PDF《红外检测技术原理及应用》

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4 年9月第

3 期(新疆电力) 总第

8 2 期 红外检测技术原理及应用 杨殿成 邱朝 阳 新疆电力科学研究院( 乌鲁木齐

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0 1 X )

0 ) 【 文摘】 就国内外红外检测技术的发展和应用, 介绍了其基础 理论 、 红外 热像 仪 的工作 原理 以及 影响测 温 系统精 度 的主要 困素及其解 决方法.

【 关键词】 红外 测温 原理

0 概述红外检测技术 以其特有 的非接触 、 实时快速、 形象直 观、准确度高、 适用面广等一系列优点 , 备受 国内外工业 企业用户的青睐.目前 . 在工业生产过程、 产 品质量控制 和监测、 设备 的在线故 障诊 断和安全防护 以及节 约能源 等方面, 红外检测技术都发 挥着非 常重要 的作用.尤其 是近

2 0 年来 , 随着科学技术的飞速发展 , 红外测温仪在技 术上得 到了迅速发展, 其性能不断完善. 功能不断增强, 适用范围也不断扩大. 红外检测是一种 非接 触式在线监测的高科 技技术, 它集 光电成像 、 计算机 、 图像处理等技术 于一体 , 通过接 收物体发射的红 外线 , 将 其温度分布 以图像的方式 显示 于屏幕, 从而使 检测者 能够准确判断物体表面的温度分 宇宙射线 ^ <

l p m X射线 l n m~ l O n m 布状况 . 具有实时、 准确、 快速、 灵敏度高等优点 .它能够 检测出设备细微的热状态变化 , 准确反应设备 内、 外部的 发热状况 . 对发现设备的早期缺陷及隐患非常有效. 红外检测技术能够对电气设备的早期故障缺陷及绝 缘性能做出可靠 的预测 , 使传统 的预 防性维修提 高到预 知状态检修, 这也是现代 电力企业发展 的方 向.尤其是 现代电力工业向着超高压、 大容量、 大机组 的方 向迅速发 展, 对 电网的安全稳定、 电力系统 的可靠运行 , 提出 了越 来越高的要求.随着红外检测技 术的 日臻完善 , 利用其 实时在线监测和诊断电气设备绝缘故障已得到 了迅速发 展.红外检测技术在电力行业的应用 , 对提高电气设备 的可靠性及有效性 , 提高运行经济效益 , 降低维修成本都 具非常意义. l 红外原理 红外线或 称红外辐射 就是 电磁 波谱 中 比微波 波长 短、 比可见光 光 波长 的电磁 波, 波长 范 围在

0 .

7 5 一lO00pum,在光谱中的位置如图

1 : 可光微波 无线电波

3 8

0 n m一-780nmlmm~ l c m >

1 c m 伽马射线 l p m ~ l O p m 紫外线 l O n m ~

3 8

0 n m I 增人红外线

0 .

7 5 u m ~ l

0 0

0 m 图1光谱分布 红外线具有电磁波的共同特征, 以横波的形式在空间 只是理论研究者抽象 出来 的一种理想化物体模型.在自传播 , 在真空中和光线 的传播速度相 同.红外线辐射是 自 然界中完全的黑体是不存在的, 为了表示某一物体与黑体 然界存在的一种最广泛的电磁波辐射 , 是基于任何物质在 辐射的偏离, 用发射率 ￡ 表征.它表示实际物体辐射功率 常规环境下都会产生 自身的分子和原子无规则热运动 , 并 与黑体辐射功率之比, 当￡ =1 , 即为理想黑体;

当￡=0 , 即 不停 的辐射 出红外能量 , 分子和原子的无规则热运动越剧 为完全透明体.发射率 ￡ 是与物体的材料 、 表面几何形状 烈, 辐射的能量就越大. 自然界 中任何物体只要温度高于 以及温度和表面加工程度有关的一个参数. 绝对零度( 一273.15℃) 就会产生 自发的电磁波辐射. 黑体热辐射的基本规律是红外线研究及应用的基础 . 由于实际物体的情况较为复杂, 所以在研究其辐射规 它揭示 了黑体发射的红外热辐射随温度及波长变化的定 律时 , 以黑体这种简单 的模型人手.所谓黑体, 就是 在任 量关系.同样. 也是研究红外检测技术的基本 出发点 .它 何情况下对一切波长的入射辐射吸收率都等于

