紅外熱像儀原理
紅外熱像儀是利用紅外探測器、光學成像物鏡和光機掃描

   紅外熱像儀是利用紅外探測器、光學成像物鏡和光機掃描

系統(tǒng)（目前先進的焦平面技術(shù)則省去了光機掃描系統(tǒng)）接受被

測目標的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元

上，在光學系統(tǒng)和紅外探測器之間，有一個光機掃描機構(gòu)（焦

平面熱像儀無此機構(gòu)）對被測物體的紅外熱像進行掃描，并聚

焦在單元或分光探測器上，由探測器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信

號，經(jīng)放大處理、轉(zhuǎn)換或標準視頻信號通過電視屏或監(jiān)測器顯

示紅外熱像圖。這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應；實

質(zhì)上是被測目標物體各部分紅外輻射的熱像分布圖由于信號非

常弱，與可見光圖像相比，缺少層次和立體感，因此，在實際

動作過程中為更有效地判斷被測目標的紅外熱分布場，常采用

一些輔助措施來增加儀器的實用功能，如圖像亮度、對比度的

控制，實標校正，偽色彩描繪等技術(shù)

    紅外熱像儀的發(fā)展

    1800年，英國物理學家F. W. 赫胥爾發(fā)現(xiàn)了紅外線，從此

開辟了人類應用紅外技術(shù)的廣闊道路。在第二次世界大戰(zhàn)中，

德國人用紅外變像管作為光電轉(zhuǎn)換器件，研制出了主動式夜視

儀和紅外通信設(shè)備，為紅外技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

    二次世界大戰(zhàn)后，首先由美國德克薩蘭儀器公司經(jīng)過近一

年的探索，開發(fā)研制的第一代用于軍事領(lǐng)域的紅外熱成像設(shè)

備，稱之為紅外尋視系統(tǒng)（FLIR），它是利用光學機械系統(tǒng)對

被測目標的紅外輻射掃描。由光子探測器接收兩維紅外輻射跡

象，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換及一系列儀器處理，形成視頻圖像信號。這種

系統(tǒng)、原始的形式是一種非實時的自動溫度分布記錄儀，后來

隨著五十年代銻化銦和鍺摻汞光子探測器的發(fā)展，才開始出現(xiàn)

高速掃描及實時顯示目標熱圖像的系統(tǒng)。

    六十年代早期，瑞典AGA公司研制成功第二代紅外成像裝

置，它是在紅外尋視系統(tǒng)的基礎(chǔ)上以增加了測溫的功能，稱之

為紅外熱像儀。

    開始由于保密的原因，在發(fā)達的國家中也僅限于軍用，投

入應用的熱成像裝置可的黑夜或濃厚幕云霧中探測對方的目

標，探測偽裝的目標和高速運動的目標。由于有國家經(jīng)費的支

撐，投入的研制開發(fā)費用很大，儀器的成本也很高。以后考慮

到在工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展中的實用性，結(jié)合工業(yè)紅外探測的特點，采

