紅外熱像測溫技術(shù)及其應(yīng)用研究

李云紅　孫曉剛　廉繼紅

摘 要：闡述紅外熱像測溫技術(shù)的工作原理和紅外熱像儀的基本組成,綜述了紅外熱像儀測溫技術(shù)的發(fā)展,從技術(shù)層面剖析了紅外熱像儀測溫存在的問題,介紹了國內(nèi)外在紅外熱像測溫技術(shù)方面的研究熱點(diǎn),例舉了利用紅外熱像儀進(jìn)行溫度場測量的應(yīng)用實(shí)例,同時(shí)展望了未來的發(fā)展方向。針對紅外測溫領(lǐng)域中的理論、儀器及應(yīng)用進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析和總結(jié)。

關(guān)鍵詞：紅外熱像儀；熱像測溫；熱像圖;應(yīng)用研究

中圖分類號：TN215 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X(2009)01-112-04

Research on Measurement Temperature Technology and

Application of Infrared Thermal Imaging

LI Yunhong 1,2,SUN Xiaogang1,LIAN Jihong2

(1.Harbin Institute of Technology,Harbin,150001,China;2.Xi′an Polytechnic University,Xi′an,710048,China)

Abstract：The principle of infrared thermal imaging temperature measurement technology and the basic composition of the infrared thermal imager are explained in this paper.The article reviews the history and presents status of infrared temperature measurement technology,analyzes the existing problems of temperature measurement with infrared thermal imager from technical perspectives,introduces domestic and international researching focuses of infrared thermal imaging temperature measurement technology,and gives the example of applications of the infrared thermal imager,and prospects its future trends.In the end,the analysis and summary of the theory,instrument and applications for infrared temperature measurement are made in detail.

Keywords：infrared thermal imager； thermal imaging temperature measurement;thermal image;application research

0 引 言

自然界一切溫度高于絕對零度的物體都在以電磁波的形式向外輻射能量,其中包括0.7～1 000 μm的紅外光波。紅外光具有很高的溫度效應(yīng),這是紅外熱像測溫技術(shù)的基礎(chǔ)。

紅外熱像測溫技術(shù)是當(dāng)今迅速發(fā)展的高新技術(shù)之一,已廣泛地應(yīng)用于軍事、準(zhǔn)軍事和民用等領(lǐng)域,并發(fā)揮著其他產(chǎn)品難以替代的重要作用。美國、德國、英國、法國等發(fā)達(dá)國家非常重視紅外熱像測溫技術(shù)的研究與應(yīng)用,掌握熱像測溫技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程、應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展趨勢,有利于啟發(fā)科學(xué)、合理的發(fā)展思路,為熱像儀的優(yōu)化發(fā)展提供方向性的支持。

1 紅外熱像測溫原理及影響測溫的因素

紅外熱像儀是能夠?qū)崿F(xiàn)熱像測溫的精密儀器,是紅外熱像測溫的核心設(shè)備。它利用實(shí)時(shí)的掃描熱成像技術(shù)進(jìn)行溫度分析,圖１所示為目前民用市場上應(yīng)用的主流熱像儀,其結(jié)構(gòu)簡單、功能強(qiáng)大、測溫快。

紅外熱像測溫技術(shù)就是通過紅外探測器接收被測物體的紅外輻射,再由信號處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槟繕?biāo)的視頻熱圖像的一種技術(shù)。它將物體的熱分布轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢晥D像,并在監(jiān)視器上以灰度或偽彩顯示出來,從而得到被測物體的溫度分布場信息。紅外熱像測溫原理如圖2所示。

由于紅外熱像儀屬于窄帶光譜輻射測溫系統(tǒng),使用其進(jìn)行溫度測量時(shí)所測得的物體表面溫度,不是直接測量得到的,而是以測到的輻射能計(jì)算出來的。因此,實(shí)際測量時(shí),測量精度受被測表面的發(fā)射率和反射率、背景輻射、大氣衰減、測量距離、環(huán)境溫度等因素的影響［1-4］。

儀器接收到的被測物體表面的輻射包括目標(biāo)輻射、環(huán)境反射和大氣輻射三部分,即：

E_λ=T_aλε_λE_bλ(To)+T_aλ(1－ε_λ)E_bλ(Tu)+ε_aλE_bλ(Ta)

(1)

其中,E_λ為儀器接收到的輻射；E_bλ為黑體輻射；To為被測物體表面溫度；Tu為環(huán)境溫度；Ta為大氣溫度；ε_λ為表面發(fā)射率；aλ為表面吸收率；T_aλ為大氣的光譜透射率；ε_aλ為大氣發(fā)射率。

