热成像 Thermal imaging

2022-11-16 15:22:12 浏览:427

定义

基于热辐射的成像。

热成像,也称为红外热成像,本质上是指基于热辐射的成像。 在某些情况下,人们试图获得准确的温度图,即测量物体表面的温度。 在其他情况下,定性信息就足够了——例如,在不测量温度的情况下识别某些物体上的热点。

通常,热成像应用于温度与室温偏差不太远的物体,例如,在-50°C和+100°C之间。 此类物体发出的热辐射大多在中远红外光谱区域;例如,近红外发射太弱而无法检测到。 另一个重要方面是空气的透射率;成像和特别精确的温度测量只有在主要由大气传输的辐射下才能进行。 因此,热成像主要在约3μm至5μm和8μm至12μm之间的光谱区域进行,其中空气的透射率相当高,至少在中等距离内。 在其他波长(红外大气窗口之外),水蒸气和CO引起的强烈吸收2例如。 当使用这种光时,人们基本上只能看到相机前方空气的温度分布,而看不到后面的物体。

红外热像仪

有各种类型的红外热像仪可以在上述高大气透射光谱区域使用红外光。 对于10μm左右的长波红外区域,探测器的选择较少,但该区域更适合较低的温度。 就图像传感器中使用的红外光电探测器而言,它们通常必须冷却才能在大幅降低的温度下运行,例如200 K或有时甚至更低。 然而,也有热探测器,例如基于微测辐射热计的热探测器,它可以在室温下工作,尽管灵敏度较低。

有关更多详细信息,请参阅有关红外热像仪的文章。

这种相机通常具有光学滤光片,仅传输感兴趣波长区域的辐射。 但是请注意,这种过滤器不仅会吸收不需要的辐射,而且本身还会发出大量的热辐射,除非它也被冷却。

请注意,夜视设备通常不适合热成像,尽管它们对近红外光具有一定的灵敏度。 在该光谱区域中,热辐射可以忽略不计。

红外图像

用红外辐射拍摄的图像可以用灰度显示,在辐射强度更高的位置,外观会变得更亮。 或者,人们经常使用假色。 人们通常还显示色标,该色标允许将颜色与温度相关联。 有关示例,请参见图 1。

红外图像的分辨率通常相当低,因为红外传感器不能像照相机那样多的像素。 例如,简单的热成像摄像机可能仅提供 120 × 160 像素的分辨率。 有时,使用传统的可见光图像传感器同时记录图像,显示更多细节,并且可以比较两个图像。

远程温度测量原理

在许多情况下,不仅需要定性地检测温差,而且需要准确测量物体温度。 与其他温度测量方法相比,热成像提供远程测量(即不需要与物体进行任何接触)通常是有利的,这也可以相当快。

黑体测量

我们首先考虑最简单的情况,即分析来自黑体的热辐射。 这是一个发射率为1的物体,它也必然表现出对入射辐射的完全吸收和他的零透射率,即它是完全不透明的。 它的光能传递(→辐射测量)由斯特凡-玻尔兹曼定律确定:

热成像 Thermal imaging

使用斯蒂芬-玻尔兹曼常数σ≈ 5.6704 ·10−8H R−2 K−4和绝对温度T。 在实践中,人们将只利用整个发射光谱的一部分,即获得相应的较弱的检测信号。

我们还假设大气具有完全的透射率,消除了对温度测量的任何影响。

物体距离对红外信号的强度没有影响吗?

有趣的是,相机的单个探测器元件接收到的光功率(对于物镜的固定设置)不依赖于到被观察物体的距离。 重要的是热辐射的光谱辐射度。 这主要是因为较大的观测距离,例如,由相应更大的物体区域补偿,从中收集特定相机像素的辐射。 因此,在温度计算中不必使用物体距离。

然而,一个复杂的问题是,红外相机传感器通常不会简单地提供一些与到达辐射成比例的光电流。 例如,微测辐射热计像素表现出取决于其温度的电阻,并且该温度与图像传感器基板温度的差异需要与入射辐射有关。 通常需要在传感器读数和入射辐射之间建立关系,对于不同的像素,这种关系可能有些不同。 此外,人们通常希望保持基板温度恒定,例如使用热电冷却器。

对发射率降低的物体进行测量

在实践中,通常必须处理发射率小于1的物体。 这有两个不同的效果:

  • 热发射的辐射度乘以发射率,即它变弱。
  • 此外,入射辐射的吸收变得不为零。 仍然假设我们处理的是完全不透明的物体,来自环境的辐射将存在一定程度的镜面反射率或漫反射率- 通常是其他物体发出的热辐射。

这种影响需要在进行温度测量时进行补偿。 成像物体的发射率越低,补偿通常越困难。 然而,幸运的是,例如,许多建筑材料的发射率在0.9左右相当高,这对于建筑物的能量检查非常有帮助(见下文)。 金属零件会出现困难,这在工业环境中很常见。

如何找出成像物体的发射率?

