红外基本原理介绍

Thursday,February2,20231红外理论基础介绍Thursday,February2,20232关于红外热传递发射率黑体&实体普朗克定律大气窗口热像技术热像技术vs.可见光发射&反射测量规律内容Thursday,February2,20233红外热像仪的工作原理目标物体红外光学镜头VOC探测器红外图像PC16-位数字成像技术，伪彩技术Thursday,February2,2023419世纪的天文学家SirWilliamHerschel利用光线，镜子和望远镜做实验.明白了光线是由不同颜色的光谱组成的，且有热效应.他决定找出哪个波长具有更强的热效应。红外的历史Thursday,February2,20235SirWilliamHerschel的实验光阑阳光三棱镜光阑可见光谱红外光Thursday,February2,20236什么是红外?红外光是电磁光谱中介于可见光的红光和微波之间的波段.伽马射线X射线紫外可见红外无线电可见光0.4近红外中红外远红外超远红外

0.7537.5-1515-1000微米Thursday,February2,20237什么是红外?所有超过绝对零度的物体都在红外波段辐射能量.红外遵从可见光的基本规律.人眼是看不见红外光的.可见光和红外光最大的不同是它们的波长不一样.Thursday,February2,20238热传递热能通过三种方式传递.传导–固体.对流–液体和气体.辐射–不需要媒介.传导对流辐射Thursday,February2,20239热传递热量通常是从高温处传到低温处，从而使得物体间温度升高或者降低.通过热辐射传递的能量为:他们之间的绝对温度四次方之差(T4hi-T4lo).并依赖于:物体材料,物体表面特征,表面朝向,物体表面几何结构,物体温度红外波长.Thursday,February2,202310入射辐射W反射辐射W被吸收的辐射W透射辐射W红外辐射和可见光一样，红外辐射可以:从物体表面反射.被物体吸收.穿透物体Thursday,February2,202311红外辐射红外辐射是热量通过辐射而传递.一个物体的红外辐射=100%入射辐射(W)=吸收(aW)+反射(gW)+透射(tW)(aW+gW+tW)/W=1吸收率(a)+反射率(g)+透射率(t)=1a+g

+t

=1=100%Thursday,February2,202312发射率物体吸收的红外辐射等于物体发射的红外辐射.

易于吸收的物体就是易于发射的物体.

红外吸收=红外发射吸收率=发射率=e, a+g

+t

=1e+g

+t

=1=100%对于不透明物体:t

=0e+g

=1e=1-g,

i.e,

e

<=1Thursday,February2,202313物体表面发射热量的能力叫发射率.由一个相对量ε

来表示.数值介于0和1.发射率Thursday,February2,202314发射率差别很大:-表面粗糙度,-表面形状:孔洞和凹陷提高发射率ε,

观察角度,

金属氧化程度,-自身的温度.很幸运，这种情况只有当金属接近熔化时才发生!很正确不要超过45/50°发射率Thursday,February2,202315发射率发射率:如果表面抛光时会更低.经过粗糙处理的表面发射率高.入射角变小时更低.热辐射是和表面垂直的.垂直的时候最高.低于45o

会迅速降低.物体温度高时会更高.发射率依赖于:物体的基本材料金属发射率通常很低非金属通常高红外波段发射率可以通过实验来测定.Thursday,February2,202316发射率发射率

e

是物体的红外辐射效率.发射率高则同样温度的物体发射出更多的能量.Thursday,February2,202317黑体&实体黑体是反射和透射都为零的物体.对于黑体:g=0,t=0,e=1黑体是完美的辐射体.一个发射率<1的物体通常成为灰体.对于灰体:e<1,e=常数一个发射率<1的物体，并且随波长变化称之为实体.对于实体:e<1,e=f(l)Thursday,February2,202318普朗克定律普朗克定律:Wlb=2hc2/l5(ehc/lkT-1)x10-6W/m2mmWlb=黑体辐射(l)h=普朗克常数

=6.6x10-34Jsc=光速=3x108m/sk=玻尔兹曼常数=1.4x10-23J/KT=黑体绝对温度(K)l=波长(m)在辐射能量最高点的波长数值会随着温度的降低而增加.Thursday,February2,202319高温物体的普朗克定律黑体辐射可见光波长Thursday,February2,202320低温物体的普朗克定律emittance波长可见光黑体辐射Thursday,February2,202321维恩定律lmax=C/T=2898/TmmKlmax=能量最大时的波长(mm)C=2898mmK=常数T=绝对温度（Kelvin）对普朗克公式求微分就可以求出维恩定律，从而求得lmax.

