红外热成像原理及如何选红外热成像仪

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1、红外热像仪原理-Telops红外专家教你如何选择红外热像仪之一红外热像仪原理是红外热像仪利用红外探测器读取被测物表面红外辐射率分布，通过普朗克定律将辐射率换算成温度数值，并根据被测物的温度分部规律，将温度数值并转换成人眼可识别的图像，并以不同颜色显示物体表面温度分布的一套科学方法。测温原理红外线热成像技术的测温原理来自于普朗克定律成像原理红外热像仪成像原理是利用光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量，并按照原有的空间顺序分布反映到红外焦平面探测器的光敏元上，红外探测器会将红外辐射能转换成电信号，经放大处理、转换或标准视频信号通过显示器显示出红外热像图。这种热像图与物体表面的热分布场相对应。通过

2、软件设置，红外热像仪会自动给热图像的上面的不同温度标定不同的颜色。红外热成像步骤1. 被探测目标发出红外辐射加背景反射到目标的红外辐射=2.步骤1的辐射能量经过大气衰减加大气温度的综合辐射=3.前2个步骤辐射能量经过镜头衰减加镜头温度的综合辐射=4.前面的辐射能量到达红外探测器进行光电反应=5.经过电子电路放大并输送到显示器显示出图像原理适用范围本原理适用于所有红外测温跟成像仪器，其他类似产品的原理，比如红外线热成像夜视仪成像原理,红外夜视望远镜原理,红外热成像摄像机成像原理,红外线摄像头原理也都跟跟红外热像仪使用相同的原理。红外热像仪原理使人类超越了视觉的只能看到可见光的限制，通过热像仪我们

3、可以看到物体表面的温度分布状况。它的利用为人们进行测温增加了新的方法，这种方法被称为遥感测温。红外测温原理-Telops红外专家教你如何选择红外热像仪之二理论基础红外测温原理的理论基础是普朗克定律。对于理想的辐射源黑体而言,辐射能量（輻射强度）与温度的关系符合普朗克定律,即:M=C1/51/eC2/T-1如右图 表示：普朗克定律揭示了辐射强度与黑体温度和响应波长的相互依赖关系,其中M是T温度下、波长处、单位面积黑体的辐射功率,C1、C2为常数,e为自然对数的底，等于2.718,T为热力学温度。温度与辐射强度的关系辐射能量随着温度升高而增加,这是红外辐射理论的出发点,也是红外热像仪的设计的理论依

4、据。波长与辐射强度的关系根据维恩位移定律,即:Tm=2897.8(mK),其中T为热力学温度,m为峰值响应波长。根据公式，我们可以发现辐射峰值波长随着温度升高而变短，即从长波向短波方向移动。这个公式也说明了为什么测高温必须要用中波红外热像仪,低温则需要长波红外热像仪。峰值与测温准确性的关系通过上图我们发现辐射强度随温度的变化率,短波和中波处比长波处大,即短波和中波红外热像仪相对信噪比高(灵敏度高),抗干扰性强。因此我们需要根据被测目标的峰值波长来选择红外热像仪的波段。如何提高测温精度理论上，C1、C2为常数，他们和e都是恒定值。也很容易被测到准确数值，黑体的辐射率为1.只要知道辐射能量值M，我

5、们就能够得到绝对准确的热力学温度。但是，测温的准确性受到以下4点挑战：1.由于大自然中不存在黑体，我们所有的被测目标都被看做是灰体，灰体的辐射率是小于1的2.大气对红外辐射会有衰减作用，同时大气本身的温度也会带来红外辐射3.红外镜头的衰减作用，同时镜头本身的温度也会带来红外辐射4.红外探测器本身也具有红外辐射这四点问题以及如何最小化他们的影响，我们会在后面的4个章节为大家正对性讲解，并向大家介绍Telops的红外科学家为提高准确测温所做的努力。通过这些基本的红外测温原理的介绍，我们相信您能够对红外热像仪如何工作有了进一步的认识。被测物发射率对红外热像仪测温精度的影响-Telops红外专家教你如

