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    红外热像仪小知识

    2020-11-03 14:40:44  来源:网络
    简单地讲:红外热像仪就是利用某些特殊的材料对红外光辐射能产生某些物理量的变化的特性,然后把这种变量转化成电信号,经过调制后再转变成图象并测温。这些特殊的材料多为:碲镉汞、锑化铟、铂化硅、氧化钒、硅掺杂(或多晶硅)等等。市场上所谓的“制冷”和“非制冷”之分,实际上是指有无制冷器而言,其实,即便是“非制冷”的红外热像仪,它也有所谓的冷气包之类的元件对探测器降温——否则,探测器本身在常温下,它的背景热噪音就会让它的温度分辨能力大大地下降。笔者个人认为:就现阶段的技术而言,制冷型的红外热像仪总体性能还是优于非制冷的红外热像仪。

     


    红外热像仪本身并不发射红外,它只是被动地吸收而已。这种特征加上自然界任何物体都对外辐射红外信号的特点,使之成为军事价值极高的设备;考虑到红外线在空气中衰减的幅度,作为高灵敏度探测器材料的要何等的高!尤其是要考虑红外热像仪本身也有红外辐射的干扰时。因此,从红外热像仪诞生那天开始,对它的技术保密级别及它的价格都非常的高。这里,我们还姑且不谈红外探测器的生产工艺的难度和成品率。


    我们知道:自然界一切温度在优良零度以上的物体,由于自身的分子热运动都在不停地向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波,其光谱范围比较广。分子和原子的运动愈剧烈,辐射的能量愈大,反之辐射的能量愈小。


    而现阶段的红外热像仪都只能对其中某一小段光谱范围的红外光产生反应。比如:3~5μm; 或8~14μm;,也就是所谓 的“大气窗口”——大气、烟云等吸收可见光和近红外线,但是对3~5微米和8~14微米的热红外线却受影响较小。因此,这两个波段被称为热红外线的“大气窗口” 。同时,物体向外发射的辐射强度取决于目标物体的温度和物体表面材料的辐射特性。同一种物质在不同的状况下(表面光洁度、环境温度、氧化程度等等),向外辐射红外能量的能力都不同,这种能力与假象中的黑体的比值就是该物质在该温度下的发射率。(黑体是一种理想化的辐射体,它吸收所有波长的辐射能量,没有能量的反射和透过,其表面的发射率为1。)应该指出,自然界中并不存在真正的黑体。


    也就是说,红外热像仪能否观察到物体,取决于该红外热像仪的温度分辨率和空间分辨率以及被测物体表面的红外辐射强度和面积,我们甚至可以大略地理解为:温度分辨率即是*小可辨温差的能力,空间分辨率是显示这种温差的能力。

    现阶段温度分辨率是以NETD实验条件下,环境温度为30℃时探测器的*小可辨温差,而不是热像仪整机的温度分辨率。因为探测器本身的背景噪音如果为0.06℃时,后续处理所带来的背景噪音叠加后肯定要高于0.06℃,至于能达到多少,那就要看各个厂家后续电子线路版块的设计和处理能力了。这里值得说明的是:温度分辨率和测温精度是两回事。前者是*小可辨温差的能力;后者是重复测量的平均温差。

    刚接触红外热像仪的朋友通常会混淆这两个概念。空间分辨率不能等同于视场角,视场角是指镜头而言,空间分辨率实际是指红外热像仪整机的分辨能力,它与探测器、电路、镜头有关,是个综合指数,以rad为单位,1.0rad 即千分之一弧度。

    这里,还要介绍一下像素数。

    通常我们看到国内外的红外生产厂家在其产品技术参数上标明:320×240、160×120、120×120甚至是382×288、640×480,这一般是指探测器聚焦平面阵列数,可以理解为:单元探测器的数量,那当然是越多越好了。

    这里要补充一点:现在国外有些厂家因受某些技术或条约的约束,还不能向中国出口高分辨率及高像素的红外热像仪或探测器,但出于资本的本能又希望进入中国市场,于是,采取了插值算法以提高显示像素数,同时又不违反所谓的条约。与此应注意“帧频”指标,即扫描速度。现在市面上出现了一些帧频为9HZ的进口红外热像仪,在某些行业的红外热像仪应用上,我国是有限制规定的。



    顺便插一段:所谓的 “短波”红外和“长波”红外通常就是指探测波谱范围为3~5μm; 和8~14μm;的红外热像仪。两者各有千秋。

    比如说:探测波谱范围为3~5μm;短波红外热像仪通常为制冷型红外热像仪,材料一般为:碲镉汞、锑化铟、铂化硅等,多用于军事及测高温领域。分辨率一般较高。但由于制冷元件的成本高,导致价格贵。也正是制冷元件的故障率较高及制冷效果的衰退,导致其在工业领域使用范围的日见萎缩。而且,这些制冷仪器从开机到能够使用,通常要等10分钟左右——制冷器正常工作后,这在现场工作中是很不方便的。更不用谈制冷型红外热像仪相对比较重了;非制冷红外热像仪的材料一般为:氧化钒、硅掺杂(或多晶硅),多为8~14μm;的红外热像仪。开机即用,成本较低,轻便小巧,维护方便,其探测器的稳定性及分辨能力相对较差(由于科技的发展,其分辨率也越来越高了)。被广泛应用于电力、化工、消防等领域。