取壓縮儀器造價。降低生產(chǎn)成本并根據(jù)民用的要求，通過減小

掃描速度來提高圖像分辨率等措施逐漸發(fā)展到民用領(lǐng)域。

    六十年代中期，AGA公司研制出第一套工業(yè)用的實時成像系

統(tǒng)（THV），該系統(tǒng)由液氮致冷，110V電源電壓供電，重約35公

斤，因此使用中便攜性很差，經(jīng)過對儀器的幾代改進，1986年

研制的紅外熱像儀已無需液氮或高壓氣，而以熱電方式致冷，

可用電池供電；1988年推出的全功能熱像儀，將溫度的測量、

修改、分析、圖像采集、存儲合于一體，重量小于7公斤，儀器

的功能、精度和可靠性都得到了顯著的提高。

紅外熱像儀技術(shù)在產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測、設(shè)備在線故障診斷、安全保護以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮了正在發(fā)揮著重要作用。近二十年來，非接觸紅外熱像儀在技術(shù)上得到迅速發(fā)展，性能不斷提高，適用范圍也不斷擴大，紅外熱像儀市場占有率逐年增長。比起接觸式測溫方法，紅外熱成像儀有著響應時間快、非接觸、使用安全及使用壽命長等優(yōu)點。
選擇紅外熱像儀可分為三個方面：
1環(huán)境和工作條件方面，如環(huán)境溫度、窗口、顯示和輸出、保護附件等；
2．性能指標方面：如溫度范圍、光斑尺寸、工作波長、測量精度、響應時間等；
3.其他選擇方面，如使用方便、維修和校準性能以及價格等，也對測溫儀的選擇產(chǎn)生一定的影響。
隨著技術(shù)和不斷發(fā)展，紅外熱像儀最佳設(shè)計和新進展為用戶提供了各種功能和多用途的儀器，擴大了選擇余地。
確定測溫范圍：
測溫范圍是熱像儀最重要的一個性能指標。每種型號的熱像儀都有自己特定的測溫范圍。因此，用戶的被測溫度范圍一定要考慮準確、周全，既不要過窄，也不要過寬。根據(jù)黑體輻射定律，在光譜的短波段由溫度引起的輻射能量的變化將超過由發(fā)射率誤差所引起的輻射能量的變化，因此，用戶只需要購買在自己測量溫度內(nèi)的紅外熱像儀。
確定目標尺寸：
紅外熱像儀根據(jù)原理可分為單色測溫儀和雙色測溫儀(輻射比色測溫儀)。對于單色測溫儀，在進行測溫時，被測目標面積應充滿熱像儀視場。建議被測目標尺寸超過視場大小的50%為好。如果目標尺寸小于視場，背景輻射能量就會進入熱像儀的視聲符支干擾測溫讀數(shù)，造成誤差。相反，如果目標大于熱像儀的視場，熱像儀就不會受到測量區(qū)域外面的背景影響。
確定光學分辨率(距離系靈敏):
光學分辨率由D與S之比確定，是熱像儀到目標之間的距離D與測量光斑直徑S之比。如果測溫儀由于環(huán)境條件限制必須安裝在遠離目標之處，而又要測量小的目標，就應選擇高光學分辨率的熱像儀。光學分辨率越高，即增大D：S比值，熱像儀的成本也越高。確定波長范圍：目標材料的發(fā)射率和表面特性決定熱像儀的光譜響應或波長。對于高反射率合金材料，有低的或變化的發(fā)射率。在高溫區(qū)，測量金屬材料的最佳波長是近紅外，可選用0.18-1.0μm波長。其他溫區(qū)可選用1.6μm、2.2μm和3.9μm波長。由于有些材料在一定波長是透明的，紅外能量會穿透這些材料，對這種材料應選擇特殊的波長。如測量玻璃內(nèi)部溫度選用1.0μm、2.2μm和3.9μm(被測玻璃要很厚，否則會透過)波長；測量玻璃內(nèi)部溫度選用5.0μm波長；測低區(qū)區(qū)選用8-14μm波長為宜；再如測量聚乙烯塑料薄膜選用3.43μm波長，聚酯類選用4.3μm或7.9μm波長。厚度超過0.4mm選用8-14μm波長；又如測火焰中的CO2用窄帶4.24-4.3μm波長，測火焰中的CO用窄帶4.64μm波長，測量火焰中的NO2用4.47μm波長。
確定響應時間：
響應時間表示紅外熱像儀對被測溫度變化的反應速度，定義為到達最后讀數(shù)的95%能量所需要時間，它與光電探測器、信號處理電路及顯示系統(tǒng)的時間常數(shù)有關(guān)?，F(xiàn)在的紅外熱像儀的反映速度都很快。這要比接觸式測溫方法快得多。如果目標的運動速度很快或測量快速加熱的目標時，要選用快速響應紅外熱像儀，否則達不到足夠的信號響應，會降低測量精度。然而，并不是所有應用都要求快速響應的紅外熱像儀。對于靜止的或目標熱過程存在熱慣性時，紅外熱像儀的響應時間就可以放寬要求了。因此，紅外熱像儀響應時間的選擇要和被測目標的情況相適應。
環(huán)境條件考慮：
熱像儀所處的環(huán)境條件對測量結(jié)果有很大影響，應加以考慮并適當解決，否則會影響測溫精度甚至引起熱像儀的損壞。當環(huán)境溫度過高、存在灰塵、煙霧和蒸汽的條件下，可選用廠商提供的保護套、水冷卻、空氣冷卻系統(tǒng)、空氣吹掃器等附件。這些附件可有效地解決環(huán)境影響并保護熱像儀，實現(xiàn)準確測溫。在確定附件時，應盡可能要求標準化服務，以降低安裝成本。在密封的或危險的材料應用中(如容器或真空箱)，熱像儀通過窗口進行觀測。材料必須有足夠的強度并能通過所用測溫儀的工作波長范圍。還要確定操作工是否也需要通過窗口進行觀察，因此要選擇合適的安裝位置和窗口材料，避免相互影響。在低溫測量應用中，通常用Ge或Si材料作為窗口，不透可見光，人眼不能通過窗口觀察目標。如操作員需要通過窗口目標，應采用既透紅外輻射又透過可見光的光學材料，如應采用既透紅外輻射又透過可見光的光學材料，如ZnSe或BaF2等作為窗口材料。
操作簡單，使用方便：
紅外熱像儀應該是直觀的，操作簡單，易于被操作人員使用，其中便攜式紅外熱像儀是一種集測溫和顯示輸出為一體的小型、輕便、由人攜帶進行測溫的儀器，在顯示面板上可顯示溫度和輸出各種溫度信息，有的可通過遙控或通過計算機軟件程序操作。在環(huán)境條件惡劣復雜的情況下，可以選擇測溫頭和顯示器分開的系統(tǒng)，以便于安裝和配置?？蛇x擇與現(xiàn)行控制設(shè)備相匹配的信號輸出形式。紅外輻射熱像儀的標定：紅外熱像儀必須經(jīng)過標定才能使它正確地顯示出被測目標的溫度。如果所用的測溫儀在使用中出現(xiàn)測溫超差，則需退回廠家或維修中心重新標定。