斯蒂芬-玻尔兹曼定律

是由普朗克公式从0到无穷远积分导出的.物体温度越高,高温时的辐射波长就越短Thursday,February2,202322斯蒂芬-玻尔兹曼定律

W=es

T4W=灰体的辐射功率W/cm2e=发射率s=斯蒂芬-玻尔兹曼常数(=5.67x10-12W/cm2K4)T=灰体温度（Kelvin）WTThursday,February2,202323大气吸收我们认为大气应该是透明的我们能看见可见光大气对于可见光是透明的但是大气对于所有波段并不是透明的.Thursday,February2,202324大气窗口红外通过大气的透射率取决于波长和大气条件.红外图像的大气窗口为:3-

5微米–中波/MWIR(SWIR)8-13微米–长波/LWIRThursday,February2,202325中波红外

3-6µm中波温度越高越灵敏.高对比(温度每变化一度会带来更高水平的信号变动).湿度高时更易穿透.需要晴朗的天气.大气吸收最多4.2-4.5mm范围.对塑料和玻璃透明.太阳辐射更多的MW而不是LW.Thursday,February2,202326长波红外

6-15µm长波常温时灵敏度更好.给定温度目标的信号水平更好.更少的大气吸收.对于玻璃和塑料不透明,测量它们的表面温度很方便.阳光下反射更少.更高的信噪比.穿透烟、雾、尘和扰流.对于可将光背景干扰不敏感.Thursday,February2,202327热像技术可以拓展到很多领域…分析技术热像仪操作热传递应用检测计划和报告IRT热辐射什么是热像技术?Thursday,February2,202328红外图例暗色意味着更冷，亮色意味着更热.这幅热图高速我们什么信息?Thursday,February2,202329什么是热像技术?FLIR–ITC给出的定义红外热像技术是一门利用非接触式热像设备获取和分析热信息的科学。Note:Thereexiststandardizeddefinitionsinsomecountries,andISOisalsoworkingonit.Thursday,February2,202330

热像图像热量温度分析什么是热像技术?Thursday,February2,202331热量是不同温度的系统间的热量交换.因此,当没有温度差异时红外图像没有任何对比，也不可能进行分析!什么是热像技术?Thursday,February2,202332什么让热像技术这么有用?非接触性–远程感应使得用户远离危险不会侵扰或者影响目标二维性可以比较物体的不同区域利用图像可以观察整个目标热分布可以可视化后进行分析实时性固定物体进行高速扫描高速移动物体捕获高频温度变化的图像捕捉Thursday,February2,202333热像技术vs.可见光红外光可见光

Thursday,February2,202334我们认识可见光图像颜色在可见光波段是光线的反射.我们用眼睛看到的颜色表征世界.这个散热器在蓝色背景下且是灰白的.散热器是灰白的因为它反射了白光中的这些组分.热像技术vs.可见光Thursday,February2,202335红外光下的散热器.

红外光和可见光很相似.红外热像仪也用颜色来表征它看到的”热”世界.最大的不同，红外图像上的颜色表示反射和发射.热像技术vs.可见光Thursday,February2,202336发射&发射?热量发射自物体本身.反射来自于其前面的物体;有时候操作者也会包括进去.TT发射和反射是互补的.发射反射Thursday,February2,202337一些物体的发射率热绝缘和电绝缘材料往往是很好的发射体.可以放心测量.木材 橡胶塑料 PVC泥土 陶瓷纸 混凝土油漆的表面建筑材料OK金属是很差的发射体.但除了高度氧化的物体,一般金属发射率很少高于0.25.测量需谨慎.铜 钢铁 黄铜铬

镍锌

铅铝NotOKThursday,February2,202338反射温度从目标发射进热像仪的辐射叫做反射表象温度.常常写做TRefl.反射总是存在的!!!!对于热像专家来说会伴随一生.Thursday,February2,202339反射是错误分析的罪魁祸首.实例.问题在这里.你看到的是铜牌上的反射，这里没有热点.反射?Thursday,February2,202340这里有问题吗？答案否.这里的发射率高而已你看到的是不锈钢表面上的反射，这里没有热点.反射?反射是错误分析的罪魁祸首.实例.Thursday,February2,202341你这里看到的是操作员的反射.这里有热点吗？导线是发热的？反射?反射是错误分析的罪魁祸首.实例.Thursday,February2,202342你这里看到的是环境的反射.反射?反射是错误分析的罪魁祸首.实例.Thursday,February2,202343结论发射率和反射温度无法自动计算.必须由操作人员决定，并输入到热像仪或者分析软件.Thursday,February2,202344测量规律1)首先图像要清晰.如果聚焦不佳，那么测量就会出错。误差有多大？这个很难说。但是无论如何，结果是错误的。聚焦准确聚焦不准此例有至少