    这里,还有一个有趣的故事:当初非制冷红外热像仪刚出现在市场时,为了和早期制冷型红外热像仪竞争,有些人士曾屡屡提到阳光干扰问题。有一种说法是:短波红外热像仪(3~5μm;)易受阳光干扰,而长波红外热像仪(8~14μm;)不受阳光干扰;因此,长波红外可以在白天工作,而短波红外热像仪不行。的确,阳光是有干扰,但是,阳光照射物体表面发**射或衍射时,其光谱范围跨越了3~5μm;的同时也跨越了8μm;的范围,也就是说:阳光对两者皆有干扰,轻重不同而已。谁也不敢说:拿长波红外热像仪白天检测就能避免因阳光干扰而产生的误判断!否则,我国相关检测规程中也不会建议:在使用红外热像仪进行检测时,尽量在“日出之前、日落之后”或阴天。其实,这种干扰还包含另外两个因素:**,阳光照射会使被检测设备本身升温,该温升与设备故障部位的温升有可能叠加,造成漏检或误判断;阳光照射对使用液晶屏作为显像器的红外来说,对人的肉眼是有很大的干扰的。


    红外热像仪除了能显示物体表面的热状态分布图之外,还有一个特点:非接触测温。这个功能,在当年的“非典”中应用是非常广泛的。但是,笔者认为:红外在“非典”中的应用,对普及红外热像仪相关知识有一定的作用;可在某些地方的应用方式上却是有待商榷的。我们知道:人体是个恒温体,传统测温所采取的部位是:腋窝、口腔、直肠。其中,直肠的温度*高也*接近人体内部温度。体表呢?——要知道红外热像仪只能测量表面的热辐射(体表的不同位置温度也不一定相同,但多在26度到31度左右),而人又分男女、老少,每个人在体表热辐射上都有差异,同时,同一个人在24小时内的体表温度也是有差异的。你怎么能排除人受环境的影响?(比如说人多而空间小、有空调、刚喝过热水吃过饭、刚运动过、心情紧张等等)由于人有这些特性,即使你用相对温差法或热谱图法也无法准确判断。


    红外热像仪能测温实际上是通过黑体恒温(可调)炉对红外热像仪先定标它的温度曲线,定标的点越多,测温相对越准。也就是说:没有哪一家(无论是国外的还是国内的红外厂家),也无论你是上等的红外热像仪还是低端红外热像仪,都不可能无限止地标定无数个点,那样是不现实也不经济的——这一点对于人工成本高的国外产品来说,也是个不好的消息。即:谁的测温都不可能准确。这种标定是和每个探测器本身的特性相关,所以,每台红外热像仪,只要你测温,这道工序是不可避免的。*麻烦的是:红外探测器在工作或放置一段时间后,其材料的老化也是不可避免的——不管你是氧化矾还是硅掺杂(或多晶硅)或者别的什么材料,材料的特性发生改变,测温曲线就得重新标定,否则测温就不可能准确!虽然说非制冷焦平面号称免维护机型,可以工作5万或8万小时,但这与测温准确性无关,是指成像而已。何况,空气中的水分,CO,CO2、灰尘对,红外线的衰减作用,谁也无法去量化——它是流动的、非线性的且各区域在不同时间内是变化的。于是,关于“环境参数自动校正”“大气穿透率自动校正:”等参数就出现在我们面前了。那估计是各个厂家自己的经验参数吧!


    相关人士在谈及该问题时,开玩笑说:“红外热像仪测温是优良不准的,发现相对温差的能力是上等的。”当然,这只是和接触式测温相比而言。应该说红外热像仪测温虽然有误差,但还是比较准确的。另外,我们国家有些行业已制订的检测规则中规定:用红外热像仪检测带电、高温的设备的方法是:1,热谱图法2,相对温差法。


    从核心技术的角度来说,国内工业红外热像仪行业根本没有什么可以自豪的地方。因为非制冷焦平面探测器制造技术完国内外厂家手中,我们面临的是长期的技术封锁。


    但是,这并不意味着国产红外热像仪的品质比国外同等探测器的热像仪水平低;甚至,在功能设计及图象清晰度或测温准确性上,国内红外热像仪更胜一筹或者说更能满足*终客户群的需求。


    前面提到,红外热像仪的温度分辨率和空间分辨率除了与探测器密切相关,还与各个厂家后续电子线路版块的设计和处理能力有关。终客户群需求的是红外热像仪而并非探测器本身。


    当同档次产品,功能相当时,首先要考虑的是:他们的稳定性如何?可以参考同行业厂家的使用情况及对比这几家红外厂家的售后服务,还有他们的各种出厂检验能力。其次,要问自己:需要什么样功能的红外?自己的目的是什么?厂家宣传的那么多功能中,到底有哪几样是自己常常必须要用的?即:满足自己真实需要的几种功能的红外中,哪一款价格低?不要盲目地选择好的红外热像仪。在适合的红外热像仪中选择便宜的是理性的做法。

         


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