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    紅外熱像儀小知識

    2020-11-03 14:40:44  來源:網絡
    簡單地講:紅外熱像儀就是利用某些特殊的材料對紅外光輻射能產生某些物理量的變化的特性,然后把這種變量轉化成電信號,經過調制后再轉變成圖象并測溫。這些特殊的材料多為:碲鎘汞、銻化銦、鉑化硅、氧化釩、硅摻雜(或多晶硅)等等。市場上所謂的“制冷”和“非制冷”之分,實際上是指有無制冷器而言,其實,即便是“非制冷”的紅外熱像儀,它也有所謂的冷氣包之類的元件對探測器降溫——否則,探測器本身在常溫下,它的背景熱噪音就會讓它的溫度分辨能力大大地下降。筆者個人認為:就現階段的技術而言,制冷型的紅外熱像儀總體性能還是優于非制冷的紅外熱像儀。

     


    紅外熱像儀本身并不發射紅外,它只是被動地吸收而已。這種特征加上自然界任何物體都對外輻射紅外信號的特點,使之成為軍事價值極高的設備;考慮到紅外線在空氣中衰減的幅度,作為高靈敏度探測器材料的要何等的高!尤其是要考慮紅外熱像儀本身也有紅外輻射的干擾時。因此,從紅外熱像儀誕生那天開始,對它的技術保密級別及它的價格都非常的高。這里,我們還姑且不談紅外探測器的生產工藝的難度和成品率。


    我們知道:自然界一切溫度在優良零度以上的物體,由于自身的分子熱運動都在不停地向周圍空間輻射包括紅外波段在內的電磁波,其光譜范圍比較廣。分子和原子的運動愈劇烈,輻射的能量愈大,反之輻射的能量愈小。


    而現階段的紅外熱像儀都只能對其中某一小段光譜范圍的紅外光產生反應。比如:3~5μm; 或8~14μm;,也就是所謂 的“大氣窗口”——大氣、煙云等吸收可見光和近紅外線,但是對3~5微米和8~14微米的熱紅外線卻受影響較小。因此,這兩個波段被稱為熱紅外線的“大氣窗口” 。同時,物體向外發射的輻射強度取決于目標物體的溫度和物體表面材料的輻射特性。同一種物質在不同的狀況下(表面光潔度、環境溫度、氧化程度等等),向外輻射紅外能量的能力都不同,這種能力與假象中的黑體的比值就是該物質在該溫度下的發射率。(黑體是一種理想化的輻射體,它吸收所有波長的輻射能量,沒有能量的反射和透過,其表面的發射率為1。)應該指出,自然界中并不存在真正的黑體。


    也就是說,紅外熱像儀能否觀察到物體,取決于該紅外熱像儀的溫度分辨率和空間分辨率以及被測物體表面的紅外輻射強度和面積,我們甚至可以大略地理解為:溫度分辨率即是*小可辨溫差的能力,空間分辨率是顯示這種溫差的能力。

    現階段溫度分辨率是以NETD實驗條件下,環境溫度為30℃時探測器的*小可辨溫差,而不是熱像儀整機的溫度分辨率。因為探測器本身的背景噪音如果為0.06℃時,后續處理所帶來的背景噪音疊加后肯定要高于0.06℃,至于能達到多少,那就要看各個廠家后續電子線路版塊的設計和處理能力了。這里值得說明的是:溫度分辨率和測溫精度是兩回事。前者是*小可辨溫差的能力;后者是重復測量的平均溫差。

    剛接觸紅外熱像儀的朋友通常會混淆這兩個概念。空間分辨率不能等同于視場角,視場角是指鏡頭而言,空間分辨率實際是指紅外熱像儀整機的分辨能力,它與探測器、電路、鏡頭有關,是個綜合指數,以rad為單位,1.0rad 即千分之一弧度。

    這里,還要介紹一下像素數。

    通常我們看到國內外的紅外生產廠家在其產品技術參數上標明:320×240、160×120、120×120甚至是382×288、640×480,這一般是指探測器聚焦平面陣列數,可以理解為:單元探測器的數量,那當然是越多越好了。

    這里要補充一點:現在國外有些廠家因受某些技術或條約的約束,還不能向中國出口高分辨率及高像素的紅外熱像儀或探測器,但出于資本的本能又希望進入中國市場,于是,采取了插值算法以提高顯示像素數,同時又不違反所謂的條約。與此應注意“幀頻”指標,即掃描速度。現在市面上出現了一些幀頻為9HZ的進口紅外熱像儀,在某些行業的紅外熱像儀應用上,我國是有限制規定的。



    順便插一段:所謂的 “短波”紅外和“長波”紅外通常就是指探測波譜范圍為3~5μm; 和8~14μm;的紅外熱像儀。兩者各有千秋。

    比如說:探測波譜范圍為3~5μm;短波紅外熱像儀通常為制冷型紅外熱像儀,材料一般為:碲鎘汞、銻化銦、鉑化硅等,多用于軍事及測高溫領域。分辨率一般較高。但由于制冷元件的成本高,導致價格貴。也正是制冷元件的故障率較高及制冷效果的衰退,導致其在工業領域使用范圍的日見萎縮。而且,這些制冷儀器從開機到能夠使用,通常要等10分鐘左右——制冷器正常工作后,這在現場工作中是很不方便的。更不用談制冷型紅外熱像儀相對比較重了;非制冷紅外熱像儀的材料一般為:氧化釩、硅摻雜(或多晶硅),多為8~14μm;的紅外熱像儀。開機即用,成本較低,輕便小巧,維護方便,其探測器的穩定性及分辨能力相對較差(由于科技的發展,其分辨率也越來越高了)。被廣泛應用于電力、化工、消防等領域。



