玻璃中的低衰减率，通常使用在光纤通信中。在这个区域的波长对影象的增强非常敏锐。包括夜视设备，象是夜视镜即使用近红外线。

短波长红外线 (SWIR, IR-B DIN)：1.4 ~ 3 微米，水的吸收在 1,450 奈米显着的增加。1,530 至 1,560 奈米是主导远距离通信的主要光谱区域。

中波长红外线 (MWIR, IR-C DIN) 也称为中红外线：波长在 3 ~ 8 微米。被动式的红外线追热导向飞弹技术在设计上就是使用 3 ~ 5 微米波段的大气窗口来工作，对飞机红外线标识的归航，通常是针对飞机引擎排放的羽流。

长波长红外线 (LWIR, IR-C DIN)：8 ~ 15 微米，这是红外显象测温仪应用热成像的区域，在这个波段的传感器不需要其他的光或外部热源，例如太阳、月球或红外灯，就可以获得完整的热排放量的被动影象。红外显象测温仪系统使用这个区域的频谱，但有时也会被归类为远红外线。

远红外线 (FIR)：50 ~ 1,000 微米，常应用于远红外线雷射。

自然界中，一切物体都可以辐射红外线，因此利用红外显象测温仪测量目标本身与背景间的红外线差可以得到不同的热红外线形成的红外图象。

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目标的热图象和目标的可见光图象不同，它不是人眼所能看到的可见光图象，而是表面温度分布图象。红外热成像使人眼不能直接看到表面温度分布，变成可以看到的代表目标表面温度分布的热图象。所有温度在绝对零度(-273℃)以上的物体，都会不停地发出热红外线。红外线是自然界中存在最为广泛的辐射，物体的热辐射能量的大小，直接和物体表面的温度相关。热辐射的这个特点使人们可以利用它来对物体进行无需接触的温度测量和热状态分析，从而为工业生产，节约能源，保护环境等方面提供了一个重要的检测手段和诊断工具。大气、烟云等吸收可见光和近红外线，但是对 3~5μm(微米) 和 8~14μm(微米) 的热红外线却是透明的。因此，这两个波段被称为热红外线的大气窗口。利用这两个窗口，使人们在完全无光的夜晚，或是在烟云密布的战场，清淅地观察到前方的情况。由于这个特点，热红外成像技术在现代军事上提供了先进的夜视装备，并为士兵、飞机、舰艇和坦克装上了全天候前视系统。这些系统在现代战争中发挥了非常重要的作用。

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红外显象测温仪不会发射出任何射线，单纯只是以被动方式检测待侧物体发射出的红外线，但有时可能会受到周围环境反射的红外线所影响。红外显象测温仪并非通过波长来测量物体的温度分布，而是根据红外线释放出的能量多寡来测量物体表面的温度分布。红外显象测温仪能否透过物体表面而看到其背面的情况？由于检测到的是从物体表面发出的红外线，因此无法透过物体表面看到其背面的情况，但是如果因为导热率不同而令物体表面出现不同的温度分布，则可以据此而推测出物体背面的情况。

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红外热成像仪有光子探测和热探测两种不同的原理。前者主要是利用光子在半导体材料上生成的电效应进行成像，敏感度高，但探测器本身的温度会对其生成影响，因而需要降温。后者将光线引发的热量转换为电信号，敏感度不如前者，但无需制冷，本公司的红外显象测温仪就是属於后者。除此之外，还根据热成像仪的工作波段、所使用的感光材料进行分类。常见热成像仪工作在 3 ~ 5 μm(微米)或 8 ~ 12μm(微米)，常用感光材料则有硫化铅、硒化铅、碲化铟、碲锡铅、碲镉汞、掺杂锗和掺杂矽等。根据感光组件数量和运动方式，则有机械扫描、凝视成像型等。红外光谱的波段位于可见光以外，比红色波长更长。红外线热像仪是通过非接触探测红外能量(热量)，并将其转换为电信号，进而在显示器上生成热图象和显示温度值，并可以对温度值进行计算的一种检测设备。红外线热像仪能够将传感到的热量精确量化或进行测量，使您不仅能够观察热图象，还能针对发热的故障区域进行准确识别和分析。红外热成像技术是一项前途广阔的高新技术。

