红外热成像检测技术(33~35)

1、3.3 红外无损检测的原理一、红外热辐射基本定律：1.基尔霍夫定律2.普朗克定律3.维恩定律4.斯蒂芬玻耳兹曼定律1 同温度物体的红外发射能力正比于其红外吸收能力；红外平衡状态时，物体吸收的红外能量恒等于它所发射的红外能量。 基尔霍夫定律基尔霍夫定律推论：性能好的反射体或透明体， 必然是性能差的辐射体。2描述了黑体辐射的光谱分布规律，是黑体辐射的理论基础。 普朗克定律普朗克定律3式中 W为黑体的光谱辐射出射度，W/(m2um)； 为辐射电磁波的波长，um; k为玻尔兹曼常数，1.38*10-23WsK； h为普朗克常数，6.6262*10-34Js； T为黑体热力学温度，K； C为光速，3*1

2、08m/s。 物体的红外辐射能量密度大小，随波长（频率）不同而变化。与辐射能量密度最大峰值相对应的波长为峰值波长，维恩通过大量实验得出了峰值波长和物体热力学温度之间的关系：max2897/T 维恩位移定律维恩位移定律max波长的单位是um，T是物体的绝对温度，单位是K。4红外辐射能量密度曲线温度波长物体名称温度/K波长/um太阳110000.26融化的铁18031.61融化的铜11732.47融化的蜡3368.62人体3059.50地球大气3009.66冰27310.6液态氮77.237.53常见物体的峰值波长54WT 物体辐射的红外能量密度W与其自身的热力学温度T的4次方成正比，并与它表面的

3、比辐射率成正比： 斯蒂芬玻耳兹曼定律（斯蒂芬玻耳兹曼定律（1879，1884）可见，物体的温度越高，红外辐射能量越多。6二、红外检测原理1.可行性（1）物体辐射 自然界温度高于绝对0度（273C）的物体，表面不断地辐射红外线。红外线是电磁波，波长范围：0.781000um7（2）红外热成像仪 将物体的红外辐射聚焦到 红外探测器上，红外探测器再将强弱不等的辐射信号转换成相应的电信号，然后经过放大和视频处理，形成可供人眼观察的视频图像。 红外热成像系统将物体发射的红外辐射（即表面温度场）转变为人眼可见的热图像，从而使人眼的视觉范围扩展到不可见的红外区。8 红外探测器输出的图像通常称为“热图像”，由

4、于不同物体甚至同一物体不同部位辐射能力和它们对红外线的反射强弱不同。利用物体与背景环境的辐射差异以及物体本身各部分辐射的差异，热图像能够呈现物体各部分的辐射起伏，从而能显示出物体的特征。 同一目标的热图像和可见光图像是不同，它不是人眼所能看到的可见光图像，而是目标表面温度分布图像，或者说，红外热图像是人眼不能直接看到目标的表面温度分布，变成人眼可以看到的代表目标表面温度分布的热图像。 2. 红外热像仪成像的原理数字信号处理器主要是进行的是非线性校正等。(a)校正前 (b)校正后实际图像校正前后对比红外辐射到视频信号的形成原理：红外热像仪成像时，目标物体的某个单位面积与图像的某一像素相对应，像素

5、的灰度值就是热像仪输出的视频信号幅度US经过放大、量化后得到的电压。2.检测方式（1）主动检测（有源检测） 采用某种加热方式来激励内部缺陷，使试件表面形成反映这些缺陷存在的温差，采用热像仪进行红外热成像实现对物体缺陷的检测，这种检测形式称为主动式红外无损检测。 在热激励工件的同时或在激励经过一段时间延迟后测量工件表面的温度分布。17 反射检测（单面检测）18 透射检测（双面检测）（2）被动检测（无源检测）利用工件自身的温度分布来检测工件内部的缺陷。不需要对被测加热，仅仅利用被测目标的温度不同于周围环境的条件，在被测目标与环境的热交换过程中进行红外检测的方式。被动式红外检测应用于运行中的设备、元

