热像仪基本知识及行业应用

1、热像仪基本知识及行业应用艾睿光电科技有限公司2010-7-230 / 42目 录一、红外的起源与发展21.红外技术的起源22.红外热成像技术的发展3（1）国外红外探测技术的发展过程3（2）国内红外探测技术的发展过程5二、红外线的性质7三、红外辐射的基本规律8四、红外热像仪的工作原理10五、红外热像仪在各行业中的应用111.红外热像仪在建筑行业中的应用112红外热像仪在医疗行业中的应用133红外热像仪在消防行业中的应用144红外热像仪在冶炼行业中的应用155. 红外热像仪在电子制造行业中的应用166. 红外热像仪在安防行业中的应用177. 红外热像仪在石化行业中的应用18（1）测试对象的自然状况

2、19（2）改造前后测试结果198. 红外热像仪在汽车行业中的应用20六、红外热像仪在电力行业中的应用实例24（一）、红外热成像仪在电力行业中的主要作用24（二）、电力设备的主要故障模式及其机理24一、红外的起源与发展1.红外技术的起源1800年，英国物理学家F.W.赫胥尔做了个实验，让阳光通过一个大三棱镜， 在白色屏上展示出一副七色光带，然后将七支体温计分别挂在每种单色光带上.为了监测环境温度，又在七色光带周围放置几个温度计。实验结果令他大为惊奇： 从紫外区到红光区的温度显示象阶梯一样，一个比一个高，但最高温度不在可见的有色光区，却在可见红外光区外的不可见光区，这一意外的发现意味着人类捕捉到了

3、一个肉眼看不见的红外辐射区，它蕴藏着丰富的热能 ，由此红外技术随着红外探测技术和红外探测器的发展而发展。 2.红外热成像技术的发展（1）国外红外探测技术的发展过程瑞典AGEMA公司与1958年生产出全世界第一台用于工业检测的测温型红外热像仪，它采用原来用于军用用途的光机扫描探测器。但由于其存在结构复杂、可靠性低等固有缺点，目前在工业检测领域基本没有应用。随着红外技术的发展，非制冷焦平面探测器在90年代中期得到了很大的突破，探测器的性能基本达到了工业检测用制冷型探测器水平。经过几代的发展，目前，用于工业检测的热像仪均采用非制冷焦平面探测器。根据采用像元数量的不同，可分为320*240便携式红外热

4、像仪、160*120手持式红外热像仪。光机扫描探测器(1958年至今) 工业检测已不用内循环制冷热电制冷液氮制冷焦平面、内循环制冷探测器 （1994年）焦平面、非制冷 探测器（1997年第一代，1999年第二代，2001年第三代，2002年第四代) 国外 红外探测技术的发展过程非制冷焦平面红外热像仪根据采用的探测器材料的不同，又可以分为氧化钒（VOX）、非晶硅（SI）和铁电型三种红外热像仪。从性能上讲，氧化钒的性能最好，它的最小可分辨温差可以达到0.06，非晶硅探测器一般为0.08，而铁电材料探测器一般为0.15以上。其中，氧化钒和非晶硅探测器对温度响应的线性较好，主要用于精确的温度检测；铁电

5、材料的探测器由于噪声大，主要用于图像观察，也可用于一般的温度巡检；氧化钒探测器的价格较高。目前氧化钒探测器主要为美国生产，不能出口到中国，因此，目前在国内销售的进口红外热像仪均采用的是法国Ulis公司（法国Sofradir公司下属公司，专门生产非制冷探测器）生产的非晶硅探测器。国内大部分的进口红外热像仪在2003年前，一般采用的是像元大小为50um的第二代320*240像元氧化钒探测器。从2003年开始，由于成本的因素和出口的限制等原因，开始采用法国Ulis公司生产的像元大小为45um的第三代320*240像元非晶硅探测器和像元大小为35um的第四代160*120像元非晶硅探测器。目前国内有一

