红外热像测温技术及其应用研究

摘 要：阐述红外热像测温技术的工作原理和红外热像仪的基本组成,综述了红外热像仪测温技术的发展,从技术层面剖析了红外热像仪测温存在的问题,介绍了国内外在红外热像测温技术方面的研究热点,例举了利用红外热像仪进行温度场测量的应用实例,同时展望了未来的发展方向。针对红外测温领域中的理论、仪器及应用进行了较为详细的分析和总结。

关键词：红外热像仪；热像测温；热像图;应用研究

中图分类号：TN215 文献标识码：A

文章编号：1004-373X(2009)01-112-04

Research on Measurement Temperature Technology and

Application of Infrared Thermal Imaging

LI Yunhong 1,2,SUN Xiaogang1,LIAN Jihong2

(1.Harbin Institute of Technology,Harbin,150001,China;2.Xi′an Polytechnic University,Xi′an,710048,China)

Abstract：The principle of infrared thermal imaging temperature measurement technology and the basic composition of the infrared thermal imager are explained in this paper.The article reviews the history and presents status of infrared temperature measurement technology,analyzes the existing problems of temperature measurement with infrared thermal imager from technical perspectives,introduces domestic and international researching focuses of infrared thermal imaging temperature measurement technology,and gives the example of applications of the infrared thermal imager,and prospects its future trends.In the end,the analysis and summary of the theory,instrument and applications for infrared temperature measurement are made in detail.

Keywords：infrared thermal imager； thermal imaging temperature measurement;thermal image;application research

0 引 言

自然界一切温度高于绝对零度的物体都在以电磁波的形式向外辐射能量,其中包括0.7～1 000 μm的红外光波。红外光具有很高的温度效应,这是红外热像测温技术的基础。

红外热像测温技术是当今迅速发展的高新技术之一,已广泛地应用于军事、准军事和民用等领域,并发挥着其他产品难以替代的重要作用。美国、德国、英国、法国等发达国家非常重视红外热像测温技术的研究与应用,掌握热像测温技术的发展进程、应用领域和发展趋势,有利于启发科学、合理的发展思路,为热像仪的优化发展提供方向性的支持。

1 红外热像测温原理及影响测温的因素

红外热像仪是能够实现热像测温的精密仪器,是红外热像测温的核心设备。它利用实时的扫描热成像技术进行温度分析,图１所示为目前民用市场上应用的主流热像仪,其结构简单、功能强大、测温快。

红外热像测温技术就是通过红外探测器接收被测物体的红外辐射,再由信号处理系统转变为目标的视频热图像的一种技术。它将物体的热分布转变为可视图像,并在监视器上以灰度或伪彩显示出来,从而得到被测物体的温度分布场信息。红外热像测温原理如图2所示。

由于红外热像仪属于窄带光谱辐射测温系统,使用其进行温度测量时所测得的物体表面温度,不是直接测量得到的,而是以测到的辐射能计算出来的。因此,实际测量时,测量精度受被测表面的发射率和反射率、背景辐射、大气衰减、测量距离、环境温度等因素的影响［1-4］。

仪器接收到的被测物体表面的辐射包括目标辐射、环境反射和大气辐射三部分,即：

E_λ=T_aλε_λE_bλ(To)+T_aλ(1－ε_λ)E_bλ(Tu)+ε_aλE_bλ(Ta)

(1)

其中,E_λ为仪器接收到的辐射；E_bλ为黑体辐射；To为被测物体表面温度；Tu为环境温度；Ta为大气温度；ε_λ为表面发射率；aλ为表面吸收率；T_aλ为大气的光谱透射率；ε_aλ为大气发射率。

1.1 发射率的影响

由式(1)等号右边第一项可知,使用红外热像仪进行温度测量,其最大的不确定因素是被测物体的发射率,该发射率是由操作者自行找出再输入红外热像仪的。确定物体发射率的难度在于影响发射率的因素很多,主要取决于材料的种类、材料表面状况和物体的表面温度等。

1.2 背景的影响

式(1)等号右边第二项为背景投向被测物体并被反射的辐射能。由该式可知,被测物体的发射率越高,背景影响越小；背景温度越高,背景影响越大；当被测物体温度与背景温度相近时,背景影响引起的误差较大。

1.3 大气的影响

物体所辐射的能量必须经过大气才能到达探测系统,在其通过大气时,会被大气中的气体分子和尘埃吸收与散射而衰减。吸收红外辐射的气体主要是CO2(有2.65～2.8 μm,4.15～4.45 μm,13.0～17.0 μm三个吸收波段)和H2O(有2.55～2.84 μm,5.6～7.6 μm,12～30 μm三个吸收波段)。因此,仪器接收到的红外辐射和仪器与被测物体的距离有关,而且大气的吸收程度与大气的温度和相对湿度也有关系。

2 红外热像测温技术应用

我国引入红外热像测温技术在工艺及生产方面最初只有电力、冶金和石化等行业的部分单位应用,在科研方面也只限于尖端技术的研究领域。作为一种通用技术,红外热成像测温技术的应用将深入各个领域。

过去所发展的红外热像测温技术仅限于常规风洞实验中的中、低温度(1 000 K以下)测量,邓建平等 \研制了一套测温范围在1 000~3 500 K的红外热像仪及图像处理系统,该系统已完成标定并在高频等离子体风洞中进行了实验。H wang Jihong［6］采用红外成像的电荷耦合装置(CCD)测量平面磨削中工件的温度场分布。Elmahdy A H［7］采用红外热成像技术在实验室进行窗口表面的温度测量,都取得了很好的效果。

