实验室检验检测设备--红外热像仪
红外热像仪是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上,从而获得红外热像图,这种热像图与物体表面的热分布场相对应。通俗地讲红外热像仪就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像。热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。
红外热像仪最早是因为军事目的而得以开发,后来迅速向民用工业领域扩展。自二十世纪70年代,欧美一些发达国家先后开始使用红外热像仪在各个领域进行探索。红外热像仪也经过几十年的发展,已经发展成非常轻便的现场测试设备。由于测试往往产生的温度场差异不大和现场环境复杂等因素,好的热像仪必须具备320*240像素、分辨率小于0.1℃、空间分辨率小、具备红外图像和可见光图像合成功能等。由于红外热成像技术能够进行非接触式的、高分辨率的温度成像,能够生成高质量的图像,可提供测量目标的众多信息,弥补了人类肉眼的不足,因此已经在电力系统、土木工程、汽车、冶金、石化、医疗等诸多行业得到广泛应用,未来的发展前景更不可限量。
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。
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。
应用范围
一、电力设备检测
输电设备:接头、绝缘子、夹板、跳线、高压线、压接套管、瓷瓶引线……变电系统:互感器、隔离开关、空气断线器、油断路器、少油量断路器、避雷器、电容器、电抗器、变压器、总线、套管、整流器、绝缘子、线夹、阻波器……配电系统:配电盘、开关箱、变压器、断电器、接触器、保险丝、电缆……发
电 厂:发电机碳刷绕组装备、发电机、变压器、油枕、发电机馈电线、电压调节器、发电机马达控制中心电盘、UPS……
二、建筑楼宇检测
建设系统:检查外墙空鼓、剥落、屋面渗漏、管道、热桥、建筑节能研究、竣工验收等;
公路桥梁:可用于快速扫描公路裂纹、桥梁开裂、渗漏检查、沥青摊铺等;
三、冶金系统:用于大型高炉料面测定、热风炉的破损诊断和检修等;高炉、钢材成型
四、加工和热处理:焊接、铸件、模具、炼钢炉、转炉、鱼雷车、炉壁、金属热处里(退火、回火、淬火)、冷/热轧钢板、钢卷线材等温度量测监控……
五、石化系统:可用于保温隔热材料的破损诊断、加热炉管的温度分布测定等;
六
转动机械设备:马达、马达碳刷、轴承、联轴器、泵浦、汽机叶片、齿轮箱、驱动齿轮、驱动皮带、联轴器、射出成型机、柴油机、空压机……机电系统:可用于新产品开发试验研究、大型机电设备温度分布监测等;七、锅炉反应炉加热炉:炉壁、炉管、烟囱、热交换器、水泥旋窑……
八、产品流程设备:安全阀、气体/产品管路(保温、保冷)、热交换器、冷却塔、桶槽、球槽、储存槽、空气干燥机、烘干机、冷冻器……
九、电子产品:PC板热分析、电子组件热传导测试、壳散热测试、电路设计、环境评估……
十、消防安保系统:可用于消防科研、火灾救人、安保、走私监控等;
十一、自然科学:采光、温室效应、沙尘暴、植物、采矿、地震等;
十二、医疗:肿瘤、甲状腺、糖尿病、非典、禽流感、针灸经络等;
十三、军事:导弹制导,红外雷达,炸药性能提升,红外夜视、红外隐身等;
十四、其它:玻璃、塑料、造纸、纺织、包装、排污、电影广告策划、高铁等高速运行设备磨损检测……
各行各业都有红外热像仪的应用领域。
使用注意事项
1、确定测温范围:
测温范围是热像仪最重要的一个性能指标。每种型号的热像仪都有自己特定的测温范围。因此,用户的被测温度范围一定要考虑准确、周全,既不要过窄,也不要过宽。根据黑体辐射定律,在光谱的短波段由温度引起的辐射能量的变化将超过由发射率误差所引起的辐射能量的变化,因此,用户只需要购买在自己测量温度内的红外热像仪。
2、确定目标尺寸:
红外热像仪根据原理可分为单色测温仪和双色测温仪(辐射比色测温仪)。对于单色测温仪,在进行测温时,被测目标面积应充满热像仪视场。建议被测目标尺寸超过视场大小的50%为好。如果目标尺寸小于视场,背景辐射能量就会进入热像仪的视声符支干扰测温读数,造成误差。相反,如果目标大于热像仪的视场,热像仪就不会受到测量区域外面的背景影响。
3、确定光学分辨率(距离系灵敏):
光学分辨率由D与S之比确定,是热像仪到目标之间的距离D与测量光斑直径S之比。如果测温仪由于环境条件限制必须安装在远离目标之处,而又要测量小的目标,就应选择高光学分辨率的热像仪。光学分辨率越高,即增大D:S比值,热像仪的成本也越高。
4、确定波长范围:
目标材料的发射率和表面特性决定热像仪的光谱响应或波长。对于高反射率合金材料,有低的或变化的发射率。在高温区,测量金属材料的最佳波长是近红外,可选用0.18-1.0μm波长。其他温区可选用1.6μm、2.2μm和3.9μm波长。由于有些材料在一定波长是透明的,红外能量会穿透这些材料,对这种材料应选择特殊的波长。如测量玻璃内部温度选用1.0μm、2.2μm和3.9μm(被测玻璃要很厚,否则会透过)波长;测量玻璃内部温度选用5.0μm波长;测低温区选用8-14μm波长为宜;再如测量聚乙烯塑料薄膜选用3.43μm波长,聚酯类选用4.3μm或7.9μm波长。厚度超过0.4mm选用8-14μm波长;又如测火焰中的CO2用窄带4.24-4.3μm波长,测火焰中的CO用窄带4.64μm波长,测量火焰中的NO2用4.47μm波长。
4、确定响应时间:
响应时间表示红外热像仪对被测温度变化的反应速度,定义为到达最后读数的95%能量所需要时间,它与光电探测器、信号处理电路及显示系统的时间常数有关。如今红外热像仪的反映速度都很快。这要比接触式测温方法快得多。如果目标的运动速度很快或测量快速加热的目标时,要选用快速响应红外热像仪,否则达不到足够的信号响应,会降低测量精度。然而,并不是所有应用都要求快速响应的红外热像仪。对于静止的或目标热过程存在热惯性时,红外热像仪的响应时间就可以放宽要求了。因此,红外热像仪响应时间的选择要和被测目标的情况相适应。
应用案例
1982年4月─6月,英国和阿根廷之间爆发马尔维纳斯群岛战争。4月13日半夜,英军攻击承军据守的最大据点斯坦利港。3000名英军布设的雷区,突然出现在阿军防线前。英国的所有枪支、火炮都配备了红外夜视仪(便携式红外热像仪,下同),能够在黑夜中清楚地发现阿军目标。而阿军却缺少夜视仪,不能发现英军,只有被动挨打的份。在英军火力准确的打击下,阿军支持不住,英军趁机发起冲锋。到黎明时,英军已占领了阿军防线上的几个主要制高点,阿军完全处于英军的火力控制下。6月14日晚9时,14
000名阿军不得不向英军投降。英军领先红外夜视器材赢得了一场兵力悬殊的战斗。
1991年海湾战争中,在风沙和硝烟弥漫的战场上,由于美军的先进传感器技术使他们在战争中获得了全面的信息优势——红外热像仪,M1A1坦克装备的热成像仪在夜间或烟雾条件下可以识别1500米内的目标,而探测距离远达3000米。伊军T-72M配备的只是第二代微光夜视仪,最大探测距离800米、甚至更短。这使M1A1坦克普遍做到先敌开火、机载前视红外热像仪可以发现埋在沙子下的伊军坦克。战后很多伊军坦克兵俘虏回忆,他们只能朝着炮口火焰还击。所以,T-72M与M1A1的在海湾战争的较量,就像是一个瞎子与一个视力正常的人在搏斗,而这个视力正常的人还更强壮一些,T-72M战绩为0的惨败也就不足奇怪了。由此可以看出红外夜视器材在现代战争中的重要作用。美军在海湾战争中表现出了巨大的信息化优势,美军最终坦克只损失几辆,而且没有成员伤亡,而伊拉克的5000多辆坦克被击毁3000多辆。
高速红外热像仪在爆炸试验中可以探测到爆炸火球表面温度的时空分布,从时间和空间两方面扩大测试范围。速度达到500帧/秒(500HZ)以上的高速红外热像仪对于爆炸过程的描述更为清晰,通过红外热像仪得出的数据可以优化爆炸过程中燃料抛散过程的动力学特征,从而选择合理的装置参数,对于提高爆炸波能量输出,进而达到高威力毁伤效应具有重要意义。
技术参数
ZYT-IR-6000 使用环境要求 | ||
1 | 工作环境温度 | -15℃～55℃ |
2 | 工作环境湿度 | ≤95%,非冷凝 |
3 | 存贮环境温度 | -40℃～70℃ |
4 | 封装 | IP67 |
5 | 抗冲击 | 工作时:25g |
6 | 抗震动 | 工作时:2.5g |
7 | 注入水压 | ≤0.3Mpa(兆帕) |
8 | 注入气压 | ≤0.2Mpa(兆帕) |
ZYT-IR-6000 技术性能指标 | ||
4 | 探测器类型 | 焦平面,非制冷微量热型 |
5 | 工作波段 | 7.5～13微米 |
6 | 视场角 | 40°×30° |
7 | 调焦 | 电动调焦 |
8 | 温度分辨率 | 0.08℃在30℃时 |
9 | 测温范围 | -20℃～2000℃ |
10 | 测温精度 | ±2℃ 或±2% 取大者 |
11 | 空间分辨率 | 1.3mrad |
12 | 像素数 | 320×240 |
13 | 帧频 | 50/60HZ,非插值法 |
ZYT-IR-6000测量功能 | ||
14 | 测量模式 | 点分析、自动追踪最高或最低温度;区域分析;等温分析;线温分布图 |
