第三章红外检测技术.pdf

机械工程学院 机械装备及控制系 1红外检测技术红外技术的基本概念红外线是一种电磁波因此具有电磁辐射的特点：波动性传输不需要介质红外辐射就是热辐射红外线也是一种光线但是人眼看不见的光线，具有粒子性，对红外线的研究也属于光学范畴机械工程学院 机械装备及控制系 2红外的历史 1800年，赫胥耳利用太阳光谱色散实验发现了红外光 1835年，安培宣告了光和热射线的同一性 1870年，兰利制成了面积只有针孔那样大小的探测器，并用凹面反射光栅、岩盐及氟化物棱镜来提高测量色散的能力，这为红外应用的重要方面 —— 航空摄影奠定了基础通常取可见光谱中红光末端为 780nm，比它长的光就是红外光，或称为热射线机械工程学院 机械装备及控制系 3红外的历史 1880年， “ 红外 ” 一词出现在阿贝尼的文章中（最早） 1888年，麦洛尼用比较灵敏的热电堆改进了赫胥耳的探测和测量方法，为红外技术奠定了基础 1904年，开始采用近红外进行摄影 1929年，科勒发明了银氧铯（ Ag-o-Cs）光阴极，开创了红外成像器件的先河 二十世纪 30年代中期，荷兰、德国、美国各自独立研制成红外变像管，红外夜视系统应用于实战。

 1952年，美国陆军制成第一台热像记录仪热电堆：由两个或多个热电偶串接组成，各热电偶输出的热电势是互相叠加的机械工程学院 机械装备及控制系 4红外线与光线的区别（ 1）人眼对红外线不敏感，一般 CCD敏感光谱波长在 400～500nm，红色在 600nm，红外线光谱为 700nm－ 1mm机械工程学院 机械装备及控制系 5红外线与光线的区别（ 2） 红外线的光量子能量比可见光的小例如： 10μm波长的红外光的能量大约是可见光光子能量的 1/20 红外线的热效应比可见光要强得多原子和分子的振动或分子的旋转运动的特征频率分布在宽广的红外光谱区，因此，热物体（温度高于绝对零度的任何物体）不断地发出红外辐射，红外辐射使物体变热的效应也特别显著 红外线更容易被物质所吸收红外线只能穿透到原子、分子的间隙，会使原子、分子的振动加快、间距拉大，即增加热运动能量，从宏观上看，物质在融化、在沸腾、在汽化，但物质的本质（原子、分子本身）并没有发生改变，这就是红外线的热效应机械工程学院 机械装备及控制系 6红外技术的技术难点及发展现状红外技术的发展关键在于： 红外材料的研制 红外设备的制冷 红外设备向更长波段发展 红外焦平面阵列器件的研制 红外设备与数据处理设备的结合红外技术的发展现状：（ 1）探测器已从单元发展到多元，从多元发展到焦平面阵列。