1 的物体. 由四大定律构成 : (

1 ) 辐射的光谱分布规律――普 朗克辐 显然 , 因为 自然界中实际存在的任何物体对不同波长的入 射定律 ;

(

2 ) 辐射光谱的移动规律――维思位移 定律;

(

3 ) 射辐射都有一定 的反射 , 即吸收率不等于

1 .所以, 黑体 辐射功率随温度的变化规律――斯蒂芬 一 玻尔兹曼定律;

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0 4 年9月第

3 期(4)辐射的空间分布规律――朗伯余弦定律. 普朗克辐射定律 : 一个绝对温度为 T ( K ) 的黑体, 单位 表面积在波长 附近单位波长间隔内向整个半球空间发 射的辐射功率 ( 简称光谱辐射度) M m ( T ) , 与波长 、 温度 T 满足以下关 系: . .

2 l

6 ― e x p ( ~/ ― A k T ) -1 = C

1 e x p ( C

2 / ) , T ) 一1 ] (

1 ) c 一 真空 中的光速, c =l O s m / s ^ ―普 朗克常数 , h =6 .

6 2

5 6 X

1 0 一S2.i}一玻尔兹曼常数 , k =1 .

3 8

0 5

4 X W・ s / K C

1 一第一 辐射常数 , C

1 =2

1 t h e =3 .

7 4

1 5 X l O s W・ m _2. c

2 一第二辐射常数, c

2 =h c l k =1 .

4 3

8 7

9 X

1 ・ K 普朗克辐射定律给出了黑体在温度 T ( K ) 时的辐射光 谱分布特征 , 以不同的温度 由上式可计算出黑体在不同温 度下发射辐射的光谱分布曲线如图

2 : 由图中曲线可以看 出黑体辐射具有 以下几个特征 : (

1 ) 任何温度下 , 黑体的光谱辐射度 M ( T ) 都随波长 连续变化, 每条 曲线只有一个极大值 . (

2 ) 随着温度的升高 , 与光谱辐射度 M m ( T ) 极大值对 应的波长减小.这表面随着温度升高 , 黑体辐射 中的短波 长辐射所 占比例增加 . 莹N琶≥L一 鼍摹密菠长( 肿)圈2不同温度下的黑体光谱辐射度 (

3 )随着温度升高, 黑体辐射 曲线全 面提 高, 即在任 一 指定波长 处, 与较高温度相应的光谱辐射度 M m ( T ) 也 较大 .由于每种波长的辐射都随温度升高而增加 , 所以黑 体单位表面积发射所有波长的全部辐射功率 曲线下包围 的面积, 也随着温度升高而迅速增加.维恩位移定律 : 揭 示了黑体光谱辐射度极大值相对应 的波长 ( 峰值辐射 波长) 随温度的变化关系. T=

2 8

9 7 .

8 , u m・ K (

2 ) 该关系式表明了黑体辐射光谱分布的峰值波长 随 其绝对温度 T乘反 比移动.由上式可计算出在一般室温

2 7 ℃(

3 0 o K ) 下 的黑体 , 其辐射 峰值 为9.7pm, 集 中在 8―

1 2 / ~ o 斯蒂芬 一玻尔兹曼定律 : 描述的是黑体单位表面积向 整个半球空间发射 的所有波长的总辐射功率 ( T ) 随其 温度的变化规律, 数学描述为 : 帆( ) =』 尬6 ( T ) 一一6 [ e x p ( c

2 1 x T ) 一1 = (

3 ) 口 ―斯蒂芬 一 玻尔兹曼常数, 口=c1/(15c苎)=5 .

6 7

0 5

1 X

1 0 ―

0 ( m2 ・ ) 该关 系式表明凡是温度高于开氏零度的物体, 都会 自 发地向外发射红外热辐射 , 且黑体单位表面积发射的总辐 射功率与其开氏温度的四次方乘正比.因而 , 当温度有较 小变化时, 就会引起物体发射 的辐射功 率有很大 的变化 , 因此红外检测是非常灵敏的. 朗伯余弦定律 : 黑体( 或任何其它漫辐射体) 在任意方 向上的辐射强度与观测方 向相对于辐射表面法线夹角 的 余弦成正比, 表示为 : = ;

o c o s a (

4 ) 在与辐射表面法线夹角为

0 方向上的辐射强度 l D 一在辐射表面法线方向(

0 = O ) 的辐射强度 由上式可知, 黑体或漫反射体在辐射表面法线方 向上 的辐射最强.因此 , 做红外检测时应尽可能选择在被测表 面法线方向进行 , 如果在与法线成