正確使用紅外熱像儀 的過程：
1)調(diào)整焦距
2)選擇正確的測溫范圍
3)了解最大測量距離
4)僅僅要求生成清晰紅外熱圖像，還是同時要求精確測溫？
5)工作背景單一
6)保證測量過程中儀器平穩(wěn)

1)調(diào)整焦距
您可以在紅外圖像存儲后對圖像曲線進行調(diào)整，但是您無法在圖像存儲后改變焦距，也無法消除其他雜亂的熱反射。保證第一時間操作正確性將避免現(xiàn)場的操作失誤。仔細調(diào)整焦距！如果目標上方或周圍背景的過熱或過冷的反射影響到目標測量的精確性時，試著調(diào)整焦距或者測量方位，以減少或者消除反射影響。(FoRD的意思是：Focus焦距，Range范圍, Distance距離)
2)選擇正確的測溫范圍
您是否了解現(xiàn)場被測目標的測溫范圍？為了得到正確的溫度讀數(shù)，請務必設(shè)置正確的測溫范圍。當觀察目標時，對儀器的溫度跨度進行微調(diào)將得到最佳的圖像質(zhì)量。這也將同時會影響到溫度曲線的質(zhì)量和測溫精度。
3)了解最大的測量距離
當您測量目標溫度時，請務必了解能夠得到精確測溫讀數(shù)的最大測量距離。對于非制冷微熱量型焦平面探測器，要想準確地分辨目標，通過熱像儀光學系統(tǒng)的目標圖像必須占到9個像素，或者更多。 如果儀器距離目標過遠，目標將會很小，測溫結(jié)果將無法正確反映目標物體的真實溫度，因為紅外熱像儀此時測量的溫度平均了目標物體以及周圍環(huán)境的溫度。為了得到最精確的測量讀數(shù)，請將目標物體盡量充滿儀器的視場。顯示足夠的景物，才能夠分辨出目標。與目標的距離不要小于熱像儀光學系統(tǒng)的最小焦距，否則不能聚焦成清晰的圖像。
4)僅僅要求生成清晰紅外熱圖像，還是同時要求精確測溫？
這之間有什么區(qū)別嗎？一條量化的溫度曲線可用來測量現(xiàn)場的溫度情況，也可以用來編輯顯著的溫升情況。清晰的紅外圖像同樣十分重要。但是如果在工作過程中，需要進行溫度測量，并要求對目標溫度進行比較和趨勢分析，便需要記錄所有影響精確測溫的目標和環(huán)境溫度情況，例如發(fā)射率，環(huán)境溫度，風速及風向，濕度，熱反射源等等。
5)工作背景單一
例如，天氣寒冷的時候，在戶外進行檢測工作時，你將會發(fā)現(xiàn)大多數(shù)目標都是接近于環(huán)境溫度的。當在戶外工作時，請務必考慮太陽反射和吸收對圖像和測溫的影響。因此，有些老型號的紅外熱像儀只能在晚上進行測量工作，以避免太陽反射帶來的影響。
6)保證測量過程中儀器平穩(wěn)
現(xiàn)在所有的長波FLIR紅外熱像儀都有固定的幀頻速率，因此在拍攝圖像過程中，由于儀器移動可能會引起圖像模糊。為了達到最好的效果，在凍結(jié)和記錄圖像的時候，應盡可能保證儀器平穩(wěn)。當按下存儲按鈕時，應盡量保證輕緩和平滑。即使輕微的儀器晃動，也可能會導致圖像不清晰。推薦在您胳膊下用支撐物來穩(wěn)固，或?qū)x器放置在物體表面，或使用三腳架。