1.1 發(fā)射率的影響

由式(1)等號右邊第一項(xiàng)可知,使用紅外熱像儀進(jìn)行溫度測量,其最大的不確定因素是被測物體的發(fā)射率,該發(fā)射率是由操作者自行找出再輸入紅外熱像儀的。確定物體發(fā)射率的難度在于影響發(fā)射率的因素很多,主要取決于材料的種類、材料表面狀況和物體的表面溫度等。

1.2 背景的影響

式(1)等號右邊第二項(xiàng)為背景投向被測物體并被反射的輻射能。由該式可知,被測物體的發(fā)射率越高,背景影響越??；背景溫度越高,背景影響越大；當(dāng)被測物體溫度與背景溫度相近時(shí),背景影響引起的誤差較大。

1.3 大氣的影響

物體所輻射的能量必須經(jīng)過大氣才能到達(dá)探測系統(tǒng),在其通過大氣時(shí),會被大氣中的氣體分子和塵埃吸收與散射而衰減。吸收紅外輻射的氣體主要是CO2(有2.65～2.8 μm,4.15～4.45 μm,13.0～17.0 μm三個(gè)吸收波段)和H2O(有2.55～2.84 μm,5.6～7.6 μm,12～30 μm三個(gè)吸收波段)。因此,儀器接收到的紅外輻射和儀器與被測物體的距離有關(guān),而且大氣的吸收程度與大氣的溫度和相對濕度也有關(guān)系。

2 紅外熱像測溫技術(shù)應(yīng)用

我國引入紅外熱像測溫技術(shù)在工藝及生產(chǎn)方面最初只有電力、冶金和石化等行業(yè)的部分單位應(yīng)用,在科研方面也只限于尖端技術(shù)的研究領(lǐng)域。作為一種通用技術(shù),紅外熱成像測溫技術(shù)的應(yīng)用將深入各個(gè)領(lǐng)域。

過去所發(fā)展的紅外熱像測溫技術(shù)僅限于常規(guī)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中的中、低溫度(1 000 K以下)測量,鄧建平等 研制了一套測溫范圍在1 000~3 500 K的紅外熱像儀及圖像處理系統(tǒng),該系統(tǒng)已完成標(biāo)定并在高頻等離子體風(fēng)洞中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。H wang Jihong［6］采用紅外成像的電荷耦合裝置(CCD)測量平面磨削中工件的溫度場分布。Elmahdy A H［7］采用紅外熱成像技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行窗口表面的溫度測量,都取得了很好的效果。

使用熱成像技術(shù)探測乳腺癌在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)有50多年的歷史。如對乳腺癌及惡性腫瘤的早期診斷、傷口愈合的紅外觀察、風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和發(fā)病狀況的診斷、牙科治療初步研究、耳鼻喉疾病的診斷、胸部腫塊的紅外診斷等［8,9］,可以說遠(yuǎn)紅外成像技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用已經(jīng)成為一種新的診斷手段。在發(fā)現(xiàn)表淺腫瘤如乳腺癌、甲狀腺癌、皮膚癌等,對脈管炎以及其他炎癥,對骨折、骨髓炎、挫傷、關(guān)節(jié)炎,對確定燒傷和凍傷邊緣,對合理的選擇截?cái)嗖课?對植皮、臟器、移植后排異反應(yīng)的觀察,對婦產(chǎn)科臨床如胎盤的定位、針灸的經(jīng)絡(luò)穴溫度反應(yīng)等,都表現(xiàn)出了日益強(qiáng)大的應(yīng)用能力,必將促進(jìn)醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的快速發(fā)展。

遠(yuǎn)紅外成像技術(shù)首先被大量的應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和環(huán)境檢測是在1980年早期,他們主要是通過空中攝像技術(shù)來對所探測的目標(biāo)進(jìn)行寬范圍的檢測和分析。直到敏感攝像技術(shù)得到了發(fā)展,才開始了對植物進(jìn)行單株(single plant)水平上的研究。其具有的多功能性,準(zhǔn)確性和較高的分辨率(可達(dá)0.01)使得對單株植物葉片和幼苗的實(shí)時(shí)觀測成為了可能,也因此在植物研究中的應(yīng)用掀起了熱潮。如在重力作用下,對植物葉片表面與周圍環(huán)境之間熱交換的影響的研究、通過對植物如擬南芥,大麥突變體的篩選、對植物氣孔導(dǎo)度的研究、植物在脅迫環(huán)境中的研究、在寒冷環(huán)境中植物體內(nèi)的冰核形成過程的觀測研究、谷類作物由于疾病和陣風(fēng)而造成的旗葉溫度的差異測量、葉片蒸騰速率研究、單細(xì)胞的研究等［10］研究成果十分顯著,研究對象范圍也大幅度拓寬。