2）红外探测器的工作波段从近红外扩展到远红 3）轻小型化非致冷、集成式、大面阵红外探测器方向发展高效小型制冷器和无需制冷的红外探测器将是今后的发展方向 4）红外探测系统从单波段向多波段发展机械工程学院 机械装备及控制系 7红外检测的基本辐射定律 基尔霍夫定律 :在给定 温度下，对于给定波长，所有物体 的辐射率与吸收率的比值相同，且等于该温度和波长下理想黑体 的辐射率 反射辐射 Pr辐射能 Pi 吸收辐射 Po透射辐射 PtP oP i +P rP i +P tP i = 1Pi——入射总能量机械工程学院 机械装备及控制系 8常见物质发射率物 质 温度 (℃/℉) 发射率金 (高纯 ) 227/440 0.02铝箔 27/81 0.04铝片 27/81 0.18家庭用铝 (扁平 ) 23/73 0.01铝 ( 98.3% 纯度的度的板块 )227/440 0.04577/1070 0.06铝 (粗糙的板快 ) 26/78 0.06铝 (氧化 @ 599℃)599℃)199/390 0.11599/1110 0.19机械工程学院 机械装备及控制系 9物 质 温度 (℃/℉) 发射率顶部磨光的铝 38/100 0.22锡 (亮的镀锡的铁片 ) 25/77 0.04镍丝 187/368 0.1铅 (纯度 99.9% -- 未氧化 ) 127/260 0.06铜 199/390 0.18599/1110 0.19钢 199/390 0.52599/1110 0.57镀锡的铁片 (亮 ) 28/82 0.23黄铜 (高度磨光 ) 247/476 0.03机械工程学院 机械装备及控制系 10物 质 温度 (℃/℉) 发射率镀锡的铁 (亮 ) - 0.13铁板 (完全生锈 ) 20/68 0.69包金箔的钢片 21/71 0.66氧化铁 100/212 0.74锻造铁 21/70 0.94熔铸铁 1299-1399/3270-2550 0.29铜 (磨光 ) 21-117/70-242 0.02铜 (被擦的发亮的而非反射的 ) 22/72 0.07铜 (重的氧化板 ) 25/77 0.78搪瓷 (铁上装有保险丝 ) 19/66 0.9福米卡薄板 27/81 0.94冻土 - 0.93机械工程学院 机械装备及控制系 11物 质 温度 (℃/℉) 发射率砖 (红 – 粗糙 ) 21/70 0.93混凝土 - 0.94玻璃 (光滑 ) 22/72 0.94花岗岩 (刨光的 ) 21/70 0.85冰 0/32 0.97大理石 (l磨光的灰色色的 ) 22/72 0.93石棉板 23/74 0.96沥青 (铺路 ) 4/39 0.97塑料 (白色 ) - 0.91胶合板 19/66 0.96水 - 0.95木头 (气味清新的 ) - 0.9机械工程学院 机械装备及控制系 12根据基尔霍夫基本定律可得到如下结论① 在热平衡下 ， 辐射能力强的物体 ， 其吸收能力也强 ，反之亦然 。

② 好的反射体或透明体必然是不良的辐射体 ③ 物体的吸收率不可能大于 1， 即吸收的能量不可能大于辐射在它上面的能量 ④ 对不透明的物体 ， 辐射能量不是被吸收就是被反射 ，所以通过测量反射率就可以确定吸收率 机械工程学院 机械装备及控制系 13黑体的辐射曲线 实验测量数据可得到两条很有用的经验定律，即 斯蒂芬定律 和 维恩位移定律 黑体模型： 黑体就是说能吸收所有方向和波长入射辐射全部能量的物体机械工程学院 机械装备及控制系 14普朗克定律 斯蒂芬定律（ 1879年） ： 黑体的辐射出射度，包括各种波长在内的总辐射功率与黑体温度 (绝对温标 )T 的 4次方成正比： W＝ σT 4 (W/m2) 维恩位移定律 （ 1894年）： 辐射出射度峰值波长 λ m与黑体温度 T 的乘积为常数： λ mT ＝ 2897.8 普朗克定律： 1900年 ， 普朗克提出与经典理论完全不同的能量量子化假设 ， 建立了辐射出射度的公式：25211Bh c k ThcWe  机械工程学院 机械装备及控制系 15红外辐射的传播 红外辐射在大气中的传播大气对红外辐射的影响有以下几种：① 大气分子分立谱线或谱带的吸收及重发射 。