6、些进口的红外热像仪采用像元大小为50um的第一代160*120像元氧化钒探测器。而目前最新的法国Ulis公司生产的第四代非晶硅160*120像元探测器，像元大小为35um，图像的解析度要远远优于第一代的氧化钒探测器。法国Ulis公司于2004年最新推出了像元大小为35um的第五代320*240（384*288）像元非晶硅探测器，目前在国际上已有采用此探测器的工业检测用红外热像仪销售，但由于其像元多，图像解析度高，发现目标远，可用于国防军用领域，目前我司高端产品采用此探测器。（2）国内红外探测技术的发展过程光机扫描 探测器(研究机构一直在研制发展中)热电视 (热释电管) 进口焦平面、非制冷 探测

7、器（ 2001年第三代，2002年第四代） 国内 红外探测技术的发展过程国内从50年代晚期开始研制光机扫描探测器，目前主要用于军用观察型，同时也有部分小像元的制冷型焦平面探测器（几十个像元），与国外的差距较大。90年代初期，国内部分红外生产厂家，利用热释电探测器，采用了独特的测温技术，成功地研发了用于工业检测的热释电型红外热像仪，主要包括早期的平移式红外热像仪和斩波型红外热像仪。由于它的成像采用电视扫描方式，又被称为热电视。热电视具有维护方便、性价比高的优点，但由于它的温度分辨率较低，测温的稳定性较差，因此，往往用于一般红外的温度巡检。2001年初，由于法国对中国红外探测器技术的逐步放开，国内

8、部分红外生产厂家，同期引进了法国Ulis公司生产第三代320*240像元非晶硅探测器，它的像元间距为45um，温度分辨率达到0.08，成功地开发了一系列的工业检测用红外热像仪。在2002年前，由于国内红外生产厂家初次接触非制冷焦平面探测器，对它的性能特点理解不够，因此，往往同时引进了探测器的成像机芯，早期国产的红外热像仪仅仅是完成了测温方面的工作。在2004年左右，国内红外热像仪厂家引进法国Ulis公司生产第四代160*120像元非晶硅探测器，它的像元间距为35um，温度分辨率达到0.1，开发生产了一系列的相对廉价的工业检测用红外热像仪。目前，国内部分红外生产厂家已经完全掌握了非制冷焦平面探测

9、器的性能，可独立研发拥有完全知识产权的成像机芯，掌握了非制冷焦平面红外热像仪的核心技术，达到了国际先进水平。2005年，国内部分红外生产厂家已开发了采用第五代320*240（384*288）像元非晶硅探测器成像机芯，但目前仅仅用于军事、准军事的用途，我司率先将其应用到民用产品中。二、 红外线的性质1. 凡是温度高于热力学零度（5）的物体均为热辐射体，其分子、原子、离子和电子等微观粒子受热激励后在能态之间跃迁而发射电磁辐射，其辐射强度和谱域由物体的性质决定。2. 辐射就是从物质内部发射出来的能量。这种辐射就称之为热辐射。热辐射 有时也叫温度辐射，这是因为热辐射的强度及光谱成分取决于辐射的温度，就

10、是说温度这个物理量对热辐射现象起着决定性的作用。3. 红外辐射具有可见光的一般特性，即直线传播、透射、反射、折射、散射干涉和偏振特性4. 红外辐射电磁波在空气中传播要受到大气吸收而使辐射的能量被衰减，空气的大气，烟云对红外辐射的吸收程度与红外线辐射的波长有关，特别对波长范围在（ 12.5m）, （ 35m）, （ 814m）的三个区域相对吸收很弱，红外线在这些区域穿透能力较强，透明度较高，这三个区域被称之为“大气窗口5.热能传导的形式（1）热传导（2）对流（3）辐射三、 红外辐射的基本规律1. 维恩位移定律物理学家维恩在研究物体辐射红外波的波长与温度之间有如下关系：式中：为峰值波长，单位是mT

