紅外線檢測(cè)（紅外輻射檢測(cè)）的原理以及紅外測(cè)溫儀

紅外線檢測(cè)（紅外輻射檢測(cè)）的原理

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)方法中的紅外線檢測(cè)（紅外輻射檢測(cè)）的實(shí)質(zhì)是利用物體輻射紅外線的特點(diǎn)進(jìn)行非接觸的紅外溫度記錄法。
紅外線是一種電磁波，具有與無(wú)線電波及可見(jiàn)光一樣的本質(zhì)，波長(zhǎng)在0.76～100μm之間，按波長(zhǎng)的范圍可分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外、極遠(yuǎn)紅外四類(lèi)，它在電磁波連續(xù)頻譜中的位置是處于無(wú)線電波與可見(jiàn)光之間的區(qū)域。紅外線輻射是自然界存在的一種為廣泛的電磁波輻射，它是基于任何物體在常規(guī)環(huán)境下都會(huì)產(chǎn)生自身的分子和原子無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，并不停地輻射出熱紅外能量，分子和原子的運(yùn)動(dòng)愈劇烈，輻射的能量愈大，反之，輻射的能量愈小。

一切溫度在零度（-273.15K°）以上的物體，都會(huì)因自身的分子運(yùn)動(dòng)而不停地向周?chē)臻g輻射出紅外線，物體的紅外輻射能量的大小及其按波長(zhǎng)的分布與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。通過(guò)紅外線輻射的探測(cè)器將物體輻射的功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后（對(duì)物體自身輻射的紅外能量的測(cè)量），就能準(zhǔn)確地測(cè)定它的表面溫度，或者通過(guò)成像裝置的輸出信號(hào)就可以*一一對(duì)應(yīng)地模擬掃描物體表面溫度的空間分布，經(jīng)電子系統(tǒng)處理，傳至顯示屏上，得到與物體表面熱分布相應(yīng)的熱像圖。運(yùn)用這一方法，便能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)距離熱狀態(tài)圖像成像和測(cè)溫并進(jìn)行分析判斷，亦即紅外輻射檢測(cè)的基本原理。
普朗克黑體輻射定律：黑體是一種理想化的輻射體，它吸收所有波長(zhǎng)的輻射能量，沒(méi)有能量的反射和透過(guò)，其表面的發(fā)射率為1。雖然自然界中并不存在真正的黑體，但是為了弄清和獲得紅外輻射分布規(guī)律，在理論研究中必須選擇合適的模型，這就是普朗克提出的體腔輻射的量子化振子模型，從而導(dǎo)出了普朗克黑體輻射的定律，即以波長(zhǎng)表示的黑體光譜輻射度，這是一切紅外輻射理論的出發(fā)點(diǎn)，故簡(jiǎn)稱(chēng)黑體輻射定律。
自然界中存在的實(shí)際物體，幾乎都不是黑體。所有實(shí)際物體的輻射量除依賴(lài)于輻射波長(zhǎng)及物體的溫度之外，還與構(gòu)成物體的材料種類(lèi)、制備方法、熱過(guò)程以及表面狀態(tài)和環(huán)境條件等因素有關(guān)。因此，為使黑體輻射定律適用于所有實(shí)際物體，必須引入一個(gè)與材料性質(zhì)及表面狀態(tài)有關(guān)的比例系數(shù)，即發(fā)射率。該系數(shù)表示實(shí)際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，其值在零和小于1的數(shù)值之間。根據(jù)輻射定律，只要知道了材料的發(fā)射率，就知道了任何物體的紅外輻射特性。
根據(jù)材料的熱擴(kuò)散率（發(fā)射率）：a=k/(ρ·c)，式中：k-材料的導(dǎo)熱率；ρ-材料質(zhì)量體密度；c-材料的比熱
可知熱擴(kuò)散率（發(fā)射率）與材料性質(zhì)有關(guān)。對(duì)于均勻無(wú)缺陷的材料，a為常數(shù)。當(dāng)在均勻材料中有缺陷存在時(shí)，缺陷相當(dāng)于具有另一熱擴(kuò)散率的材料，因而有缺陷部分與無(wú)缺陷部分的熱狀態(tài)不同，表現(xiàn)在材料表面有不同。熱傳導(dǎo)的差異在材料表面形成時(shí)間和空間上的溫度梯度，即溫度擾動(dòng)：△T=Tf-T，式中：△T-溫度擾動(dòng)；Tf-有缺陷處的材料表面溫度；T-無(wú)缺陷處的材料表面溫度。△T不僅與材料的熱擴(kuò)散率有關(guān)，而且與缺陷的幾何尺寸和埋藏深度有關(guān)。
