红外热成像测温技术及其应用-课件

红外热成像测温技术及其应用红外热成像测温技术及其应用2011.5.16 提提 纲纲OUTLINE基本原理先给出黑体的红外辐射规律。黑体,简单讲就是对一切波长的入射辐射吸收率都等于1的物体,也就是说全吸收。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辐射都有一定的反射(吸收率不等于1),所以,黑体只是人们抽象出来的一种理想化的物体模型。但黑体热辐射的基本规律是红外研究及应用的基础,它揭示了黑体发射的红外热辐射随温度及波长变化的定量关系。其中最重要的是下面3个基本定律。(1)普朗克辐射定律(2)斯蒂芬-玻耳兹曼定律(3)朗伯余弦定律系统基本组成 红外热像仪是一种红外波段的摄像机，它利用实时的扫描热成像技术进行温度分析，其系统组成包括红外望远镜、光学扫描仪、红外探测器与制冷器组件、信号放大器与处理电路、显示器等。下图为其系统基本组成示意图优点（1)优点（2）热成像测量物体表面温度热成像测量物体表面温度o优点优点 非接触测量非接触测量 响应快响应快 测温范围宽测温范围宽 不影响目标的温度分布不影响目标的温度分布不需要达到与目标物体的热平不需要达到与目标物体的热平衡，只要接受辐射就可以衡，只要接受辐射就可以 普通型普通型T T系列系列-20300-20300 热成像测量物体表面温度热成像测量物体表面温度 灵敏度高灵敏度高 空间分辨率高空间分辨率高目前最灵敏的热成像系统目前最灵敏的热成像系统能测出能测出0.010.01的温度变化的温度变化例如：点热成像系统例如：点热成像系统1s1s内内可测出可测出2020万个点。万个点。影响因素影响因素被测物体发射率的影响被测物体发射率的影响1背景的影响背景的影响2大气的影响大气的影响3热成像测量物体表面温度热成像测量物体表面温度o测温影响因素测温影响因素 被测物体发射率被测物体发射率 发射率又称为黑度，反映物体向外发射辐射的能力发射率又称为黑度，反映物体向外发射辐射的能力物体表面发射率是不相同，且随温度和波长变化。物体表面发射率是不相同，且随温度和波长变化。热成像测量物体表面温度热成像测量物体表面温度背景背景大气大气 被测物体辐射的能量被测物体辐射的能量大气大气红外热成像仪红外热成像仪被测物体的辐射能被测物体的辐射能背景投向物体表面被物体背景投向物体表面被物体物体表面反射的辐射能物体表面反射的辐射能背景投向物体表面并透过物背景投向物体表面并透过物体物体表面的辐射能体物体表面的辐射能响应平面响应平面探探测测器器某些成分吸某些成分吸收红外辐射收红外辐射热成像系统的温度标定黑体炉原理图最大探测距离制冷装置制冷装置“制冷”这一要求导致了常规的热成像测温系统成本太高，应用比较受限！工作波长的选择 在选用红外热成像仪或热辐射仪的时候，应注意生产厂家所提供的工作波段。红外热成像测温的应用红外热成像测温的应用应用v红外热成像测温技术具有很多优点!因此在 医疗卫生、航空航天、无损探伤、安全检查等领域v得到了广泛的应用。安全预测v安全预测就是早期发现设备的异常情况，并相应地采取适当的补救措施，以保证设备安全，减少损失。对于大型设备，利用红外热像仪在设备运行时对其早期的温度异常变化进行在线监测，判断设备运行状况具有重要意义。典型的应用情况有：对工业炉窑和高温管道耐火材料侵蚀和剥落情况的监测，预防烧穿事故的发生；对锅炉及加热炉炉壁和保温容器壁的监测，寻找热能泄露点，实现节能；在带电的情况下，对各种电气设备线路的监测，预防停电和火灾等恶性事故的发生；等等。医疗卫生v因为当人体局部或全身发生病变，血液循环障碍以及代谢功能发生变化时，将导致相应部位温度平衡的破坏，所以体温变化是人体病理诊断的重要指标之一。因此可利用红外热像仪检查人体温度分布的异常情况，为某些疾病特别是恶性肿瘤提供诊断的依据。质量监测v在很多产品的质量监控方面，需要严格控制温度的均匀性，可利用红外热像仪检测其温度场分布，例如，轧钢厂的板坯温度分布情况、纸浆干燥监测、沥青路面的铺设、水泥旋转窑监测、玻璃制造过程温控，以及复合材料、建筑材料、集成电路板设计等工业过程中均需要进行过程温度调查与监测科学实验研究v在科学实验研究方面，红外热像仪亦可显示其在测试物体温度场方面的优势。例如，*利用红外热像仪测量火焰温度，*利用其精确测试物体的发射率。在许多科学实验研究方面都取得了较好的效果。