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红外热成像仪的结构包括红外光学系统、红外探测器组件、电信号处理、显示组件以及支持整个结构运行的软件系统。红外光学系统接收到被测物体发射出来的红外辐射後，通过红外探测组件，将这些热辐射转变成电信号，电信号经过一系列处理，然后变成可以被识别的图象。

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我们日常中能够接触到的大多数红外热成像仪都是非制冷式热成像仪，在机器工作的时候，不需要进行低温制冷，所使用的红外探测器组件主要是法系的多晶矽和美系的氧化钒这两种探测器，从使用表现看，氧化钒成像比多晶矽要更好一些，这是因为氧化钒对于红外辐射的光电转换效率更高，所以会有更高的信噪比，表现出来的画面也会更细腻。

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从功能角度来说，红外热成像仪分为测温型和非测温型两种。测温型能直接从热图象中读取被测物体表面的任意点温度参数，而非测温型只能观测被测物体表面的热辐射差异，这两种分类中，测温型主要作为无损监测仪器使用，非测温型主要作为观测工具使用，两者的有效距离是不一样的。

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红外显象测温仪具备多样特色，其中包括能够捕捉拍摄对象物体面的温度分布，并且转换为热照片显示出来，红外线热像仪能够从一定距离之外以非接触方式测量物体的温度，热成像仪能够及时进行温度测量。

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红外显象测温仪又称红外线热像仪、热成像仪、热显象摄影机、红外显象测温摄影机，红外线热像仪拥有许多优点，象是能够针对大范围内的表面温度分布进行取温度值与相对比较，红外线热像仪能够在确保卫生的情况下，以非接触方式对食品、药品、化学品等进行温度量测，红外显象测温摄影机对运动中的物体或是有危险而无法靠近的物体可以进行温度测量，热成像仪能够精确量测微小或细微物体的表面温度，热显象摄影机能够对温度变化剧烈的物体和瞬间发生的现象进行温度量测。

对比起其他的一些检测设备来说，红外热成像仪的优点还是比较多的，比如非接触性测量，具有很高的安全性；测量伶敏度高测温范围大；不会对被测物体生成温度场的干扰；可以对运动物体进行快速测温。当然，缺点也比较明显，受制于成本因素，大多数红外热成像仪的图象分辨率相对来说比较低；除了特殊的红外玻璃外，无法穿透普通玻璃进行测量。

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对于红外热成像仪，我们大概可以主要关注一下这麽几个参数：热伶敏度：简单理解为我们能从背景中精确分辨出被测物目标辐射的最小温度，热伶敏度值越小，代表热伶敏度越高，另外热伶敏度越高，画面越亮。温度分辨率：温度分辨率是指探测器对被测物体温度变化感应的伶敏程度，温度分辨率越小越好。测温准确度：这是指在环境、温度、湿度、距离、辐射率校正的情况下，红外热像仪测温的最大误差与仪器量程之比的百分数。测温范围：是指测定温度的最低限与最高限的温度值的范围。探测器分辨率：红外探测器加工出阵列排布的传感器单元数量。

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热成象是一种高性能、非破坏性的温度检测，现普遍应用于工业界电力与仪表设备的维护保养检测。热成象是一种非接触式技术，它可以测量红外波长，以便从一个安全距离测量温度。热成像仪可以显示一个以各种颜色来表示不同温度的图象。透过该图象，可以快速、简便地检査表面温度并识别高 、低温点。高低温点或温度的变化预示着即将有故障发生。普通人的感官包括眼（视觉）、耳（听觉）、鼻（嗅觉）、舌（味觉）、肌肤（触觉）这五感，红外热成象是新第六感，通过智能成像和传感器解决方案提高人类感知力，从而构建更可持续、更安全、更高效的未来，科技的发展，未来应用可期。