當(dāng)材料表面的溫度差大于紅外熱象儀的小可測(cè)溫度時(shí)，即可在熱象儀上觀察試件表面溫度分布的熱圖像，分析判斷材料中是否存在缺陷，從而達(dá)到檢測(cè)目的。也就是說(shuō)：影響發(fā)射率的主要因素與材料種類(lèi)、表面粗糙度、理化結(jié)構(gòu)和材料厚度等相關(guān)。
如果通過(guò)在試件背面或正面加熱（人工或自然加熱），從而向被檢試件注入一定的熱量（主動(dòng)式），以便進(jìn)行的紅外檢測(cè)屬于主動(dòng)式紅外檢測(cè)。依靠物體自身熱輻射而對(duì)其溫度場(chǎng)被動(dòng)成象的紅外檢測(cè)屬于被動(dòng)式紅外檢測(cè)。例如利用試件自身存在的熱源（被動(dòng)式），當(dāng)試件內(nèi)部存在缺陷時(shí)，因?yàn)槿毕莸膶?dǎo)熱性與母體材料的導(dǎo)熱性有差異，可以測(cè)量這種差異從而檢出缺陷。
目前常用的紅外檢測(cè)方式仍以被動(dòng)式紅外檢測(cè)為多。被動(dòng)式紅外檢測(cè)除了在工業(yè)上用于設(shè)備、構(gòu)件等的熱點(diǎn)檢測(cè)外，在軍事上應(yīng)用如紅外夜視儀、紅外瞄準(zhǔn)鏡等，在醫(yī)學(xué)上可應(yīng)用于檢查人體溫度異常區(qū)域，例如2003年的薩斯（SARS）流行期間安置于機(jī)場(chǎng)、車(chē)站等人流密集的地方監(jiān)視人體額頭部位有無(wú)發(fā)熱就是一個(gè)典型的應(yīng)用實(shí)例。
紅外檢測(cè)（紅外診斷技術(shù)）是一種在線監(jiān)測(cè)的檢測(cè)技術(shù)，它集光電成像技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)于一身，通過(guò)接收物體發(fā)出的紅外線(紅外輻射)，將其熱像顯示在熒光屏上，從而準(zhǔn)確判斷物體表面的溫度分布情況，具有準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、快速等優(yōu)點(diǎn)。任何物體由于其自身分子的運(yùn)動(dòng)，不停地向外輻射紅外熱能，從而在物體表面形成一定的溫度場(chǎng)，俗稱(chēng)“熱像”。紅外診斷技術(shù)正是通過(guò)吸收這種紅外輻射能量，測(cè)出設(shè)備表面的溫度及溫度場(chǎng)的分布，從而判斷設(shè)備發(fā)熱情況。目前應(yīng)用紅外診技術(shù)的測(cè)試設(shè)備比較多，如紅外測(cè)溫儀、紅外熱電視、紅外熱像儀等等。紅外熱電視、紅外熱像儀等設(shè)備利用熱成像技術(shù)能將這種看不見(jiàn)的“熱像”轉(zhuǎn)變成可見(jiàn)光圖像，使測(cè)試效果直觀，靈敏度高，能檢測(cè)出設(shè)備細(xì)微的熱狀態(tài)變化，準(zhǔn)確反映設(shè)備內(nèi)部、外部的發(fā)熱情況，可靠性高，對(duì)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患非常有效。紅外熱成像系統(tǒng)已經(jīng)在電力、消防、石化以及醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
紅外測(cè)溫技術(shù)在產(chǎn)品質(zhì)量控制和監(jiān)測(cè)、設(shè)備在線故障診斷、安全保護(hù)以及節(jié)約能源等方面發(fā)揮了重要作用。
紅外檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是能非接觸遙控測(cè)量，直接顯示實(shí)時(shí)圖像，靈敏度較高，檢測(cè)速度快。紅外熱象儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用安全，信息數(shù)據(jù)處理速度快，并能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)和*性記錄，在檢測(cè)時(shí)受試件表面光潔度影響小等。