6、器件和科学实验中。由于被动检测不需要附加热源，在生产现场基本都采用这种方式。203.主动检测原理如果向一个试件注入热量，其中一部分热流必然向内部扩散，并引起试样表面的温度分布的变化。21均质体透射法（双面法）均质体反射法（单面法）对于无缺陷的物体，均匀注入热流，热量能够均匀的向内部扩散或从表面扩散，因而表面的温度场分布也是均匀的。22若试样内部存在缺陷时，就会在试样有缺陷区和无缺陷区形成温差。当物体内部含有导热性缺陷时，反射法试样表面就会出现温度较低的局部冷区；透射法出现局部热区。非均质体反射法（单面法）非均质体透射法（双面法）23当物体内部存在隔热性缺陷时，热流会在缺陷处受阻，反射法造成热量

7、堆积，导致表面出现温度高的局部热区；透射法出现局部冷区。244.红外无损检测特点适用面广，可用于所有金属和非金属材料。速度快，每个测量只需几十秒钟。观测面积大，根据被测对象和光学系统，一次测量可覆盖至平方米量级。针对大型检测对象还可对结果进行自动拼图处理。直观，测量结果用图像显示、 直观易懂。定量，可以直接测量到缺陷深度、 厚度，并能作表面下的识别。单向非接触，加热和探测在被检试件同侧，且通常情况下不污染也不需接触试件。设备可移动、探头轻便，十分适合外场、现场应用和在线、在役检测。253.4 红外热像仪一、红外探测器探测器是红外热像仪的心脏，它将红外辐射转变为电信号。1.红外探测器的早期研究2

8、6研究主要集中在近红外（1-2.5um）非完全被动，需借助星光四十年代出现军用微光夜视仪（美国）2.红外探测器的发展 根据目前红外热成像系统的发展情况及对今后的预测，红外热成像系统大致可分为三代：z第一代指六十年代采用的致冷型单元或线列红外探测器，以数目有限的探测单元为特征，借助光机扫描实现图像探测，同时还需要低温制冷器协同工作，如：HgCdTe、InSb、PbS等红外探测器，其产品成本高。 第一代红外技术分辨率和速度都受到限制，而且价格十分昂贵，应用范围仅局限于军事。27z第二代80年代，探测器由单元或线列走向了面阵，红外热成像系统发展成为红外焦平面阵列。将红外焦平面阵列器件应用到红外成像中

9、，出现了致冷型固体红外摄象机，它不需要光机扫描，通常称该技术为第二代红外技术。z第二代存在两个缺点： 制冷：需要工作在液氮温度(77K，即：-196)。 价格昂贵：致冷型长波红外焦平面热像仪每台在10万美元以上，民用应用仍受到限制。z第三代九十年代中期，美国发明了可在室温环境下工作的固体红外焦平面阵列，它完全克服了前两种红外技术的缺点，可以工作在室温，无需致冷，所以无任何机械运动部件，如：斯特林致冷机和斩波调制等。这种器件应用到红外成像中，出现了非致冷型红外摄像仪。这种热像仪不仅在军事上得到了广泛的应用，而且还广泛应用到很多民用行业中。3.红外探测器的分类(1)光子型探测器光子型探测器吸收红外

10、辐射后，产生光电效应，即光子激发吸收红外辐射后，产生光电效应，即光子激发成传导电子而形成电信号；响应时间短，对波成传导电子而形成电信号；响应时间短，对波长有选择性；又可分为光导、光伏、光磁电等长有选择性；又可分为光导、光伏、光磁电等类型。类型。(2)热探测器热探测器吸收红外辐射后，内部产生温度的变化，而温吸收红外辐射后，内部产生温度的变化，而温度的变化又引起物理性质的变化；响应时间长，度的变化又引起物理性质的变化；响应时间长，对波长无选择性；又可分为对波长无选择性；又可分为气动探测器、测辐气动探测器、测辐射热计、温差电偶、和热电探测器等类型。射热计、温差电偶、和热电探测器等类型。31光子探测器