使用热成像技术探测乳腺癌在医学领域的应用已经有50多年的历史。如对乳腺癌及恶性肿瘤的早期诊断、伤口愈合的红外观察、风湿性关节炎和发病状况的诊断、牙科治疗初步研究、耳鼻喉疾病的诊断、胸部肿块的红外诊断等［8,9］,可以说远红外成像技术在医学中的应用已经成为一种新的诊断手段。在发现表浅肿瘤如乳腺癌、甲状腺癌、皮肤癌等,对脉管炎以及其他炎症,对骨折、骨髓炎、挫伤、关节炎,对确定烧伤和冻伤边缘,对合理的选择截断部位,对植皮、脏器、移植后排异反应的观察,对妇产科临床如胎盘的定位、针灸的经络穴温度反应等,都表现出了日益强大的应用能力,必将促进医疗卫生事业的快速发展。

远红外成像技术首先被大量的应用于农业和环境检测是在1980年早期,他们主要是通过空中摄像技术来对所探测的目标进行宽范围的检测和分析。直到敏感摄像技术得到了发展,才开始了对植物进行单株(single plant)水平上的研究。其具有的多功能性,准确性和较高的分辨率(可达0.01)使得对单株植物叶片和幼苗的实时观测成为了可能,也因此在植物研究中的应用掀起了热潮。如在重力作用下,对植物叶片表面与周围环境之间热交换的影响的研究、通过对植物如拟南芥,大麦突变体的筛选、对植物气孔导度的研究、植物在胁迫环境中的研究、在寒冷环境中植物体内的冰核形成过程的观测研究、谷类作物由于疾病和阵风而造成的旗叶温度的差异测量、叶片蒸腾速率研究、单细胞的研究等［10］研究成果十分显著,研究对象范围也大幅度拓宽。

红外成像技术应用于农业生产方面已有很多,刚开始用于园艺产品的分析和苹果损伤的发现和植物健康状况的评估。目前,已被广泛应用于农业和园艺中的贮藏室的设计和控制以及蔬菜的保鲜贮藏、对一些敏感的生物产品进行质量评估和控制、对农作物的生理衰变的检测。在水果和蔬菜成熟时期,通过热成像对其进行热温的测定往往可以评估气候对其的胁迫。还有水果和蔬菜新鲜程度的评估、植物不同部分受虫害的影响、苹果成熟程度,糖分及种间的差异的鉴定、空气对流量的测定等。

红外热像技术还应用于材料和构件的红外热像无损检测与评价、电力和石化设备状态的红外热像诊断、构(建)物的红外热像检测与节能评价、自动测试、灾害防治、地表/海洋热分布研究［11-14］等方面。另外,红外热像技术在电子电路设计、材料内部缺陷及应力检测、热能设备的制造设计等科研领域得到了越来越广泛的应用。

红外热成像测温技术为非接触式测温,响应快、不破坏被测物体的温度场及可以检测某些不能接触或禁止接触的目标,理论上讲,可以用于任何需要温度检测的场合。

2.1 预防性维护

利用红外热像仪进行预防性维护,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,保证设备安全,减少损失。对大型设备,对其早期的温度异常变化情况进行监测,判断设备运行状况有重要意义。 图3为船舶系统在配电设备、动力设备及供暖设备上拍摄的热图,通过热图温度显示可以快速而准确地对其运行状况进行监测。

2.2 质量监测

对船舶系统,特别是新船出厂交付使用之前,各种部件的设计和安装是否达到要求,还存在什么问题,在试乘航时利用红外热像技术可以快速而准确地达到质量监测的目的。质量监测热图如图4所示。

2.3 科学研究

在科学实验研究方面,红外热像技术显示出其在测试物体温度场方面的优势。王喜世等利用红外热像仪测量火焰温度［15］,侯成刚等利用其精确测试物体的发射率,都取得了较好的效果［16］。许永华等针对高炉炉内温度场的分布及高炉布料的情况提出了一种基于红外图像处理的高炉温度场检测方法,通过红外图像处理来建立温度场分布模型,结合十字测温进行温度定标,实现了高炉温度场分布在线监视［17］。高炉红外热成像仪通过高灵敏度红外探测器,实时测温,测量数达到十万个温度点,温度分辨率可达到＜0.5℃(200℃目标)。实时显示的测试数据反应了高炉内物料温度或高或低的变化,能精确测出炉顶物料的温度,直观地反应出炉内煤气流上升的高度。这样,高炉内部燃烧情况的细微变化(特别对于物料的燃烧程度)可及时反应出来,热图如 图5所示。

3 结 语

发展到目前的热成像系统已是现代半导体技术、精密光学机械、微电子学、特殊红外工艺、新型红外光学材料与系统工程的产物。近年来,红外热像仪的生产已经形成了较大的产业群,应用也涵盖了几乎所有的领域。作为一种全新的检测和科研手段,红外热成像技术的应用前景十分广泛,也期待能在实际运用中发现更多的用途。

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作者简介李云红 女,1974年出生,满族,辽宁省锦州市人,副教授,博士生。主要研究方向为红外热成像技术、红外热像测温技术。

孙晓刚 男,1967年出生,黑龙江省哈尔滨人,教授,博士后,哈尔滨工业大学博士生导师。主要研究方向为辐射测温、热物性测试、智能仪表。