红外检测方法

红外检测方法

红外线的划分

1672年英国著名科学家牛顿首次用三棱镜将太阳光分解为红、橙、黄、绿、青、兰、紫七色，开始了可见光光谱学的研究.英国著名天文学家赫胥尔在研究太阳光谱中各单色光的热效应时，发现最大的热效应是出现在红色光谱以外，从而发现了红外线的存在。英国著名物理学家马克斯威尔在研究电磁理论时，证实了可见光及看不见的红外线，紫外线等均属于电磁波段的一部分，从而把人们的认识统一到电磁波理论中。从波长为数千米的无线电波，

到波长为10-8A ～10-10A(1A=10-4 μm )的宇宙射线均属于电磁波的范围，而可见光谱的波长从0.4～0.76μm 仅占电磁波中极窄的一部波段。红外光谱的波段为0.76～1000μm ，要比可见光波段宽得多。为了研究和应用的方便。根据红外辐射与物质作用时各波长的响应特性和在大气中传输吸收的特性，可把红外线按波长划分为四部分：

①近红外线——波长为0.76～3 μm ；

②中红外线——波长为3～6 μm ；

③远红外线——波长为6～15 μm ；

④超远红外线——波长为15～1000 μm

目前，600 ℃以上的高温红外线仪表多利用近红外波段。600℃以下的中、低温测温仪表面热成像系统多利用中、远红外线波段，而红外线加热装置则主要利用远红外线波段。超远红外线的利用尚在开发研究中。

红外线辐射的基本定理

①辐射能 Q ——辐射源以电磁波形式所辐射的能量(J)。

②辐射功率 P ——辐射源在单位时间内向整个半球空间所发射的能量 (w ／s)。 ③辐射度M ——辐射源单位面积所发射的功率， ( W/m -2 )。一般，源的表面积A 越大，发射的功率也越多。因此辐射度M 是描述辐射功率P 沿源表面分布的特性。辐射度在某些文献上又称为辐出度或辐射出射度等。

④光谱辐射度M λ——表示在波长λ处单位波长间隔内，辐射源单位面积所发射的功率。即

单位波长的辐射度， ( W/m 2·μm )，通常辐射源所发出的红外电磁波都是由多种波长成分所组成(全波辐射)。前述的辐射度M 是描述全波辐射的，因此又称为全辐射

度。而光谱辐射度则是描述某一特定波长成分的辐射度。而光谱辐射度则是描述某一特定波长成分的辐射度。

⑤黑体的概念——黑体是为了研究方便而引入的一种理想物体。它定义为能在任何温度下将辐射到它表面上的任何波长的热辐射能全部吸收；并与其它任何物体相比，在相同温度和相同表面积的情况下其辐射功率为最大的一种物体。黑体辐射可用黑体炉来模拟。对 此，19世纪末叶的物理学家们曾做了大量实验工作，为非黑体辐射的研究奠定了基础。 ⑥比辐射率 ——定义为在相同温度及相同的条件下，实际物体(非黑体)与黑体的辐射度的比值，即：

黑体的辐射度实际物体的辐射度==b M M ε

有的文献还定义了光谱比辐射率 黑体的光谱辐射度实际物体的光谱辐射度==

b λλεM M Q P t ?=?P M A ?=?M M λλ?=?

实验证明，比辐射率与光谱比辐射率是相等的，故工程上常将两者不加区分地均称为比辐射率。比辐射率的引入在黑体辐射和非黑体辐射研究之间架起了一座桥粱．因此在红外技术的理论和应用是一个十分重要的数据，其值随材料、温度、表面状况及波长等因素而变化。可由有关手册或文献中查到。但在实用上多数情况下需要通过实测而得到。

A 普朗克(Planck)定律

式中： M λb ——黑体的光谱辐射度

C ——光速，c= 3×108 （m/s ）；

h ——普朗克常数，h=6.63×10-34(W ·S 2)

k ——波尔兹曼常数，k=1.38×10-23（J/K ）

T ——热力学温度，（K ）

λ——红外辐射波长，（ μm ）

普朗克定律揭示了黑体单位面积辐射功率,沿波长分布和随温度变化的规律。

B 维恩(Wien)位移定理 由普朗克定律，令λλd d b M =0可求得辐射曲线峰值对应的波长m λ与温度T 的关系：

m λT=2898(K ?m μ)

此式称为维恩位移定理。它定量地说明了当温度升高时普朗克曲线峰值对应波长 m λ左移的

幅度。

C 斯蒂藩-波尔茨曼定律(Stefan-Boltzmann)