11、是利用了材料的内光电效应，红外光子探测器是利用了材料的内光电效应，红外光子直接把材料束缚态电子激发成传导电子，参光子直接把材料束缚态电子激发成传导电子，参与导电，实现了光电转换。电信号大小与吸收的与导电，实现了光电转换。电信号大小与吸收的光子数量成比例。光子数量成比例。按电信号输出的不同原理，光子探测器又分为按电信号输出的不同原理，光子探测器又分为光电导、光伏、光磁电探测器。光电导、光伏、光磁电探测器。 光子型探测器光子型探测器33光电导探测器是当红外辐射照射到探测器上光电导探测器是当红外辐射照射到探测器上之后，引起它的电阻发生变化，从而可探测出入射之后，引起它的电阻发生变化，从而可探测出入射

12、辐射的强弱。这种探测器有时也称为光敏电阻。器辐射的强弱。这种探测器有时也称为光敏电阻。器件有件有PbS、PbSe、Ge:Hg、InSb、MCT等。等。光伏探测器是利用了半导体光伏探测器是利用了半导体p-n结的特性，当结的特性，当它受到红外辐射的照射以后，载流子它受到红外辐射的照射以后，载流子(即带负电的即带负电的电子和带正电的空穴电子和带正电的空穴)被被p-n 结所分开，在结所分开，在p-n 结两结两端建立起一个电场，这个电场的大小就表示了入射端建立起一个电场，这个电场的大小就表示了入射红外辐射的强弱。器件如红外辐射的强弱。器件如InSb、MCT、TeSnPb、PtSi等。等。光磁电探测器由于

13、需要在探测器芯片上要外光磁电探测器由于需要在探测器芯片上要外加磁场，结构复杂，不常使用，器件有加磁场，结构复杂，不常使用，器件有InSb、MCT等。等。34光子探测器为对波长有选择响应的探测器光子探测器为对波长有选择响应的探测器：12.5m PbS（硫化铅）（硫化铅）35m PbSe（硒化铅）（硒化铅） InSb（锑化铟）（锑化铟） MCT（碲镉汞（碲镉汞HgCdTe） PtSi(硅化铂硅化铂) QWIP（量子阱）（量子阱）814m Ge:Hg(锗掺汞锗掺汞) PbSnTe(碲锡铅碲锡铅) MCT(碲镉汞碲镉汞) QWIP(量子阱量子阱)传感器被入射的红外辐射加热传感器被入射的红外辐射加热温度

14、变化的测量可由下列方式得到温度变化的测量可由下列方式得到电阻变化（测辐射热计）电阻变化（测辐射热计）热电结（热电结（TE传感器）传感器）热释电效应热释电效应油膜蒸发（蒸发图案）油膜蒸发（蒸发图案）半导体吸收边缘移动半导体吸收边缘移动热弹性效应热弹性效应液晶色变液晶色变气体压力改变（高利元件）气体压力改变（高利元件） 热探测器热探测器制冷型红外的缺陷制冷型红外的缺陷成本高、寿命短成本高、寿命短20世纪世纪70年代末，美、英军方制定秘密计划：年代末，美、英军方制定秘密计划：发展非制冷焦平面，发展非制冷焦平面，目的是发展出用户目的是发展出用户买得起和用得起买得起和用得起的热成像的热成像仪仪。ULIS

15、Uncooled Low-cost Infrared Sensor非制冷红外探测器非制冷红外探测器非制冷红外探测器非制冷红外探测器美国德克萨斯仪器公司的红外前视系统(FLIR)二战后，首先由美国德克萨斯仪器公司(TI)研制成功第一台用于军事领域的红外热成像装置(FLIR)。它利用光学机械系统对被测目标的红外辐射扫描，由单元光子探测器接收二维红外辐射，经过光电转换及一系列信号处理，形成视频图像信号。该系统的原始形式是非实时的自动温度分布记录仪，随着锑化铟和锗化汞光子探测器的发展，才成为高速扫描和实时显示目标热图像的系统。4. 红外成像系统的发展红外成像系统的发展瑞典AGA公司的红外热像仪六十年代