11、为物体的绝对温度，单位为K维恩定律表明最大辐射波长等于一个常数与物体温度之比。即物体越热其最大辐射波长越短2. 斯蒂芬-波耳兹曼定律 斯蒂芬-波耳兹曼定律描述的是辐射功率随温度的变化规律，该规律表明，凡是温度高于开氏零度（-273.15）的物体，都会自发的向外发射红外热辐射，而且物体单位表面积发射的总辐射功率与其开氏温度四次方成正比。 该定律表明温度越高辐射能量越强，反之辐射能量越强则温度越高3. 郎伯余弦定律 郎伯余弦定律描述的是辐射的空间分布规律即物体在任意方向上的辐射强度与观测方向相对于辐射表面法线的夹角的余弦成正比。 结果表明，物体在辐射表面法线方向的辐射最强，因此在红外检测时应尽量选

12、择在被测表面法线方向进行。如果条件限制一般检测角度不应该大于30度（线路上由于检测位置的限制，角度过大，实际测量温度在有效测试距离下，也偏低）4. 焦耳和楞次定律 电流通过电阻时，导体中的电阻就会发热，将电能转换成热能，这种现象叫电流热效应。 1 9世纪的科学家焦耳和楞次 通过大量的实验，发现电阻通过电流后所产生的 热量与电阻、电流的平方与时间成正比例关系。 在电力系统运行中，电能转换为热能的关系式为： 四、 红外热像仪的工作原理它是利用红外探测器、光学成像物镜接收被测目标的红外辐射信号，经过光谱滤波、空间滤波使聚焦的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元上对被测物的红外热像进行扫描并聚

13、焦在单元或分光探测器上，由探测器将红外辐射能转换成电信号经放大处理，转换成标准视频信号通过电视屏或监视器显示红外热像图。红外热像仪简单工作示意图五、 红外热像仪在各行业中的应用1.红外热像仪在建筑行业中的应用在建筑材料中的湿气会破坏结构的完整性，并且滋生霉菌。解决湿气问题的第一步便是快速准确的找到并消除一切湿气产生的来源。红外热像仪将可以立即向您显示何处潮湿和何处干燥,可以迅速找到问题根源，并进行小规模的或根本无需对建筑物进行拆卸，从而把对居住者的影响降到最低。 红外热像诊断技术作为一种先进的无损探测的方法，从红外的角度详细解读建筑物的各种信息，在建筑领域的研究和应用日益活跃起来。红外成像用于

14、建筑诊断方面，具有以下明显的优点：A、远距离、非接触式测量，保证不破坏建筑物原有 结构；B、大面积实时、快速扫描检测，工作效率高；C、直观的显示，能明确地发现建筑物的各种缺陷；D、检测结果永久保存，便于后续处理，建立档案F、预防性检测，避免事故发生，节约能源和费用窗密封不良门密封不良 屋面渗漏屋顶渗漏应用案例：万科物业检测外墙万科的几个小区曾于年前出现过外墙砂浆层以及瓷砖脱落的情况，两次事故一次损坏了业主车辆，一次砸伤了物业员工，由此万科对检测外墙缺损产生了兴趣。万科在购买了一台仪器后倾向于将红外检测成体系成标准的在整个集团内使用，达至流程规范化标准化，基本的应用场合是竣工验收。万科的几个小区

15、曾于年前出现过外墙砂浆层以及瓷砖脱落的情况，两次事故一次损坏了业主车辆，一次砸伤了物业员工，由此万科对检测外墙缺损产生了兴趣。万科在购买了一台仪器后倾向于将红外检测成体系成标准的在整个集团内使用，达至流程规范化标准化，基本的应用场合是竣工验收。应用案例：万科物业检测外墙2红外热像仪在医疗行业中的应用红外热像仪，通过对人体温度分布的显示，显现人体温度分布的变化、变化的部位及程度。在观察分析热图像和定量测出温度差值后，根据解剖学、病理学和临床经验，可诊断有无病症、病灶的位置、性质及其程 医用基本功能是：热监视、热诊断、热测定、热研究，可用来早期探查、诊断疾病和评定疗效、追踪观察、科研探索等。红外热

