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红外热成像仪 更新时间:2011-05-27 08:10

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红外热成像仪是一种利用红外热成像技术来对目标物进行红外探测,然后将温度分布转换成人眼可见的图像,并以不同颜色显示出来的仪器装置,在医疗、治安、消防、考古、交通、农业和地址等许多领域均有重要的应用。

红外热成像仪的特点

  • 非制冷微量热型焦平面探测器

    测温范围宽从-40到2000℃(扩展)

    热灵敏0.06℃

    倾斜式取景器,屈光度可调

    通过数字接口连续记录实时数据

    采集速率最高可达60帧/秒

    可预设时间,温度触发方式,避免错失重要数据的记录

    随机配置在线操控,数据分析与报告软件功能完善

    内置数码相机

    可翻转式高清晰度彩色液晶显示屏

    多种功能自动完成,操作简单

    自动识别镜头类型

    内置存储器和闪存卡插槽方便携带热像仪外出使用

    以语音,文本,可见光图像对红外热图进行注释

红外热成像原理

  • 比0.78微米长的电磁波位于可见光光谱红色以外,称为红外线。红外线,又称红外辐射,是指波长为0.78~1000微米的电磁波。其中波长为0.78~2.0微米的部分称为近红外,波长为2.0~1000微米的部分称为热红外线。

    照相机成像得到照片,电视摄像机成像得到电视图像,都是可见光成像。自然界中,一切物体都可以辐射红外线,因此利用探测仪测定目标的本身和背景之间的红外线差并可以得到不同的红外图像,热红外线形成的图像称为热图。

    目标的热图像和目标的可见光图像不同,它不是人眼所能看到的目标可见光图像,而是目标表面温度分布图像,换一句话说,红外热成像使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。

红外热成像的特征

  • 我们周围的物体只有当它们的温度高达1000℃以上时,才能够发出可见光。相比之下,我们周围所有温度在绝对零度(-273℃)以上的物体,都会不停地发出热红外线。例如,我们可以计算出,一个正常的人所发出的热红外线能量,大约为100瓦。所以,热红外线(或称热辐射)是自然界中存在最为广泛的辐射。热辐射除存在的普遍性之外,还有另外两个重要的特性。

    1.大气、烟云等吸收可见光和近红外线,但是对3~5微米和8~14微米的热红外线却是透明的。因此,这两个波段被称为热红外线的“大气窗口” 。利用这两个窗口,可以使人们在完全无光的夜晚,或是在烟云密布的战场,清晰地观察到前方的情况。正是由于这个特点,热红外成像技术军事上提供了先进的夜视装备并为飞机、舰艇和坦克装上了全天候前视系统。这些系统在海湾战争中发挥了非常重要的作用。

    2.物体的热辐射能量的大小,直接和物体表面的温度相关。热辐射的这个特点使人们可以利用它来对物体进行无接触温度测量和热状态分析,从而为工业生产,节约能源,保护环境等等方面提供了一个重要的检测手段和诊断工具。

红外热成像仪的发展历程

  • 美国德克萨斯仪器公司(TI)在1964年首次研制成功第一代的热红外成像装置,叫红外前视系统(FLIR),这类装置利用光学元件运动机械,对目标的热辐射进行图像分解扫描,然后应用光电探测器进行光--电转换,最后形成视频图像信号,并在荧屏上显示,红外前视系统至今仍是军用飞机、舰船和坦克上的重要装置。

    六十年代中期瑞典AGA公司和瑞典国家电力局,在红外前视装置的基础上,开发了具有温度测量功能的热红外成像装置。这种第二代红外成像装置,通常称为热像仪。

    七十年代法国汤姆荪公司研制出,不需致冷的红外热电视产品。 九十年代出现致冷型和非致冷型的焦平面红外热成像产品,这是一种最新一代的红外电视产品,可以进行大规模的工业化生产,把红外热成像的应用提高到一个新的阶段。

    七十年代中国有关单位已经开始对红外热成像技术进行研究,到八十年代初,中国在长波红外元件的研制和生产技术上有了一定进展。到了八十年代末和九十年代初,中国已经研制成功了实时红外成像样机,其灵敏度、温度分辨率都达到很高的水平。

    进入九十年代,中国在红外成像设备上使用低噪音宽频带前置放大器,微型致冷器等关键技术方面有了发展,并且从实验走向应用,主要用途用于部队,例如便携式野战热像仪,反坦克飞弹、防空雷达以及坦克、军舰火炮等。

    第一代热像仪主要由带有扫描装置的光学仪器和电子放大线路、显示器等部件组成,已经成功装备部队,并在夜间的地面观察、空中侦察、水面保险等作出重要的贡献。

    第二代热成像仪主要采用焦平面阵列技术,集成数万个乃至数十万个信号放大器,将芯片置于光学系统的焦平面上,取得目标的全景图像,无需光--机扫描系统,大大提高了灵敏度和热分辨率,可以进一步提高目标的探测距离和识别能力。第三代热成像仪也正在研发中。

    中国在红外热成像技术方面,已经投入了大量人力物力,形成了相当规模的研发力量,但是总的来讲,与世界先进水平差距很大,与西方相比,约差10年以上。

红外热成像仪的应用

  • 1、 钢铁工业中的应用热像仪可用于从冶炼到轧钢的各个环节。 具体应用实例列举如下:

    ① 大型高炉料面的测定

    ② 热风炉的破损诊断和检修

    ③ 高炉残铁口位置的确定

    ④ 钢锭温度的测定

    ⑤ 连铸板坯温度的测定

    ⑥ 钢铁模温度的测量

    ⑦ 出炉板坯温度的测定与控制

    ⑧ 热轧辊表面温度的测定

    2、 在石化工业中的应用

    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。

    3、 在电力工业中的应用

    在电力系统中, 电气事故大都不是一下子发生的, 其间有一个变化过程。 由于电气元部件逐渐出现松动、 破裂、 锈蚀等造成接触电阻增加, 致使电气元部件温度升高, 出现热异常现象。采用热像仪直接观察和测量就可发现这些异常现象, 掌握潜存故障的位置和严重程度, 根据需要, 安排维修, 消除隐患, 所以热像仪是发电厂、 输变电网以及用电工厂的一种有效检测仪器。热像仪在电力系统中的主要检测目标是发电机组装置、 输电线路接头、 绝缘部件、 变电所设备、变压器绕组及油冷系统、 高压线路的保险丝电路、 闸刀开关、 断路开关、 转换开关和终端装置、电路分配调度中心、 控制台及照明配电盘等。

    4、 在医学上的应用

    人体是一个天然红外辐射源。 人体皮肤的红外辐射波段为 3-50mm。 当人体患病时, 人体的热平衡受到破坏, 因此测定人体温度的变化是临床医学诊断疾病的一项重要指标。 热像仪可以显示和记录人体的温度分布。 将病变时的人体热像和正常生理状态下的人体热像进行比较,便可从热像是否有异变化来判断病理状态。医用热像仪技术用于临床诊断已有几十年的历史, 现已可用于多种疾病的诊断。 医用热像仪已成为诊断浅表肿瘤、 血管疾病和皮肤病症等的有效工具, 在医疗学科研究中, 热像仪在医学中的应用已成为一个专门的研究课题。

    5、 热成像技术在其它工农业领域中的应用前面介绍了热成像技术在工业和医学两大领域的应用, 工业热像仪和医用热像仪已成为现代科学技术中必不可少的新型检测仪器并在各行各业中发挥越来越大的作用。 当然, 热像仪并非只有这两方面的应用。 以下列举几个应用实例说明热像仪在其它方面的应用情况。

    (1) 对建筑物的检测

    (2) 监测森林火灾

    (3) 粮食火灾的探测

    (4) 蒸气阀的检查

    (5) 制冷设备中的应用

    (6) 监视液化气体泄漏

    (7) 极地动物的识别

    (8) 对轮胎的检测

    6、在公安、 消防工作中的应用

    (1) 夜间以及恶劣气候条件下目标的监控在夜晚, 由于众所周知的原因, 可见光器材已经不能正常工作, 观测距离大幅缩短, 如果采用人工照明的手段, 则极易暴露目标。 若采用微光夜视设备, 它同样也工作在可见光波段,依然需要外界光照明, 在城市中工作尚可, 但在野外工作时, 则观测距离大幅缩短。 红外热像仪是被动接受目标自身的红外热辐射, 与气候条件无关, 因此无论白天黑夜均可以正常工作, 同时可以避免暴露自身。在雨、 雪、 雾等恶劣的气候条件下, 由于可见光的波长短, 克服障碍的能力差, 因而观测效果较差, 甚至不能工作, 但红外线的波长较长, 特别是工作在8~14um 的热像仪, 克服雨、雪、 雾的能力较高, 因此仍可以在较远的距离上正常观测目标。所以在夜间以及恶劣气候条件, 采用红外热成像监控设备可以对各种目标, 如人员、 车辆等进行可*地监控。

    (2) 伪装及隐蔽目标的识别普通的伪装仍然是以防可见光观测为主。 一般犯罪分子作案是也是通常隐蔽在草丛及树林中,这时如果采用可见光的观察方式, 则由于视觉错觉, 从而容易产生错误判断。 红外热成像装置是被动接受目标自身的热辐射, 人体和车辆的温度及红外辐射一般都远大于草木的温度及红外辐射, 因此不易伪装, 也不容易产生错误判断。 另外, 一般人员也不了解避开红外监视的方法。 因此红外热成像装置在识别伪装及隐蔽目标这方面的效果明显。

    (3) 夜间以及恶劣气候条件下的治安巡逻在高速公路、 铁路夜间安全保卫巡逻、 夜晚城市交通管制等领域中, 红外热成像装置也有这不可替代的作用。 由于热成像系统在观察、 识别目标方面有着众多的优点, 因此车载或直升飞机机载监控系统已经在许多发达国家得到了广泛的应用。

    (4) 重点部门、 建筑、 仓库的保安、 防火监控由于红外热成像设备是反映物体温度而成像的设备, 因此除了夜间可以作为现场监控使用外, 还可以作为有效防火报警设备, 并且由于该种设备是一种成像设备, 因此工作可*, 可以大幅减少虚警率。

    (5) 消防灭火现场指挥与人员拯救在火灾现场、 在浓烟密布的建筑物内, 仅通过肉眼, 已经不能清晰地观察情况, 不能准确迅速地发现遇险人员。 若应用红外热成像装置则可以透过浓烟, 清晰地看清火场的各种情况。另外, 消防队员还可以应用这种设备, 观察到室内屋顶气流的流动速度, 避免由家俱受热挥发出的可燃气体聚集产生的闪燃(flash burn 或译为燃爆) , 以避免自身伤亡。

    (6) 电气火灾的预防电气火灾的发生通常都伴有设备故障局部过热的火灾前兆, 因此应用红外热成像设备可以有效地发现事故发生的苗头。

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