因此，紅外檢測(cè)已廣泛應(yīng)用于金屬、非金屬構(gòu)件，尤其適用于導(dǎo)熱系數(shù)低的材料，如檢測(cè)復(fù)合材料、膠接結(jié)構(gòu)和疊層結(jié)構(gòu)中的孔洞、裂紋、分層和脫粘類(lèi)缺陷，還可用于聚合物、橡膠、尼龍、膠紙板、石棉、有機(jī)玻璃、水泥制品、陶瓷等的質(zhì)量檢測(cè)，對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)整體或殼體、航空發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、渦輪葉片、電子儀器的整機(jī)或組件（如印刷電路板、集成電路塊等）的溫度監(jiān)控，可以檢查元件的質(zhì)量、釬焊質(zhì)量及工作狀態(tài)，并且在電力設(shè)備（如發(fā)電機(jī)組的換向觸點(diǎn)、變壓器、高壓瓷瓶、高壓開(kāi)關(guān)與觸頭、輸變電線路等）的熱點(diǎn)檢測(cè)、鐵路車(chē)輛的熱軸檢測(cè)、建筑工程中墻體構(gòu)造異常和墻飾面層質(zhì)量的檢測(cè)，以及石油化工、采暖、節(jié)能等多方面都獲得了應(yīng)用。
紅外檢測(cè)的缺點(diǎn)是由于檢測(cè)靈敏度與熱輻射率相關(guān)，因此受試件表面及背景輻射的干擾，受缺陷大小、埋藏深度的影響，對(duì)原試件分辨率差，不能測(cè)定缺陷的形狀、大小和位置。在檢測(cè)時(shí)對(duì)時(shí)間-溫度關(guān)系要求嚴(yán)格，需要使用如液氮冷卻的探測(cè)器（新型的紅外熱象儀已經(jīng)不需要采用液氮或高壓氣冷卻，而以熱電方式致冷，可用電池供電），檢測(cè)結(jié)果的解釋比較復(fù)雜，需要有參考標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)操作人員需要經(jīng)過(guò)培訓(xùn)等。新一代的紅外熱象儀已經(jīng)能夠?qū)囟鹊臏y(cè)量、修改、分析、圖像采集、存儲(chǔ)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。

溫濕度計(jì)/溫濕度記錄儀 門(mén)式測(cè)溫儀 人體* * 紅外熱像儀 在線測(cè)溫儀

鋼化玻璃檢測(cè)儀 熱敏式風(fēng)速儀 激光測(cè)距儀 水分測(cè)試儀 數(shù)字風(fēng)速儀 數(shù)字照度計(jì) 數(shù)字噪音計(jì) 氣壓計(jì) 

電能質(zhì)量分析儀 手持式示波器 數(shù)字信號(hào)發(fā)生器 數(shù)字存儲(chǔ)示波器 電阻電容感測(cè)試儀 漏電保護(hù)測(cè)試儀 接地電阻測(cè)試儀 絕緣電阻測(cè)試儀 數(shù)字鉗形表 數(shù)字萬(wàn)用表 相序表 兆歐表 功率計(jì) 電力監(jiān)測(cè)儀 激光轉(zhuǎn)速表 直流穩(wěn)壓電源  汽車(chē)電路檢測(cè)儀 甲醇冰點(diǎn)儀 防凍液冰點(diǎn)儀

選擇紅外測(cè)溫儀時(shí)的考慮主要有以下方面：
（1）性能指標(biāo)方面，如：
測(cè)溫范圍：每種型號(hào)的測(cè)溫儀都有自己特定的測(cè)溫范圍，既不要過(guò)窄，也不要過(guò)寬，一般來(lái)說(shuō)，測(cè)溫范圍越窄，監(jiān)控溫度的輸出信號(hào)分辨率越高，精度可靠性容易解決。測(cè)溫范圍過(guò)寬，會(huì)降低測(cè)溫精度
工作波長(zhǎng)：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(guò)由發(fā)射率誤差所引起的輻射能量的變化，因此，測(cè)溫時(shí)應(yīng)盡量選用短波較好，但是還必須結(jié)合被檢測(cè)對(duì)象考慮發(fā)射率的因素：
目標(biāo)材料的發(fā)射率和表面特性決定測(cè)溫儀的光譜相應(yīng)波長(zhǎng)，對(duì)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(cè)量金屬材料的jia波長(zhǎng)是近紅外，可選用0.8~1.0μm。其他溫區(qū)可選用1.6、2.2和3.9μm。由于有些材料在一定波長(zhǎng)上是透明的，紅外能量會(huì)穿透這些材料，對(duì)這種材料應(yīng)選擇特殊的波長(zhǎng)，如測(cè)量玻璃內(nèi)部溫度選用波長(zhǎng)1.0、2.2和3.9μm（被測(cè)玻璃要很厚，否則會(huì)透過(guò)）；測(cè)玻璃表面溫度選用5.0μm；測(cè)低溫區(qū)選用8~14μm為宜，又如測(cè)量聚乙烯塑料薄膜選用3.43μm，聚酯類(lèi)選用4.3或7.9μm，厚度超過(guò)0.4mm的選用8~14μm，如測(cè)火焰中的CO用窄帶4.64μm，測(cè)火焰中的NO2用4.47μm等。