15 | 大气穿透率校正 | 自动,根据输入距离,大气温度和相关湿度 |
16 | 光学穿透率校正 | 自动内部校正 |
17 | 辐射率校正 | 0.1至1 辐射率可以0.01为步进校正 |
18 | 反射环境温度校正 | 自动,根据输入的环境温度 |
ZYT-IR-6000 传输接口 | ||
19 | USB2.0 | 传输红外图像、测温数据和控制信号 |
20 | RS232 | 传输控制信号 |
21 | 视频 | 传输模拟视频 |
Telops-HD-ir技术参数(截止2012年1月1日) | |
FPA焦平面探测器帧幅 | 1280*1024pixels |
波长范围 | 3.6um-4.9um |
探测器类型 | insb |
Nedt | 30mK |
探测器间距 | 30um |
F/# | f/3.0 |
最大全幅采集速率 | 75HZ |
积分时间 | 0.5us-90ms |
窗口大小设定 | 15bits |
数据带宽 | 15bits |
高动态范围成像 | 是 |
内置滤光器 | 1 |
增益控制 | 自动或手动 |
定标模式 | 实时 |
数据输出格式 | 温度或源数据 |
测温精度 | 1k |
温度灵敏度 | 0.02°c |
测温范围 | -15°c to 1500°c |
可选滤波轮 | 8 |
Telops-fast-ir技术参数(目前世界上产品速度可达到的最高参数,截止2012年1月1日) | |
最大全幅采集速率(320*256pixels) | 1000HZ |
最大采集速率(128*8pixels) | 36000HZ |
探测器类型 | insb |
NETD | <18mk |
数据带宽 | 16bits |
温度灵敏度 | 0.02°c |
测温范围 | -15°c to 1500°c |
怎样选择合适的红外热像仪
1、红外图像质量(红外图像像素)
22、是否需要定量检测
3、测量精度
4、热灵敏度
5、测量温度范围
红外热像仪有两种用途:
1、热成像
2、测温
评价红外测温能力叫做MFOV,主要有2种:一种是MFOV
为1,另外一种MFOV为3*3。 MFOV为1时,目标完全覆盖了热像仪的像素,像素接受的辐射只来自目标,因此能准确测量目标温度。而MFOV为9时,像素接收的辐射不只来自目标,而且吸收目标旁边的和背后的辐射,就不能测得这么小目标的准确温度。
然而这只是测量的极限,根据当前的大部分FPA探测器技术,目标在探测器上最少要有 3 x 3
个像素才能确保准确测量,这要求检测时尽量靠近目标或选用望远镜头.
如果目标成像小于3x3个像素,则热像仪显示的温度读数是目标的温度值与也成像在这3x3个像素的目标周围物体(环境)温度的平均值。
3、高空间分辨率的优势
高空间分辨率能够得出准确的温度,低空间分辨率读出的温度只是发热点周围的平均温度。在定量化检测时候,温度的正确与否非常重要!
4、稳定性重复性对你是否重要
决定红外热像仪的因素主要有3个方面:
探测器、光学器件、电气原器件,军事级探测器的主要优势在哪里
a、主要有两种探测器。氧化钒晶体和多晶硅。氧化钒晶体探测器的主要优势:
b、此探测器主要的优势是测温视域MFOV(Measurement Field of
View)为1,温度测量是精确到1个像素点。Amorphous Silicon(多晶体硅)传感器,
MFOV为9,即每点的温度是基于3×3=9个像素点平均而获得。
c、温度稳定性好。
d、使用寿命长
e、适合于远距离测试
5、是否在意报告处理的烦琐?
如果红外图像和可见光图像组合显示就减少了大量工作,同时报告自动生成也会大大减少操作时间。
6、是否需要延长曝光时间?延长曝光时间——专业照相的必然选择
∑2、∑4、∑8、
∑16等功能,特别在检测北立面或者阳光照不到的地方很有优势。使用了∑功能,增加了曝光时间,图像更清晰,更容易发现缺陷部位。
7、是否需要强大的售后技术支持
a、是否需要现场测试指导培训
b、专业的培训:
LEVEL1,
LEVEL2,
LEVEL3认证课程培训。
如果您是科研单位或者国防单位,还需关注以下几点:
1.衰减滤光片的数量。高端红外热像仪只需要一块衰减滤光片,实验过程从-15°c to
1500°c无需更换,从而保证实验数据的连续性。在很多科研课题,比如高速运动物体,爆炸类实验,整个实验过程都小于1秒,如果不同温度档需要更换衰减滤光片的话,那更本就是无法实现的。这种情况下就必须使用高端的红外热像仪。
2.高端红外热像仪不需要用户自己定标,从而保证在任何测量条件下都直接使用
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