16、初，瑞典AGA公司研制成功第二代红外成像系统，它在红外前视系统的基础上增加了测温功能，被称为红外热像仪。投入应用的热成像系统可在黑夜或浓雾中探测对方的目标。开始由于保密的原因，在发达国家也仅限于军用，因为是应用于军事领域，热成像系统的研制开发费用很大，仪器成本很高。后来考虑到工业生产中的实用性，开始降低造价，以适应民用市场要求。AGA公司的工业用实时热成像系统(THV)六十年代中期，AGA公司研制出第一套工业用实时热成像系统(THV)，该系统用液氮致冷，110V电源电压供电，重达35公斤，使用中便携性能很差。非致冷红外焦平面成像传感器八十年代，美国霍尼威尔（Honeywell）公司，开发出非致

17、冷红外焦平面成像传感器。非致冷红外焦平面成像传感器非致冷红外焦平面阵列技术的出现，实现了热像仪系统的小型化和低成本，使热像仪大量进入广阔的民用市场，进一步扩大了它的使用范围。近两年典型的代表产品有：美国FLIR系统公司的Therma Cam系列、Raytheon系统公司的Palm IR系列以及Report IR系列等，它们都采用了微测辐射热计探测器。 能在室温下工作，无需致冷； 与大规模集成电路工艺兼容，成品率高、均匀性好，图像清晰； 体积小、重量轻、功耗低、工作可靠、使用寿命为10年，可做成便携式产品，操作与维护简便； 响应波段宽，能在35m和812m波段使用，温度分辨率高，噪声等效温差可达

18、100mK（0.1）； 空间分辨率1（mrad，毫弧度），空间分辨率高，可制成高密度像元阵列； 采用PAL和NTSC标准视频输出，可与电视显示兼容； 性能/价格比高。目前的价格是致冷固体红外焦平面摄像机价格的1/3到1/5，预计以后可达1/10到1/100。5. 非致冷红外焦平面热像仪的优点非致冷红外焦平面热像仪的优点44二、二、红外热像仪红外热像仪1.红外热像仪分类 根据焦平面阵列是否需要制冷分类（1）制冷型（2）非制冷型制冷式红外热图像非制冷式红外热图像（1）光机扫描型采用单元或多元的光电导或光伏红外探测器，借助光机扫描器使单一探测器依次扫过景物的各部分，形成景物的二维图像。探测器把接收到

19、的辐射信号转换成电信号，通过隔直电路把背景辐射从目标信号中消除，从而获得对比度良好的热图象。这种类型的热成像系统存着结构复杂、成本高等缺点，是早期产品，主要应用在军事领域中。 根据是否需要光机扫描分类（2）非光机扫描型性能上优于光机扫描型，有逐步取代它的趋势。探测器由单片集成电路组成，是包含多个探测单元的面阵，每个单元与景物的一个微面元对应，因此可取消光机扫描。高密度、低成本、高可靠性和高使用寿命的非致冷凝视焦平面阵列技术是红外热像技术发展经历的第三次变革。不仅甩掉了机械扫描机构、而且无需致冷，使红外热像系统进一步小型化、精细化，系统成本降低差不多一个数量级。红外探测器驱动电路 制冷机（制冷型