紅外成像技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面已有很多,剛開始用于園藝產(chǎn)品的分析和蘋果損傷的發(fā)現(xiàn)和植物健康狀況的評估。目前,已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和園藝中的貯藏室的設(shè)計(jì)和控制以及蔬菜的保鮮貯藏、對一些敏感的生物產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量評估和控制、對農(nóng)作物的生理衰變的檢測。在水果和蔬菜成熟時(shí)期,通過熱成像對其進(jìn)行熱溫的測定往往可以評估氣候?qū)ζ涞拿{迫。還有水果和蔬菜新鮮程度的評估、植物不同部分受蟲害的影響、蘋果成熟程度,糖分及種間的差異的鑒定、空氣對流量的測定等。

紅外熱像技術(shù)還應(yīng)用于材料和構(gòu)件的紅外熱像無損檢測與評價(jià)、電力和石化設(shè)備狀態(tài)的紅外熱像診斷、構(gòu)(建)物的紅外熱像檢測與節(jié)能評價(jià)、自動測試、災(zāi)害防治、地表/海洋熱分布研究［11-14］等方面。另外,紅外熱像技術(shù)在電子電路設(shè)計(jì)、材料內(nèi)部缺陷及應(yīng)力檢測、熱能設(shè)備的制造設(shè)計(jì)等科研領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

紅外熱成像測溫技術(shù)為非接觸式測溫,響應(yīng)快、不破壞被測物體的溫度場及可以檢測某些不能接觸或禁止接觸的目標(biāo),理論上講,可以用于任何需要溫度檢測的場合。

2.1 預(yù)防性維護(hù)

利用紅外熱像儀進(jìn)行預(yù)防性維護(hù),就是早期發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常情況,并相應(yīng)地采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)救措施,保證設(shè)備安全,減少損失。對大型設(shè)備,對其早期的溫度異常變化情況進(jìn)行監(jiān)測,判斷設(shè)備運(yùn)行狀況有重要意義。 圖3為船舶系統(tǒng)在配電設(shè)備、動力設(shè)備及供暖設(shè)備上拍攝的熱圖,通過熱圖溫度顯示可以快速而準(zhǔn)確地對其運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測。

2.2 質(zhì)量監(jiān)測

對船舶系統(tǒng),特別是新船出廠交付使用之前,各種部件的設(shè)計(jì)和安裝是否達(dá)到要求,還存在什么問題,在試乘航時(shí)利用紅外熱像技術(shù)可以快速而準(zhǔn)確地達(dá)到質(zhì)量監(jiān)測的目的。質(zhì)量監(jiān)測熱圖如圖4所示。

2.3 科學(xué)研究

在科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究方面,紅外熱像技術(shù)顯示出其在測試物體溫度場方面的優(yōu)勢。王喜世等利用紅外熱像儀測量火焰溫度［15］,侯成剛等利用其精確測試物體的發(fā)射率,都取得了較好的效果［16］。許永華等針對高爐爐內(nèi)溫度場的分布及高爐布料的情況提出了一種基于紅外圖像處理的高爐溫度場檢測方法,通過紅外圖像處理來建立溫度場分布模型,結(jié)合十字測溫進(jìn)行溫度定標(biāo),實(shí)現(xiàn)了高爐溫度場分布在線監(jiān)視［17］。高爐紅外熱成像儀通過高靈敏度紅外探測器,實(shí)時(shí)測溫,測量數(shù)達(dá)到十萬個(gè)溫度點(diǎn),溫度分辨率可達(dá)到＜0.5℃(200℃目標(biāo))。實(shí)時(shí)顯示的測試數(shù)據(jù)反應(yīng)了高爐內(nèi)物料溫度或高或低的變化,能精確測出爐頂物料的溫度,直觀地反應(yīng)出爐內(nèi)煤氣流上升的高度。這樣,高爐內(nèi)部燃燒情況的細(xì)微變化(特別對于物料的燃燒程度)可及時(shí)反應(yīng)出來,熱圖如 圖5所示。

3 結(jié) 語

發(fā)展到目前的熱成像系統(tǒng)已是現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)、精密光學(xué)機(jī)械、微電子學(xué)、特殊紅外工藝、新型紅外光學(xué)材料與系統(tǒng)工程的產(chǎn)物。近年來,紅外熱像儀的生產(chǎn)已經(jīng)形成了較大的產(chǎn)業(yè)群,應(yīng)用也涵蓋了幾乎所有的領(lǐng)域。作為一種全新的檢測和科研手段,紅外熱成像技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣泛,也期待能在實(shí)際運(yùn)用中發(fā)現(xiàn)更多的用途。

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作者簡介李云紅 女,1974年出生,滿族,遼寧省錦州市人,副教授,博士生。主要研究方向?yàn)榧t外熱成像技術(shù)、紅外熱像測溫技術(shù)。

孫曉剛 男,1967年出生,黑龍江省哈爾濱人,教授,博士后,哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)檩椛錅y溫、熱物性測試、智能儀表。