6、何选择红外热像仪之三本文通过实验探索被测目标发射率与测温精度的关系。测温实验本实验使用近距离探测，因而可以忽略大气衰减，把被测物表面看做满足灰体模型，抵达红外探测器的辐射总能量应为被测物红外辐射的能量与目标反射的环境辐射能量之和，以此我们立式1 ： （）式中 为到达镜头前的总辐射亮度，为目标的 辐射亮度，为环境的辐射亮度，为目标表面发 射率。 因为灰体的反射和发射均是漫反射，所以辐射亮度 与辐射出射度 存在如下关系，式2 ： ，由普朗克辐射定律，立式： ()() ， （） ()( )， （） 式中 为目标的辐射出射度，为环境的辐射出 射度，为目标绝对温度，为环境绝对温度，为波长，为第一辐射常数

7、（ ），为第二辐射常数（）。将式（）、（）、（）代入式（）得： /()/( ) ()/( ) （） 红外热像仪根据设置的目标表面 发射率和采集的环境温度，结合测得的辐射亮度， 由式（）得出目标的温度。被测物发射率对测温精度的影响计算由普朗克辐射定律，可以认为 是 为自变 量的函数，记作：（） (/)()/( )（） 则有： （） （） 为便于分析和数值计算，将影响红外热像仪 测温精度的因素用差分形式表示： （） （）， （）由式（）可得： ( )/ ()/ ， （）其中： （ ）（）， （）根据式（）、（）、（），可以计算红外热像仪测温 误差。从上述分析可以看到，红外热像仪的测温误差取决于 、

8、和 。为了表现出目标 表面发射率对红外热像仪测温精度的影响,本实验假定环境温度293.15K,目标温度308.15K,对被测目标表面发射率为0.95、0.7、0.5、0.3时分别进行理论计算，其结果如右图所示。分析右图可知，被测物发射率对红外热像仪测温精度具有一定的影响。一般来说目标表面发射率越小，测温误差越大；目标表面发射率越大，测温误差越小。所以高精度的红外热像仪必须能够手动或者自动设定被测目标的发射率。根据以上分析，红外热像仪应当避免测量目标表面发射率很小的目标温度。应对方法Telops对被测物发射率所做的努力是，在红外热像仪配套软件中手动调整被测目标（灰体）的发射率，软件会自动根据灰体

9、设置的发射率对最终测温数据进行校正。大气对红外热像仪测温的影响-Telops红外专家教你如何选择红外热像仪之四大气对红外热像仪测温的影响的主要是大气衰减和大气自身红外辐射。大气衰减气体对红外辐射的吸收、悬浮微粒散射红外辐射以及背景辐射对探测器的干扰等。气体对红外辐射的吸收气体分子对红外辐射的吸收是造成红外辐射衰减的主要原因之一。对红外辐射又吸收作用的有臭氧、CO、NO2、水蒸气、CO2等。在近地面进行红外测量时，水蒸气和二氧化碳的含量对大气对红外辐射的影响占主要作用。水蒸气的吸收波段较多，作用也较强，其主要作用波段在0.94m、1.14m、1.38m、1.88m、2.7m、3.2m、3.7m、

10、6.3m等波长。二氧化碳在2.7m、4.3m、15m处的红外吸收性能也较强。虽然水蒸气和二氧化碳的占大气总量的比例很少，但是由于水蒸气跟CO2很容易产生，所以他们基本上决定了大气的红外透过特性。本图片显示了环境 大气和镜头对被测物体的红外辐射的影响过程气体对红外辐射的散射大气中的氨、硫化氢、一氧化碳、二氧化硫等气体及灰尘、烟、雾、雨、雪等固态液态的悬浮颗粒对红外辐射不仅有强烈的衰减和吸收作用，由于这些气体的密度起伏以及微小颗粒的不规则运动，从而造成红外辐射传输方向产生偏离，能量减弱，引起散射。例如雾，它的粒子半径大多在0.8 5m 之间，它对红外辐射的散射作用是相当严重的。试验表明如果每平方厘