第一个挑战是找出成像物体的发射率。 对于许多材料,感兴趣波长区域的发射率是已知的,可以从已发布的表格中读取。 在其他情况下,它是未知的,它们本质上是两种不同的处理方式:

  • 例如,可以通过在相同温度下将其热发射与其他材料进行比较来测量发射率。
  • 人们可以用吸收胶带、油漆等覆盖它们的一部分,具有高且众所周知的发射率,并通过热传导获得相同的温度。 然后在那些专门准备的点上进行温度测量。

周围有多少环境红外辐射?

第二个挑战是估计环境辐射的强度,该辐射反射到成像物体上,因此部分进入红外热像仪。 通常,在感兴趣的波长区域周围基本上只有热辐射(例如,没有红外激光器),并且相应的温度是众所周知的 - 例如,它通常接近封闭房间中的空气温度,这可以用普通温度计测量(可能使用集成到相机中的温度传感器)。 然后,可以轻松计算环境红外辐射水平,并将其用于计算物体温度。 然而,这对于户外测量来说可能很困难;例如,来自地面和天空的热辐射水平可能大不相同。

上述补偿通常由热成像设备中的软件支持。 或者,它们可以应用于将原始图像传输到的计算机。 这可能更方便,因为可以更轻松地调整设置,例如假设的发射率值和环境温度。

使用吸收气氛进行测量

大气吸收的补偿通常很困难,但通常可以避免。

当大气不能完全透射热辐射时,进一步的复杂性就会发挥作用。 然后,从物体到相机的热辐射有所减少,但同时在大气中产生了额外的热辐射。 原则上,这些影响可以在温度计算中得到补偿,但这可能不是很实用 - 其中一个原因是大气吸收的程度可能在相关波长区域内有很大差异。 此外,场景中的不同对象可能与摄像机的距离不同。 因此,人们通常会尝试在可以忽略大气吸收的条件下工作;这意味着有限的物体距离和使用适当的光谱区域。

热成像的应用

建筑物检查

热成像通常用于检查建筑物,主要是关于其能量质量或缺陷。 通常,定性测量已经非常有用,例如用于识别意外泄漏的位置。

一种方法是在寒冷的天气条件下从建筑物外部拍摄图像。 表面温度升高的位置指示热损失增加的斑点(见图1)。 但是请注意,绝对温度测量可能很困难,例如,由于环境热辐射的影响,只能粗略估计。 此外,很难根据表面温度量化热损失。

热成像 Thermal imaging

图1:冬季门的红外图像,与周围的绝缘墙相比,表现出更高的表面温度。

应采取一些预防措施以避免错误。 例如,最好通过在清晨拍摄图像来避免太阳的影响;否则,人们可能会将阳光引起的表面温度升高误解为热损失。 此外,表面应干燥,避免蒸发的冷却效果。 此外,所有房间都应该正常加热至少几个小时。

人们还可以在建筑物内拍摄图像,以定位远低于室温的部分。 这些位置还表明热量泄漏,这也意味着水分凝结并形成真菌基础的风险,可能对健康产生不利影响。 人们还可以找到绝缘不良的管道和以前被忽视的电力消费者。

机械检查

机械在运行过程中的热成像图像通常会揭示导致温度升高的问题。 例如,有故障的电触点可能会大幅发热,对于摩擦增加的运动部件也是如此。

还可以使用热成像来定位各种零件的其他缺陷。 有时使用主动热成像,其中应用一些人工热源。 例如,可以通过用强灯进行短期照射来施加强烈的热脉冲,然后用红外相机监测温度的变化。 这种温度演变通常会被隐藏的裂缝或其他次表面特征显着改变。

火灾探测和消防

红外成像可用于根据强烈的红外辐射快速可靠地识别火灾。 与使用可见光相比,使用红外光是非常有利的,因为它产生误报的可能性要小得多,而且因为红外辐射甚至可以穿透浓烟。

红外热像仪对消防员也非常有用。 他们可以充分评估火灾的细节,甚至可以通过浓烟找到人员。

医疗和兽医应用

皮肤温度的测量可以揭示各种情况。 例如,机场使用红外热像仪来识别皮肤温度升高显示的发烧人员。 在必须限制危险感染的传播时,这一点尤其令人感兴趣。 但是,人口统计测量也可用于医生和兽医。 例如,温度升高可能表明炎症。

军事应用

热成像对于各种军事应用也很重要。 例如,人们可以根据热辐射轻松地在较冷的环境中定位人员和车辆。 防空火箭通常由红外摄像机引导。

光检测和表征

作          者: 泮桥成像光电商城

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