波尔茨曼定律描述了全辐射度M 与温度T 的关系，可由普朗克定律导出：

经参数代换并积分后可得： 此式称为斯蒂藩-波尔茨曼定律。它描述了黑体全辐射度与绝对温度间的关系。

红外线辐射在大气中的传输

地球大气是由多种气体分子和悬浮微粒组成的混合体。其中有些多原子的气体组成分子对红外线某些特定的波长有选择性地具有强烈的吸收作用。例如二氧化碳对红外线在2.7 区、4.3m μ区及11.4～20m μ区间出现强吸收带。水蒸气在1.87m μ区、2.70 m μ 区和6.70 m μ区出现强吸收带。一氧化碳在4.6m μ区有强吸收带。此外，甲烷、臭氧等也具有特定的吸收带。这些气体在空间组成了吸收屏障而使红外辐射衰减。空气中的悬浮微粒，特别是在污染的城市大气中则是通过散射作用而使红外辐射衰减。任何红外仪器都是在大气中工作的，因此大气对红外辐射的影响是必须加以考虑的实际问题。

由图可见，大气有三个窗口。即1～2.5m μ 、3～5 m μ和8～13 m μ 波段对红外线透射较好。这三个窗口分别位于近、中和远红外区内。它们对红外技术应用中显得特别重要，各种红外仪器的工作波段，原则上都应选在这三个波段的窗口之内。

红外检测技术的原理及其优势

红外检测属于无损检测的范畴.无损检测是一门新兴的综合性科学技术，无损检测是以不破坏被检目标的使用性能为前提，应用被人类已知的物理和化学知识，对各种工程材料、()

2b 5hc/kT 2hc M e 1λλπλ=-()2

b 5hc/kT 002h

c M M e 1

d d λλπλλλ∞∞==-??42M T (W /m )

b σ=

零部件、成品、半成品及运行中的设备进行有效的检测和测试，借以评价它们的有关性能。红外检测就是利用红外辐射原理对设备或材料及其他物体的表面进行检测和测量的专门技术，也是采集物体表面温度信息的一种手段。发展到现在，红外检测技术早已不再局限于无损检测的最初意义，而成为红外诊断技术的组成部分，红外检测是红外诊断技术的基础。

构成红外诊断技术的主要内容包括以下四个方面：

(1)检出信息；(2)信号处理； (3)识别评价； (4)预测技术。

红外检测的原理

当一个物体本身具有不同于周围环境的温度时，不论物体的温度高于环境温度，还是低于环境温度；也不论物体的高温来自外部热量的注入，还是由于在其内部产生的热量造成，都会在该物体内部产生热量的流动．热流在物体内部扩散和传递的路径中，将会由于材料或设备的热物理性质不同，或受阻堆积，或通畅无阻传递，最终会在物体表面形成相应的“热区”和“冷区”，这种由里及表出现的温差现象，就是红外检测的基本原理．

红外检测的优势

和其他的无损检测方法相比较，红外检测具有以下优势：

１、非接触性：红外检测的实施是不需要接触被检目标的，被检目标可静可动，可以是具有高达数千摄氏度的热体，也可以是温度很低的冷体。

2、安全性极强：检测过程对人员和设备材料不会构成任何伤害并且即使被检标是有害于人类健康的物体，这种危险也是可以目避免的。

3、检测准确：红外检测的温度分辨率和空间分辨率都可以达到相当高的水平，检测结果准确度很高。例如，他能检测出0.1℃甚至0.01℃的温差；它也能在数毫米大小的目标上检测出其温度场的分布。红外显微检测甚至还可以检测小到0.025mm左右的物体表面，这在线路板的诊断上十分有用。

４、检测效率高：红外探测系统的响应时间都以s 或ms计，扫描一个物体只需数秒或数分钟即可完成，所以其检测速度很高。特别是在红外设备诊断技术的应用中，往往是在设备的运行当中就已完成红外检测，对其他方面很少有影响，检测结果的处理保存也相当简便。

当然，任何一种先进的技术方法都不可能是完美无暇的，红外检测也不例外。目前，红外检测存在如下主要问题：

１、温度值确定存在困难：红外检测技术可以检测到设备或结构热状态的微小差异及变化，但很难精确确定被测对象上某一点确切的温度值。所以当需要对设备温度状态作热力学温度测量时，必须认真解决温度测量结果的标定问题。

２、物体内部状况难以确定：红外检测直接测量的是被测物体表面的红外辐射，主要反映的也是表面的状况，对内部状况不能直接测量，需要经过一定的分析判断过程。对于一些大型复杂的热能动力设备和设备内部某些故障的诊断，目前尚存在若干困难，甚至还难以完成运行状态的在线检测，需要配合其它常规方法作出综合诊断。

３、价格昂贵：虽然由于技术的发展，红外检测仪器（如红外热成像仪）应用越来越广泛，但与其它仪器和常规检测设备相比，价格还是很昂贵。

红外探测器的类型及工作原理

红外探测器是把入射红外辐射能量转变为其他形式能量(一般为电能)的一种转换器或传感器。按其工作原理可分为热敏探测器和光电探测器两类.