16、像技术如与结构影像技术结合，既了解组织结构，又了解组织功能，使许多疾病得以早期发现，疾病性质得以早期明确，疾病规律得以全面认识。 人体是一个天然的生物发热体，正常人体的温度分布具有一定的稳定性和对称性。判断软组织疼痛的部位、性质、疼痛程度。判断急、慢性炎症的部位、范围、监测血管供血功能 、肿瘤预警指示左下肢脉管炎左下肢明显高温 左侧乳腺癌左乳周围明显高温慢性关节炎双膝明显低温 雷诺氏病手指明显低温 3红外热像仪在消防行业中的应用红外能极大地增强在浓烟、热、建筑物塌落等复杂状态下，消防人员能在火灾现场浓烟状态下清楚的显示出被拍物体形状及每个点的温度,帮助消防队员迅速搜索到遇险人员及贵重物品, 还

17、能及时发现着火点或最大火源，从而减少扑火时间，减少物品损失，是火灾现场救助工作的有利工具。4红外热像仪在冶炼行业中的应用公司便携式和固定式红外热像仪可用于从冶炼到轧钢的各个环节：大型高炉料面的测定、热风炉的破损诊断和检修、高炉残铁口位置的确定、钢锭温度的测定、连铸板坯温度的测定、出炉板坯温度的测定与控制等. 对驱动精轧机的大功率电机，进行日常的热测量，可以节省很多开支，（一个精轧机引起的意外停工将导致每分钟6000美圆的损失。）有助于提高钢铁质量，节约时间和成本。 5. 红外热像仪在电子制造行业中的应用对各种电路电气元件的热的稳定性和热可靠性进行测试和研究，是设计员提高电气产品质量的得力助手。

18、微电子，SMT焊接不良诊断，集成电路模块分析研究。电气、电子1、锌电池、太阳能电池的异常发热检查和温度分布测量2、半导体二极管的热扩散测量3、电子元件的过热现象的观测和温度测量4、印刷电路的发热检查5、热印刷磁头的热扩散测量6、冷冻冷藏库空调的热设计7、电熨、电热器、温风暖器、旋钮加热器，热毛毯等的温度分布测量和异常发热检查8、空调等的冷暖器以及风扇出口的空间温度分布测量9、光导纤维、半导体结晶的温度分布10、高压变压器、开关等电力设备热现象的研究11、微波炉加热物体的温度分布和温度测试6. 红外热像仪在安防行业中的应用红外热像仪既不依靠夜天光，也无须主动携带红外光源，而是靠接收目标自身的红外

19、辐射（一切物体，只要其温度高于绝对零度，就会有红外辐射）来工作。无论白天黑夜，物体都会辐射红外线，红外热像仪能清晰成像。7. 红外热像仪在石化行业中的应用石油化工生产中的许多重要设备是在高温高压状况下工作的，潜伏着一些易燃、易爆危险，要求对生产过程进行严格的在线监测，及时消除隐患。使用热像仪能检测产品传送和管道、耐火及绝热材料、各种反应炉的腐蚀、破裂、减薄、堵塞以及泄漏等有关信息，可快速而准确地得到设备和材料表面二维温度分布。炼油厂用热像仪检测催化裂化装置、反应堆尾气设备和熔炉、安全阀与凝气阀的泄漏、地下管道的漏失等，能早期迅速准确地找出热漏点。对炉身、燃气和排尘管道、反应堆槽以及转移线路中耐

20、火材料的损耗、裂缝和磨损等情况进行检查，对防止事故发生和减少能耗十分有效 。应用案例：蒸汽管道节能监测（1）测试对象的自然状况以石油一厂电站至催化裂化装置中压蒸汽管道为例。管径：273mm10mm；管道总长：800m；入口温度：440；出口温度：390；蒸汽压力：入口3.5MPa，出口3.4MPa；蒸汽流量：28t/h。（2）改造前后测试结果1997 年2月，对该中压蒸汽管道进行了红外测试，获得管道外壁表面温度场热像图数十幅。运用红外分析软件，计算出表面平均温度为31.2，环境温度为3，计算出平均热流密度为545.7W/m2。国家标准允许值在230W/m2以下，表明超标情况严重。同年7月，对该