热成像测量物体表面温度热成像测量物体表面温度o探测器的制冷装置探测器的制冷装置 目的：消除背景噪声和提高探测器的灵敏度目的：消除背景噪声和提高探测器的灵敏度 几种常用的微型制冷器：几种常用的微型制冷器：杜瓦瓶式制冷器杜瓦瓶式制冷器 气体节流式制冷器气体节流式制冷器 半导体制冷器半导体制冷器 热成像测量物体表面温度热成像测量物体表面温度o应用应用 在电力行业中的应用在电力行业中的应用 热成像测量物体表面温度热成像测量物体表面温度o应用应用 在微电子行业中的应用在微电子行业中的应用 热成像测量物体表面温度热成像测量物体表面温度o应用应用 机械故障诊断机械故障诊断 热成像测量物体表面温度热成像测量物体表面温度o应用应用 野生动物野生动物 热成像测量物体表面温度热成像测量物体表面温度o应用应用 夜视监视夜视监视 热成像测量物体表面温度热成像测量物体表面温度o应用应用 在军事上的应用在军事上的应用 红外热成像人体快速测温系统红外热成像人体快速测温系统l红外热成像人体快速测温系统，因其具有的非接触、响应速度快、操作简便等特点，被相关单位作为机场、港口、车站等公共场所排查监测“非典”等症状患者和疑似病人的重要工具。在一些不便于使用传统接触式测温方法的场合，红外辐射式测温仪就显得尤为重要了。红外热成像人体快速测温系统是集先进的光电子技术、热成像技术、图像处理技术和控制技术于一体的高科技产品。整个系统包括红外监控系统（体温探测头、光学镜头、红外分析软件等）、人梯体温监测岗和监控指挥中心。测温系统结构图测温系统结构图 系统测温界面图系统测温界面图红外热成像伪彩色测温系统v由于人眼对灰度微弱递变的敏感程度远远小于对色彩变化的敏感程度。在256个灰度级中能分辨出40个左右级灰度，而能分辨出的彩色达几自种甚至上千种。伪彩色增强技术作为一大类基本的图像增强处理技术，是将灰度图像转变为伪彩色图像，也可以是原来自然彩色的图像变换成给定彩色分布的图像，如不同谱能遥感图像。红外热成像在线测温系统红外热成像在线测温系统v红外热成像在线红外热成像在线测测温来统温来统将物体表面的热辐射显示将物体表面的热辐射显示成二维的可视图象成二维的可视图象,它是它是热成像技术、红外标定技热成像技术、红外标定技术、图象处理技术、多去术、图象处理技术、多去翱本技犬和图象压缩与恢翱本技犬和图象压缩与恢复技术等多项高技术的集复技术等多项高技术的集成。它采用近红外固体电成。它采用近红外固体电荷栩合器件设计而成荷栩合器件设计而成,不不需制冷、成本低、可靠性需制冷、成本低、可靠性好。好。非制冷红外焦平面热成像测温系统非制冷红外焦平面热成像测温系统v在红外热成像技术研究领域中，红外探测器是核心，探测器的技术水平决定了热成像技术的技术水平。基于光电效应的光子探测器和基于热电效应的热电探测器一直是红外热成像技术的两大支柱。为获得高性能必须在低温(典型的是液氮温度77K)下工作。正是由于需要制冷以及成本等原因，使光电探测器类热成像技术在民用领域仍难形成很大的市场。而热电探测器类热成像技术由于灵敏度和响应速度方面的限制，只有采用热电摄像管的热成像系统(即热电视)获得一些应用，而且一般用于要求较低的民用领域。非制冷红外焦平面热成像测温系统非制冷红外焦平面热成像测温系统v但90年代以后，非致冷红外焦平面技术的突破和实用化，使其与致冷红外热像技术相比所具有的低成本，低功耗，长寿命，小型化和可靠性等优势得到很好发挥，成为当前红外热成像技术中最引人注目的突破之一，在军用和民用领域的应用前景将“使传感器领域发生变革”。非制冷红外焦平面热成像测温系统非制冷红外焦平面热成像测温系统v非致冷红外焦平面技术属于热电探测器类热成像技术。v其焦平面阵列由热探测器，如测辐射热计、热释电探测器、热电堆等，与硅多路传输器，如CCD、MOSf:EF、C协05读出电路等，通常用锢柱互连而成。非制冷红外焦平面热成像测温系统非制冷红外焦平面热成像测温系统v测辐射热计的工作原理是被热绝缘的金属薄膜(典型的是入膜)或半异体薄膜(典型的是氧化钒VOZ或非晶硅a一Si薄膜或多晶硅)在吸收红外辐射时会引起其电阻值的变化实现光电变换。此类探测器可全部采用Si集成电路工艺制作，与51信号处理电路之间可形成单片式结构，不需要低温制冷装置，不需要特殊材料，不需要斩波，制作工艺也成熟。以它为核心制成的红外热成像系统成像清晰度高、重量轻、功耗低、易便携，适于野外工作场所。非制冷红外焦平面热成像测温系统非制冷红外焦平面热成像测温系统v热释电探测器的工作原理是由具有良好热释电特性的铁电材料，如错酸铅(PZT)陶瓷、PbTIO，陶瓷、PbTIO:，薄膜和LITao，晶体制成的热探测器与51多路传输器互连而成。其中，LITaO，特性格外好，它不仅有大的热释电系数(p二2.3x1osC/cm)，还有小的介电常数(，=54)和高的居里温度(兀二618C)。以它为核心制成的红外热像系统灵敏度较高，且适合于红外成像。非制冷红外焦平面热成像测温系统非制冷红外焦平面热成像测温系统v本系统结合红外测温技术和非致冷焦平面热成像技术原理，开发并完成了一套非致冷红外焦平面热成像测温系统。v系统建立了非致冷红外焦平面热成像系统测温计算的数学模型;对计算中可能产生的各种误差进行了分析和计算;对系统成像的非均匀性进行了分析和校正;提出了精确测量发射率的新算法;结合热成像的原理对红外热图像的特征进行了分析，对红外热像进行了新型直方图均衡和伪彩色增强等处理。v在降低了成本的同时，保证了精度。