光點(diǎn)尺寸：測(cè)溫儀測(cè)量點(diǎn)的面積稱(chēng)為“光點(diǎn)尺寸”（spot size），為了獲得的溫度讀數(shù)，測(cè)溫儀與測(cè)試目標(biāo)之間的距離必須有合適的范圍，距離目標(biāo)越遠(yuǎn)，光點(diǎn)尺寸就越大。因此在應(yīng)用中要注意距離與光點(diǎn)尺寸的比率，或稱(chēng)D：S。在確定測(cè)量距離時(shí)，應(yīng)注意使目標(biāo)直徑等于或大于受測(cè)的光點(diǎn)尺寸。如果目標(biāo)小于受測(cè)的光點(diǎn)尺寸，則測(cè)溫儀將同時(shí)在測(cè)量背景物體的溫度，從而降低了讀數(shù)的性。
紅外測(cè)溫儀根據(jù)原理可分為單色測(cè)溫儀和雙色測(cè)溫儀（輻射比色測(cè)溫儀）。對(duì)于單色測(cè)溫儀，在進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，被測(cè)目標(biāo)面積應(yīng)充滿測(cè)溫儀視場(chǎng)。一般建議被測(cè)目標(biāo)尺寸超過(guò)視場(chǎng)大小的50%為好。如果目標(biāo)尺寸小于視場(chǎng)，背景輻射能量就會(huì)進(jìn)入測(cè)溫儀的視場(chǎng)干擾測(cè)溫讀數(shù)，造成誤差。對(duì)于雙色測(cè)溫儀，其溫度是由兩個(gè)獨(dú)立的波長(zhǎng)帶內(nèi)輻射能量的比值來(lái)確定的。因此當(dāng)被測(cè)目標(biāo)很小，不能充滿視場(chǎng)，測(cè)量通路上存在煙霧、塵埃、阻擋，對(duì)輻射能量有衰減時(shí)，都不會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生重大影響。對(duì)于細(xì)小而又處于運(yùn)動(dòng)或震動(dòng)之中的目標(biāo)，有時(shí)在視場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)，或可能部分移出視場(chǎng)的目標(biāo)，在此條件下，使用雙色測(cè)溫儀將更為適宜。如果測(cè)溫儀和目標(biāo)之間不可能直接瞄準(zhǔn)，測(cè)量通道彎曲、狹小、受阻等情況下，選用雙色光纖測(cè)溫儀是適宜的。這是由于其直徑小，有柔性，可以在彎曲、阻擋和折疊的通道上傳輸光輻射能量，因此可以測(cè)量難以接近、條件惡劣或靠近電磁場(chǎng)的目標(biāo)。
距離系數(shù)（光學(xué)分辨率）由D：S之比確定，即測(cè)溫儀探頭到目標(biāo)之間的距離D與光點(diǎn)直徑之比。如果測(cè)溫儀由于環(huán)境條件限制必須安裝在遠(yuǎn)離目標(biāo)之處，而又要測(cè)量小的目標(biāo)，就應(yīng)選擇高光學(xué)分辨率的測(cè)溫儀，光學(xué)分辨率越高，亦即增大了D：S比值。如果測(cè)溫儀遠(yuǎn)離目標(biāo)，而目標(biāo)又小，就應(yīng)選擇高距離系數(shù)的測(cè)溫儀。對(duì)于固定焦距的測(cè)溫儀，在光學(xué)系統(tǒng)焦點(diǎn)處為光斑小位置，近于和遠(yuǎn)于焦點(diǎn)位置光斑都會(huì)增大。存在兩個(gè)距離系數(shù)。因此，為了能在接近和遠(yuǎn)離焦點(diǎn)的距離上準(zhǔn)確測(cè)溫，被測(cè)目標(biāo)尺寸應(yīng)大于焦點(diǎn)處光斑尺寸，變焦測(cè)溫儀有一個(gè)小焦點(diǎn)位置，可根據(jù)到目標(biāo)的距離進(jìn)行調(diào)節(jié)。增大D：S，接收的能量就減少，如不增大接收口徑，距離系數(shù)D：S很難做大。