21、管道改造后的保温情况进行了测试，得出管道表面平均温度为39.9，环境温度为32，计算出平均热流密度为131.7W/m2，符合国家标准。（3）保温改造效果的评估管道改造前，平均热流密度为 545.7W/m2，按年平均气温折算平均热流密度为539.9W/m2，管道全程总散热损失为643.5kW。管道改造后，平均热流密度为 131.7W/m2，按年平均气温折算的平均热流密度为140W/m2，管道全程总散热损失为194.7kW。改造后减少的散热损失为448.8kW，按年工作期320天计算，年节约热量为12.435TJ，折合成人民币，可看出一年节约的能源即可收回管道改造投资。8. 红外热像仪在汽车行业中

22、的应用汽车的研发和质量控制如：汽车刹车的放热研究、发动机消音器的热设计、多支管的温度分布、电装元件温度可靠性试验。应用案例：瑞典VOLVO汽车厂质量测试热像仪可用于检测汽车制造中各零部件的温度，这比其他方法更便捷、更快速。而且汽车的除霜装置设计在功能得以改进的同时也能大大缩短设计时间。除此之外：通风系统、发动机引擎、轮胎、刹车、换热器、变速器、电子元器件、变形及疲劳测试除霜器：常温下室内测试，优化挡风玻璃及窗口边缘除霜器的性能测试过程：在-1020的摸拟气温下，除霜效果及时间。热成像技术观察到除霜器的热分布情况，因此，使用热像系统可大大减少除霜器的研制时间冷气：传统的测量方法是利用热电偶，利用

23、热像仪可迅速发现泄漏点并准确定位泄漏点引擎室：热像仪可以很快得到极详尽的温度分布图，从图中分辨出各个部件以及其细小温差轮胎：高速运动的轮胎的温度测量，热像仪可直接在试验台上确定轮胎上可能存在的热点缺陷，而不必在马路上现场测试，另外，热像仪还可用于轮胎的疲劳试验以及材料缺陷的评估刹车：跟踪刹车盘上某点的温度，喷漆烘干室：汽车部分喷漆过程是通过加热汽车本体，来实现良好的喷涂效果的，车体的温度控制及测量尤为重要，汽车表面的温度测量应尽可能大的覆盖面积，而热像仪正满足这种要求的首选设备热交换器：可用于冷凝器、散热器、及油热交换器等的检查，也可用于检查管道是否堵塞及泄漏等。引擎与变速箱：用热像仪来掌握汽

24、车冷却装置的冷却水的循环状况及油冷却的效果。电气部件：电池系统在充、放电时的自热情形，电池的泄漏及异常温升等。汽车制造厂的维护：厂区变电站的过热设备，电缆接头、蒸汽管道及保温缺陷通风系统、发动机引擎、轮胎、刹车、换热器、变速器、电子元器件、变形及疲劳测试9. 红外热像仪公路行业应用 为什么沥青路面会提前失效而且出现骨刺样的坑洼、破损和破裂？自从80年代中期以来，很多服务年限设计为15年的高速公路即将很快失效。在铺路的过程中，用红外热成像法来追踪路面或垫子上混合的热沥青中可能会出问题的区域温度的变化。在一项十年前就已经开始、而且现在仍在进行当中的合作研究中，华盛顿运输部和华盛顿大学已经开始通过红

25、外热像仪进行研究公路提前失效的原因。现在通过红外热像仪拍摄铺路时的沥青热图像非常简单，大大提升了高速公路的性能及使用寿命。 10. 红外热像仪在其它行业中的应用人类与生物1、低频治疗器、热治疗器等的治疗效果2、药物效果的研究3、运动生物的研究4、植物生长的研究5、动物体温的测量机械、金属1、金属焊接的研究2、金属、陶瓷、塑料等的热传导研究3、热交换器的热研究4、机床的发热检查5、金属、陶瓷、塑料等的磨擦热的研究6、铸造品的生产技术研究和铸模的热设计7、铝压、铸件、树脂成型模具的设计与温度检查纤维1、线的温度测量2、线制造工程的研究3、衣服的保温、放热的研究4、卧具的保温、放热的研究化学1、塑料