0 角 方向检测 , 则接收 到的红外辐射信号将减弱为法线方向的 c

0 6 . 倍. 堆位 体表面{发qj的总幅II寸JJJW/IT13104l0'

102)0K渡长(ui l

1 ) 圈3 黑体单位表面积发射的总辐射功率 与其温度的变化规律

2 红外热像仪工作原理 红外热像仪是利用红外探测器、 光学成像物镜和光机 扫描系统( 目前先进的焦平面技术则省去 了光 机扫描 系统) 接收被测 目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探 测器的光敏元件上.在光学系统和红外探测器之间, 有一

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4 年9月第

3 期《新疆电力》 总第

8 2 期 个光机扫描机构( 焦平面热像仪无此机构) 对被测物体 的 红外热像进行扫描, 并聚焦在单元或分光探测器上, 由探 测器将红外辐射能量转换成电信号.经过放大处理、 转换 或标准视频信号通过屏幕显示 出被测 目标的红外热像 图. 这种热像 图与物体表面的热场分布相对应 , 实质上就是被 测 目标物体各部分红外辐射的热像分布图由于信号较弱, 与可见光 图像相 比, 缺少层次和立体感.因此 , 在实际动 作过程中更为有效的判断被测 目标的红外热场分布, 常采 用一些其它辅 助措 施来增加仪器 的实用 功能, 如 图像 亮度、对比度控制 、 伪彩色等技术.

3 影响测温系统精度的主要因素及其 解 决方法

3 .

1 红外辐射的大气衰减 物体发 出的红外热辐射在到达检测系统的过程 中要 经过空气 , 所以必须考虑到红外线通过大气或空气时所受 到的影响. 一 般来说 , 大气对可见光是透射性能 良好 的媒质 , 但 对不同波长的红外辐射却产生不同程度 的衰减.造成 辐 射衰减的主要原 因是大气中水蒸气 、 C C h 、 C O 、 o

3 和CH,等气体的选择性吸收 , 以及大其中悬浮的各种微粒的散射所 致.在接近地面的空气 中, 对红外线的衰减起主要作用的 是水蒸气和 C C h , 大气对红外线的吸收情况见图

4 : ( ) '

H : O

1 -

1 2

0 cO , O3 I 吸t20CO: q '

- t CO 一2oH2

0 ( : O2 c O: C O : 吸收分-t图4大气对红外线的吸收 由上图可以看出, 在0pm~1

5 p r o波长范围内, 大致有 由黑体定律可知 , 只要测量出物体的辐射功率 , 原则 三个红外波段在大气 中透射较好, 通常称这些波段为大气 上就可以推知该物体的温度状态.但是, 由于不同物体的 窗1 :

3 , 它们分别为

1 / a n ~3 p m、

3 p m~

5 p m、

8 p m ~1

4 p r o.由 普朗克辐射定律可知, 随着温度的升高 , 与光谱辐射度 M 地(T)极大值对应 的波 长减小.表面随着温度升高, 黑体辐 射中的短波长辐射所 占比例增加. 因此应根据被测 目标的温度范围, 选择响应波长接近 的红外检测仪.当检测对象主要 以高温 目标为主时, 目标 在短波长范 围的辐射所 占比例较大, 应选择

3 p m~

5 p m 的 红外检测仪器 ;

当检测对象以接近环境温度(

3 0 o K ) 的低温 目标为主时 , 应选 择响应波长范 围在

8 p m一1

4 p r o的红外 检测仪为宜. 尽管高温 目标用

8 p m~1

4 p r o、 低温 目标用

3 p m~

5 p m 响应波段的红外检测仪也能够进行检测 , 但因为仪器接收 的信号在 目标总辐射中所 占比例较小 , 势必造成较大 的测 量误差 . 为减少大气衰减对红外检测的影响, 首先应根据被测 目标选择合适响应波段的检测仪器 , 其次检测应尽量安排 在 大气 较干 燥和 清洁 的季 节, 并 要求相 对湿 度不超 过85%, 在保障安全的前提下 , 适 当减小检测距离.

3 .

2 根据被测 目标选择适当的发射率 ￡

3 0 光谱发射率 ￡ 不同, 而且它又是一个 与物体材料性质、 表 面加工状态以及温度等因素有关 的一个量, 因此给红外辐 射检测带来了一定程度 的不确定性.为 了克........