热敏探测器

热敏探测器是根据入射的热效应引起探测材料某一物理性能变化而工作的。常用的有热敏电阻探测器和热释电型探测器。

热敏电阻是由锰、镍、钴等的氧化物混合烧结而成，一般制成薄片状。当热敏电阻吸收红外辐射时，温度升高、电阻值下降。根据电阻变化的大小，即可得知红外入射辐射强度的大小，从而判断产生红外辐射的温度。由于热敏电阻的稳定性较好，坚固耐用，可在室温下工作，目此广泛用于红外测温仪表中。

热释电型探测器是一些热电晶体或铁电体材料，如钽酸锂，铌酸锶钡，硫酸三甘酞等制成的探测器，可产生极化现象。即在其上加电压后一个表面带正电荷，相反的表面带负电荷。当电压除去后仍能保持极化状态。其极化的强度(单位面积上的电荷量)与温度有关。当探测器吸收红外辐射而温度升高时，极化强度将会降低使表而电荷减少。这相当于释放了一部分电荷，故称为热释电。将加载电阻与探测器相连，释放的电荷会通过负载电阻而输出一个电信导。当红外辐射不断变化时，将会引起探测器温度不断变化，因此输出的电信号将与辐射的变化成正比例。根据热释电型探测器工作原理可知，热释电型探测器的特点是对恒定的红外辐射不会产生影响。是因为恒定的温度不会使探测器在释放新的电荷。故使用热释电型探测器时必须先对红外辐射进行调制，将恒定辐射用调制器变为脉动变化的辐射，并通过选择适当的调制频率提高探测灵敏度。热释电型探测器比热敏电阻探测器响应速度快，探测灵敏度高。

单元型热释电探测器多用于红外测温，红外激光探测，及气体和光谱分析中，多元型列阵热式释电型探测器热释电红外摄像管（红外电视）中。

热敏探测器除以上两种外，传统的还有利用两种金属温差电势现象制成的热电偶探测器及利用气体温度升高，体积增大的特点制成的气动型（高莱管）等。由于其性能参数较差，应用范围已日益减小。

光子探测器

光子探测器是利用某些半导体材料与红外辐射光子流之问的直接作用而引起材料电学性质变化而工作的。这种原理称为光子效应或光电效应。常用的有光电导（PC）探测器和光伏(PV)探测器两种。

光电导(PC)探测器又称为光敏电阻探测器。它是利用一些半导体材料的光电导现象的原理而工作的。当红外辐射照射到材料表面上时，材料中的有些电子和空穴可以从原来不导电的束缚状态变为能导电的自由状态而使材料的导电率增加，这种变化和辐射度的变化成正比，这种现象叫光电导现象。RL为负载电阻，R 为半导休光敏元件。当半导体元件R 受到辐射照射时，电导率增加，使通过R 与RL 的串联电路电流增大，因为RL值是不变的，因而使得a、 b 两点间的电压增大。该电压增量的大小就反映出入射辐射功率的大小。调制盘M 是把入射功率调制成正弦变化，使a 、b 两端之间的输出电压除直流成分外，还有同样频率的正弦变化的交变电压，以便于放大记录。根据探测器工作波段的不同．常用的半导体材料有硫化铅适用于1~3 区)，硒化铅，锑化铜(适用于3～5区)，以及目前大力发展的适用于远红外波段及更长波段的碲镉汞，碲锡铅及掺杂半导体如锗、掺汞、铜、镉、

金、硼、硅、掺磷、锌等。光电导型探测器是目前产品最多，应用范围最广的一种探测器。

光伏(PV)探测器当红外辐射照射到某些半导体材料的P-N结上时．在结内电场的作用下，自由电子移向N区，空穴移向P区。如皋P—N结开路，则在P—N结两端产生一个附加电势称为光生电动势。这种现象称为光生伏特效应。利用这种效应而制成的探测器就称为光伏探测器或P-N结探测器，又称为光电池或光电二极管。常用的材料有锑化铟、碲镉汞、碲锡铅等。图所示。当辐射照射在半导体的光照面时，如光能量不是很大，但又大于该半导体材料的某一定值时这个能量的吸收就会在半导体中产生一个自由电子，或一个自由空穴，或者同时产生出电子―空穴对，在p一n结中产生电子或空穴的扩散和流动，将使a、b两端之间的电动势增加，从而可输出一个电信号。