主要的吸收气体是 CO2和 H2O 吸收是由振动－转动 、 纯转动能量变化引起的 ， 它强烈依赖于波长 ② 气体分子和直径远小于辐射波长的粒子引起的瑞利散射损失 机械工程学院 机械装备及控制系 16红外辐射的传播③ 气溶胶和大小可与辐射波长相比拟的粒子的吸收 、 米氏散射及重发射 在低层大气中这个因素占优势 ④ 大气湍流引起的辐射强度变化 、 相位变化和光斑跳动 ⑤ 热梯度 、 大气湍流造成大气折射率不均匀引起的散射和折射 ⑥ 大气红外自辐射 机械工程学院 机械装备及控制系 17大气红外光吸收谱与大气窗口机械工程学院 机械装备及控制系 18红外检测技术的应用 红外检测技术的特点： 非接触检测 操作安全 灵敏度高 检测效率高 存在的缺点 ： 温度值确定有一定难度 物体内部状况难以确定 设备价格昂贵机械工程学院 机械装备及控制系 19红外技术的应用1 军事目标的侦察、监视、预警与跟踪如：红外制导；红外通信；军用夜视仪2 医用红外检测3 工业用红外检测及诊断例如：热源探测，医用热像仪、温度测量与过程控制、红外光谱分析、红外加热、红外遥感、红外天文学等机械工程学院 机械装备及控制系 20常用红外检测设备(1)红外测温仪 ：辐射测温，非接触式优点： 非接触式远距离测量 响应速度快：响应时间在 ms或 μs级 灵敏度高：可测温差在 0.2℃ 测温范围广 :从零下几十度至高温上千度类型： 全辐射测温 ：通过收集物体发出的整个光谱范围的全部辐射能量来确定温度。

实际只是较宽波段范围内的大部分辐射能量根据斯蒂芬－波尔兹曼定律：式中： ε－表面发射率， σ－波尔兹曼常数5 1 4120 [ e x p ( / 1 ) ]TM C C T d T        机械工程学院 机械装备及控制系 21红外测温仪需要经过黑体标定：黑体辐射功率 :若两者功率相等，则：得： 单色测温 ：通过测量目标在某一辐射光谱波段内的辐射功率来确定目标温度波长 λ越短，测量误差越小4BBT BBMT44BBT T B BM T M T    4BBTT2/ l n ( / )BBT T T C机械工程学院 机械装备及控制系 22红外测温仪 比色测温 ：全辐射测温和单色测温都必须知道物体的发射率，给测量带来不便比色测温是根据两个波段辐射能量的比值来确定物体的温度两个波长的辐射功率比为：整理可得：提高测量精度关键在于两个波长的选择，尽可能使两个波长处的发射率相近1 1 12 2 25522 221 1 2 1 1 21 1 1 1e x p [ ( ) ] e x p [ ( ) ]BBM CCRM T T                    12212ln( )11() BBT TT C 机械工程学院 机械装备及控制系 23红外成像系统主动式红外成像系统（红外夜视仪）利用不同物体对红外辐射的不同反射被动式红外成像系统（红外热像仪）利用物体自然发射的红外辐射核心：如何将红外图像转变为可见光图像？机械工程学院 机械装备及控制系 24主动式红外成像系统主动式红外成像系统自身带有 红外光源 ，是根据被成像物体对红外光源的不同反射率，以 红外变像管 作为光电成像器件的红外成像系统。

优点： 成像清晰、对比度高、不受环境光源影响；缺点： 易暴露，不利于军事应用机械工程学院 机械装备及控制系 25红外变像管结构光学纤维阴极外筒 电子轨迹 阳极锥电极红外光阴极电子光学系统荧光屏机械工程学院 机械装备及控制系 26红外变像管的工作过程近红外辐射 光阴极面通常变像管的光阴极采用对近红外敏感（ 0.8～1.2um）的银氧铯光敏层，电子光学部分相当于一个静电聚焦系统电子流图像电子光学系统荧光屏可见光图像高能电子机械工程学院 机械装备及控制系 27红外热成像系统红外热成像系统是 被动式 成像系统自然界中，温度高于绝对零度的一切物体，总是在不断地发射红外辐射收集并探测这些辐射能，就可以形成与景物温度分布相对应的热图像热图像 再现了景物各部分温度和辐射发射率的差异，能够显示出景物的特征机械工程学院 机械装备及控制系 28红外热像仪 类型： 光机扫描热像仪 （第一代）物体表面温度分布借助红外辐射信号的形式，经光学系统和光机扫描机构成像在红外探测器上 焦平面红外热像仪 （第二代）把探测器放在物镜的焦平面上，类似感光的形式来得到物体表面温度分布的红外反射信号，形成红外热像图机械工程学院 机械装备及控制系 29非制冷红外探测器根据红外探测器组。