11、米有100 个雾粒子，其半径是4m，当波长为4m 的红外辐射在含有该雾的大气中经过100m 后就会散射掉85%。测量距离越远，红外辐射受大气影响因素就越大。一般来讲散射的影响小于分子吸收，而且其影响随着波长的增长而减小。不过在吸收很小的波段，散射成为了红外辐射损失的主要原因。大气温度大气温度对于红外遥感测温具有一定影响，不过当被测物体的温度很高的时候，大气温度可以忽略不计。因此红外测温工作最好晴天进行，并且应尽量减少测温距离。应对方法针对大气对红外热像仪测温的的不利影响，Telops的策略是，在软件中增加了大气衰减和大气温度的数据选项，通过对这两个数据的设定，从而最小化大气对测温准确性的干扰。

12、红外镜头及其对测温影响-Telops红外专家教你如何选择红外热像仪之五红外镜头是为红外热像仪提供成像类光学部件，红外热成像仪镜头的质量直接影响成像质量的优劣，影响算法的实现和果。红外热像仪的光学成像物镜将工作波段内的辐射收集起来，并聚焦到探测器上。在可见光波段，玻璃是很好的投射材料，但是在中波、长波红外波段，这种材料是不透明的，因此常选用锗、硅等晶体材料，而且为了提高透射率，还需要镀上一层增透膜，这些材料和膜层如同滤光片一样，将镜头透过的波长限制在一定的范围内。红外光学成像物镜的作用:过滤、截至可见光同时，允许通过红外线。通过它在可见光、红外线并存的环境中把红外线分离出来。加红外透镜过滤可见光

13、从而得到纯正的红外效果。红外镜头和普通镜头的区别1可见光和近红外光的波长不一样可见光域:360nm 700nm红外光域:700nm 12000nm2由于波长不一样所以聚焦面不在一起分类根据红外热像仪工作波段划分可分为：长波红外镜头、中波红外镜头、短波红外镜头。长波红外镜头：其工作波段为(8 12m)，主要检测低温物体。中波，短波红外镜头：其工作波段为(0.15 7m)，主要检测超过500以上高温物体，如火灾研究。红外线镜头的主要材料蓝宝石Al2O3的透射波段在0.146mCVD硒化锌ZnSe折射率均匀和一致性很好，是一种化学惰性材料，具有纯度高，环境适应能力强等特点。它的光传输损耗小，具有很好

14、的透光性能。该红外材料的因此是红外热成像中保护窗口和红外光学镜头的理想材料。光学性质：透过波长范围 0.5m22m折射率不均匀性（n/n） MCTPBS。不过由于美国的禁运，目前中国市场上最高端的热像仪为MCT型。是否对探测器制冷自然界的一切物体都不停的向外发出红外辐射，温度越低的物体，红外辐射越少，绝对零度的物体没有红外辐射。探测器自身的红外辐射对被测物的红外辐射的叠加是一种噪声，会造成测温精确性大大下降。所以，制冷型红外热像仪比非制冷型测温要准确。Telops专著于制冷型红外热像仪的研发。下面我们谈谈外因：被测物体表面的发射率黑体能够吸收所有的红外辐射，所以只有黑体的发射率为1。不过自然界

15、中不存在黑体，我们称这样的物体为灰体，灰体的发射率在0到1之间。通过对灰体的发射率的设定，我们能够得到更准确的温度数值。被测物体对外界背景辐射的反射率自然界中的物体大多不具备规则的平面结构，自然界的物体对于外来辐射存在一定的反射，散射.Telops软件自带算法，会对不规则结构进行数据修正。通过对反射率的设定，被测物体温度的误差可以被忽略不计。大气衰减Telops考虑了大气衰减对被测物体的影响，通过对测量距离的设定，大气湿度的标定，以及的污染颗粒物的说明。软件会自动修正这些不利因素的影响。大气温度大气温度对于红外遥感测温具有一定影响，不过当被测物体的温度很高的时候，大气温度可以忽略不计。探测器镜头衰减探测器镜头对于红外或多或少的具有一定的吸收作用。Telops以高透光率的透明材料为镜头材料，最大程度减少了被测物红外辐射的损失探测器镜头温度跟大气温度的影响类似，当被测物体的温度很高的时候，镜头温度可以忽略不计。以上内容转自于以下网站