20、具备）红外光学镜头外形及其他接口、结构配件机芯2.2.红外热像仪红外热像仪的组成的组成 红外仪器中的光学元件，如透红外仪器中的光学元件，如透镜、转鼓镜、转鼓(棱镜棱镜)、窗口、窗口(包括杜瓦包括杜瓦瓶的窗口瓶的窗口)、滤光片、调制盘等，、滤光片、调制盘等，均需要光学材料。红外光学材料均需要光学材料。红外光学材料除一般光学玻璃所具备的除一般光学玻璃所具备的光学、光学、物理、化学、热、机械物理、化学、热、机械等性能外，等性能外，还要求在还要求在红外波段内具有良好的红外波段内具有良好的透过率透过率。常用的红外光学材料为常用的红外光学材料为Ge，少，少量使用量使用ZnS等等 红外光学红外光学红外光线材

21、料的折射率较高，红外光线材料的折射率较高，反射损失大反射损失大，因而透过率较低，因而透过率较低，而且反射光线还将而且反射光线还将引起象质变差引起象质变差。镀增透膜对于透射式红外光学。镀增透膜对于透射式红外光学元件是必不可少的工艺，它不但提高了光学元件透过率，还对光元件是必不可少的工艺，它不但提高了光学元件透过率，还对光学材料起到了保护作用，避免了某些材料的潮解等损伤。由图可学材料起到了保护作用，避免了某些材料的潮解等损伤。由图可以看到，未镀增透膜的以看到，未镀增透膜的Ge片透过率很低片透过率很低,镀增透膜可以根据需要镀增透膜可以根据需要在在35微米或微米或814微米的工作波段提高透过率。图中所

22、示为微米的工作波段提高透过率。图中所示为814微米工作波段的曲线。微米工作波段的曲线。 光学镀膜光学镀膜不受光照条件影响不受光照条件影响可穿透烟、雾可穿透烟、雾作用距离很短作用距离很短成像质量差成像质量差受外部光源影响极大，无法避免过曝受外部光源影响极大，无法避免过曝不能穿透烟、雾不能穿透烟、雾对比技术对比技术微光夜视微光夜视作用距离较短作用距离较短数十米数十米寿命问题寿命问题专利问题专利问题受外部光源影响极大，无法避免过曝受外部光源影响极大，无法避免过曝不能穿透烟、雾不能穿透烟、雾价格便宜价格便宜对比技术对比技术红外红外LEDLED主动照明主动照明作用距离较长作用距离较长标称可达标称可达30

23、00m难以进行多点监控应用难以进行多点监控应用寿命问题寿命问题“光污染光污染”风险风险受外部光源影响极大，无法避免过曝受外部光源影响极大，无法避免过曝不能穿透烟、雾不能穿透烟、雾价格适中价格适中对比技术对比技术激光主动照明激光主动照明 3.红外热像仪基本技术参数红外热像仪基本技术参数（1）探测器尺寸：指探测器上单个探测元的大小。规格：17m，25m，35m等。探测元越小，则成像的质量越好。(2)红外探测器的分辨率： 分辨率是衡量热像仪探测器优劣的一个重要参数，表示了探测器焦平面上有多少个单位探测元。规格： 160120， 384288，320240， 640480 ，1024768分辨率越高，

24、成像效果也就越清晰。 160120分辨率红外图384288分辨率红外图(3)视场角（FOV）： 视场角是由镜头系统主平面与光轴交点看景物或看成像面的线长度时所张的角度，通俗的说，镜头有一个确定的视野，镜头对这个视野的高度和宽度的张角称为视场角。 (4)焦距（镜头大小）： 透镜中心到其焦点的距离，通常用f表示。焦距的单位通常用mm(毫米)来表示，一个镜头的焦距一般都标在镜头的前面，如f=50mm（这就是我们通常所说的“标准镜头”），28-70mm（我们最常用的镜头）、70-210mm（长焦镜头）等。焦距越大，可清晰成像的距离就越远。(5)噪声等效温差（NETD）： 热像仪对测度图案进行观察，当系统的基准电子滤波器输出的信号电压峰值和噪声电压的均方根之比为1时，黑体目标和黑体背景的温差称为噪声等效温差。NETD越小，表示成像画面质量越好。 （6）