    這里,還有一個有趣的故事:當初非制冷紅外熱像儀剛出現在市場時,為了和早期制冷型紅外熱像儀競爭,有些人士曾屢屢提到陽光干擾問題。有一種說法是:短波紅外熱像儀(3~5μm;)易受陽光干擾,而長波紅外熱像儀(8~14μm;)不受陽光干擾;因此,長波紅外可以在白天工作,而短波紅外熱像儀不行。的確,陽光是有干擾,但是,陽光照射物體表面發**射或衍射時,其光譜范圍跨越了3~5μm;的同時也跨越了8μm;的范圍,也就是說:陽光對兩者皆有干擾,輕重不同而已。誰也不敢說:拿長波紅外熱像儀白天檢測就能避免因陽光干擾而產生的誤判斷!否則,我國相關檢測規程中也不會建議:在使用紅外熱像儀進行檢測時,盡量在“日出之前、日落之后”或陰天。其實,這種干擾還包含另外兩個因素:**,陽光照射會使被檢測設備本身升溫,該溫升與設備故障部位的溫升有可能疊加,造成漏檢或誤判斷;陽光照射對使用液晶屏作為顯像器的紅外來說,對人的肉眼是有很大的干擾的。


    紅外熱像儀除了能顯示物體表面的熱狀態分布圖之外,還有一個特點:非接觸測溫。這個功能,在當年的“非典”中應用是非常廣泛的。但是,筆者認為:紅外在“非典”中的應用,對普及紅外熱像儀相關知識有一定的作用;可在某些地方的應用方式上卻是有待商榷的。我們知道:人體是個恒溫體,傳統測溫所采取的部位是:腋窩、口腔、直腸。其中,直腸的溫度*高也*接近人體內部溫度。體表呢?——要知道紅外熱像儀只能測量表面的熱輻射(體表的不同位置溫度也不一定相同,但多在26度到31度左右),而人又分男女、老少,每個人在體表熱輻射上都有差異,同時,同一個人在24小時內的體表溫度也是有差異的。你怎么能排除人受環境的影響?(比如說人多而空間小、有空調、剛喝過熱水吃過飯、剛運動過、心情緊張等等)由于人有這些特性,即使你用相對溫差法或熱譜圖法也無法準確判斷。


    紅外熱像儀能測溫實際上是通過黑體恒溫(可調)爐對紅外熱像儀先定標它的溫度曲線,定標的點越多,測溫相對越準。也就是說:沒有哪一家(無論是國外的還是國內的紅外廠家),也無論你是上等的紅外熱像儀還是低端紅外熱像儀,都不可能無限止地標定無數個點,那樣是不現實也不經濟的——這一點對于人工成本高的國外產品來說,也是個不好的消息。即:誰的測溫都不可能準確。這種標定是和每個探測器本身的特性相關,所以,每臺紅外熱像儀,只要你測溫,這道工序是不可避免的。*麻煩的是:紅外探測器在工作或放置一段時間后,其材料的老化也是不可避免的——不管你是氧化礬還是硅摻雜(或多晶硅)或者別的什么材料,材料的特性發生改變,測溫曲線就得重新標定,否則測溫就不可能準確!雖然說非制冷焦平面號稱免維護機型,可以工作5萬或8萬小時,但這與測溫準確性無關,是指成像而已。何況,空氣中的水分,CO,CO2、灰塵對,紅外線的衰減作用,誰也無法去量化——它是流動的、非線性的且各區域在不同時間內是變化的。于是,關于“環境參數自動校正”“大氣穿透率自動校正:”等參數就出現在我們面前了。那估計是各個廠家自己的經驗參數吧!


    相關人士在談及該問題時,開玩笑說:“紅外熱像儀測溫是優良不準的,發現相對溫差的能力是上等的。”當然,這只是和接觸式測溫相比而言。應該說紅外熱像儀測溫雖然有誤差,但還是比較準確的。另外,我們國家有些行業已制訂的檢測規則中規定:用紅外熱像儀檢測帶電、高溫的設備的方法是:1,熱譜圖法2,相對溫差法。


    從核心技術的角度來說,國內工業紅外熱像儀行業根本沒有什么可以自豪的地方。因為非制冷焦平面探測器制造技術完國內外廠家手中,我們面臨的是長期的技術封鎖。


    但是,這并不意味著國產紅外熱像儀的品質比國外同等探測器的熱像儀水平低;甚至,在功能設計及圖象清晰度或測溫準確性上,國內紅外熱像儀更勝一籌或者說更能滿足*終客戶群的需求。


    前面提到,紅外熱像儀的溫度分辨率和空間分辨率除了與探測器密切相關,還與各個廠家后續電子線路版塊的設計和處理能力有關。終客戶群需求的是紅外熱像儀而并非探測器本身。


    當同檔次產品,功能相當時,首先要考慮的是:他們的穩定性如何?可以參考同行業廠家的使用情況及對比這幾家紅外廠家的售后服務,還有他們的各種出廠檢驗能力。其次,要問自己:需要什么樣功能的紅外?自己的目的是什么?廠家宣傳的那么多功能中,到底有哪幾樣是自己常常必須要用的?即:滿足自己真實需要的幾種功能的紅外中,哪一款價格低?不要盲目地選擇好的紅外熱像儀。在適合的紅外熱像儀中選擇便宜的是理性的做法。

         


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