響應(yīng)時(shí)間：表示紅外測(cè)溫儀對(duì)被測(cè)溫度變化的反應(yīng)速度，定義為到達(dá)后讀數(shù)的95%能量所需要時(shí)間，它與光電探測(cè)器、信號(hào)處理電路及顯示系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)有關(guān)。如果目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度很快或測(cè)量快速加熱的目標(biāo)時(shí)，要選用快速響應(yīng)紅外測(cè)溫儀，否則達(dá)不到足夠的信號(hào)響應(yīng)，會(huì)降低測(cè)量精度。對(duì)于靜止的或目標(biāo)熱過(guò)程存在熱慣性時(shí)，測(cè)溫儀的響應(yīng)時(shí)間則可以放寬要求。因此，紅外測(cè)溫儀響應(yīng)時(shí)間的選擇要和被測(cè)目標(biāo)的情況相適應(yīng)，主要根據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度和目標(biāo)的溫度變化速度。對(duì)于靜止的目標(biāo)或目標(biāo)參在熱慣性，或現(xiàn)有控制設(shè)備的速度受到限制，測(cè)溫儀的響應(yīng)時(shí)間就可以放寬要求。
信號(hào)處理功能：鑒于離散過(guò)程（如零件生產(chǎn)）和連續(xù)過(guò)程不同，要求紅外測(cè)溫儀應(yīng)具有多種信號(hào)處理功能（如峰值保持、谷值保持、平均值），如測(cè)量傳送帶上的瓶子溫度時(shí)，就要用峰值保持功能將其溫度的輸出信號(hào)傳送至控制器內(nèi)，否則測(cè)溫儀會(huì)讀出瓶子之間的較低的溫度值。若用峰值保持，則應(yīng)設(shè)置測(cè)溫儀響應(yīng)時(shí)間稍長(zhǎng)于瓶子之間的時(shí)間間隔，這樣至少有一個(gè)瓶子總是處于測(cè)量之中。
（2）環(huán)境和工作條件方面，如：
保護(hù)附件：測(cè)溫儀所處的環(huán)境條件對(duì)測(cè)量結(jié)果有很大影響，如不適當(dāng)解決，將會(huì)影響測(cè)溫精度甚至引起損壞。當(dāng)環(huán)境溫度高，存在灰塵、煙霧和蒸汽的條件下，可選用廠商提供的保護(hù)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(hù)測(cè)溫儀，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)溫。當(dāng)在噪聲、電磁場(chǎng)、震動(dòng)或難以接近環(huán)境條件下，或其他惡劣條件下，煙霧、灰塵或其他顆粒降低測(cè)量能量信信號(hào)時(shí)，較適宜的是選用光纖雙色測(cè)溫儀。
窗口材料：在密封的或危險(xiǎn)的材料應(yīng)用中（如容器或真空箱），測(cè)溫儀需要通過(guò)窗口進(jìn)行觀測(cè)。窗口材料必須有足夠的強(qiáng)度并能通過(guò)所用測(cè)溫儀的工作波長(zhǎng)范圍。還要確定操作工是否也需要通過(guò)窗口進(jìn)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(cè)量應(yīng)用中，通常用Ge或Si材料作為窗口，不透可見(jiàn)光，人眼不能通過(guò)窗口觀察目標(biāo)。如操作員需要通過(guò)窗口觀測(cè)目標(biāo)，應(yīng)采用既透紅外輻射又透過(guò)可見(jiàn)光的光學(xué)材料，如ZnSe或BaF2等作為窗口材料。
當(dāng)測(cè)溫儀工作環(huán)境中存在易ran氣體時(shí)，可選用安全型紅外測(cè)溫儀在一定濃度的易ran氣體環(huán)境中進(jìn)行安全測(cè)量和監(jiān)視。
在環(huán)境條件惡劣復(fù)雜的情況下，可選擇測(cè)溫頭和顯示器分開(kāi)的系統(tǒng)以便于安裝和配置及選擇與現(xiàn)行控制設(shè)備相匹配的信號(hào)輸出形式。
（3）其他選擇方面，如操作簡(jiǎn)單、使用方便、維修和校準(zhǔn)性能以及價(jià)格等。 
例如便攜式紅外測(cè)溫儀，這是一種集測(cè)溫和顯示輸出為一體的小型、輕便、由人攜帶進(jìn)行測(cè)溫的儀器，在顯示面板上可顯示溫度和輸出各種溫度信息，有的還可通過(guò)遙控或通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件程序操作。
注意：紅外輻射測(cè)溫儀必須經(jīng)過(guò)標(biāo)定才能使它正確地顯示出被測(cè)目標(biāo)的溫度。如果所用的測(cè)溫儀在使用中出現(xiàn)測(cè)溫超差，則需退回廠家或維修中心重新標(biāo)定。