26、成形品的温度2、塑料胶片的温度测量其它：1、风洞试验体的温度分布及温度测量2、蒸馏食品制造工程的温度监视3、热环境调查、给排水等的扩散分布研究4、 化妆品的研究5、火山观测六、红外热像仪在电力行业中的应用实例（一） 、红外热成像仪在电力行业中的主要作用（1） 高压电气设备外部的过热点故障的诊断，如线夹、刀闸等不良接触引起的发热 。（2） 高压电气设备内部导流回路故障的诊断，如断路器内部动静触头，静触头基座及 中间触头接触不良，电缆头内部接触不良。（3） 高压电气设备内部绝缘故障的诊断，如CT 、PT，电容器等的整体受损，绝缘老化和局部放电。（4） 油浸电气设备缺油故障的诊断，如主变瓷套内的油位

27、面降低而导致外部温度变化。（5） 电压分布异常和泄漏电流增大故障的诊断，如避雷器受潮，泄漏电流增大导致的局部发热。（6） 其他一些外露或反映到设备外表面的热故障，如涡流露热、电力机械磨损等。（二）、电力设备的主要故障模式及其机理1电阻损耗（铜损）增大故障电力系统导电回路中的金属导体都存在再相应的电阻，因此当通过负荷电流时，必然有一部分电能按焦耳-楞茨定律以热损耗的形式消耗掉。由此产生的发热功率为：P=KfI2RP为发热功率，W；Kf为附加损耗系数；I为通过的电荷电流，A；R为载流导体的直流电阻值，。P=I2Rj在理想情况下，假如导电回路中的各种连接件，接头或触头接触电阻低于相连导体部分的电阻，

28、那么连接部位的电阻损耗发热不会高于（甚至低于）相邻载流导体的发热。然而，一段某些连接件，接头或触头应连接不良，造成接触电阻增大，该连接部位与周围导体部位相比，就会产生更多的电阻损耗发热功率和更高的温升，从而造成局部过热。 刀闸握手发热 隔离刀闸桩头发热 运行实践表明，引起导电回路不良连接的主要原因有以下几种：（1）导电回路连接结构设计不合理。（2）安装施工不严格，不符合工艺要求，如：连接件的电接触表面未除净氧化层及其他污垢，焊接质量差，紧固螺母没有拧到位，未加弹簧垫圈，由于长期运行引起弹簧老化，或者由于连接件内被连接的导线不等径等。（3）导线在风力舞动下或者外界引起的振动等机械力作用下，以及线

29、路周期性加载及环境温度的周期性变化，也会使连接部位周期性冷缩热胀，导致连接松弛。（4）长期裸露在大气环境中工作，因受雨，雪，雾，有害气体及酸，碱，盐，等腐蚀性尘埃的污染和侵蚀，造成接头电接触表面氧化等。（5）电气设备内部触头表面氧化，多次分合后在触头间残存有机物或碳化物，触头弹簧断裂或退火老化，或因触头调整不当及分合时电弧的腐蚀与等离子体蒸汽对触头的磨损及烧蚀，造成触头有效接触面积减小等。2. 介质损耗（介质）增大故障众所周知，除导电回路以外，有固体或液体（如油等）电介质构成的绝缘结构也是许多高压电气设备的重要组成部分。用作电器内部或载流导体附近电气绝缘的电介质材料，在交变电压作用下引起的能量损耗，通常称为介质损耗。P=U2Ctg由于绝缘电介质损耗产生的发热功率与所施加的工作电压平方成正比，而与负荷电流大小无关，因此称这种损耗发热为电压效应引起的发热。式（2-6）表明，即使在正常状