红外探测器的性能和特点

热敏探测器

热敏探测器的主要优点是其响应率与入射的红外线波长无关。响应率定义为单位辐射功率时探测器输出的电压值。显然，响应率越高探测器能力越强。图为热敏探测器的响应率与波长的关系，为一条水平直线。说明其响应波长范围很宽，一般可达0.1～300 m

μ。热敏探测器的另一个突出优点可在室温下工作(300K左右)，因此使仪表结构简单使用方便。热敏探测器的主要缺点为响应时间较长，一般为毫秒级。例如热敏电阻为1～10ms热释电型稍快一些。在1ms以下。另一个缺点为灵敏度低。根据以上特点，这类探测器主要用于室温范围内工作的测温仪表以及温度分辨率要求较低的红外热电视中。

光子探测器

光子探测器的主要优点是探测能力强和灵敏度高。灵敏度是表示探测器从噪声中分辨微弱信号的能力。光学探测器中光伏探测器比光导探测器更强一些。光子探测器的另一优点是响应速度快。它比热敏探测器要快得多，一般光导型为微秒级(10-6 s)，而光伏型可达纳秒级(10-9s)。光子探测器的主要问题是其响应率与波长有关。因此探测的波段比较窄。例如碲镉汞光导型探涮器为1～24m

μ、目前正在发展的掺杂半导体如锗

μ、锑化铟为1～6m

掺镓可达1～150m

μ，但仍较热敏探测器差得多。另一个重要的缺点是探测器灵敏度的峰值与温度有关，很多材料是在超低温环境下才能保证其性能，因此大多数光子探测器必须在超低温下工作才能发挥其所长，若在室温下工作不但灵敏度低且响应波段窄、噪声大、容易损坏。光子探测器实用中主要用于温度分辨率要求较高的红外热像仪中。

光子探测器的致冷方式和工作原理

目前用于光子探测器的超低温制冷片式主要有致冷剂制冷和半导体热电制冷两种。

致冷剂制冷

常用的致冷剂为液氮(77K或-196℃)。置于具有双层壁的杜瓦：( Dewer)瓶内，而探测器则是置于杜瓦瓶的双层壁之间，以保证其在超低温下工作。杜瓦瓶内的液氮一般只能保征超低温状态(77K)6～10h，因此每次工作要更换新的液氮。这就有后勤保证复杂化，现场、野外使用不便等缺点，但是这种方式的主要优点是制冷方法简单。能满足超低温(77K)要求。主要用于工作在8～12m

μ波段。性能要求较高的光伏锑化铟及光导碲镉汞探测器中。

半导体热电(T-E)制冷

另一种致冷方式为基于近年来发展成熟的半导体致冷技术而研制成功的多级半导体制冷器。目前用于3～5m

μ波段光子探测器的主要是珀尔帖热冷器。珀尔帖效应是热力学中奠立热电理论基础的三大热效应(即塞贝克(Seebeck)效应，珀尔帖(Peltier)效应和汤姆逊(Thomson)效应)之一。两种不同金属的闭路中，加入直流电后将会在一处接头处吸收热(致冷)，而另一处接头处放热。吸收或放出的热量Q称为珀尔帖热，与电流强度I有关：

Q=πⅠ其中π称为珀尔帖系数，这一现象称为珀尔帖效应，是现代热电致冷技术基础。

目前公认最好的室温半导体温差材料是碲化铋（Bi2Te3）为主与碲化锑（Sb2Te3）和硒化铋（Bi2Se3）组成的膺二元化合物固溶体，这种材料可以制成N型或P型半导体。由N型及P型半导体偶臂组成的闭路，当加上直流电流I时（图示方向），在两处偶臂中参与导电的载流子分别为电子（P型半导体中）及空穴（N型半导体中），在直流电动势作用下，要维持闭路的导电性，则在上端金属接头处就需要不断产生电子-空穴对，能量的来源是晶格的热振动能，这就需要不断的吸入外来的热形成冷端，在下端金属接头处，电子-空穴对不断的复合放出能量形成热端。这就是珀尔帖效应热电制冷器工作原理。由一个电偶对制成的制冷器制冷能力是有限的，若把多个电偶对串联或并联使热端和冷端分别排在两个面上，就制成了一个一级温差的热电制冷器，又称一级半导体制冷电堆。

散射作用：电磁波同大气分子或气溶胶等发生相互作用，使入射能量以一定规律在各方向重新分布的现象。其实质是大气分子或气溶胶等粒子在入射电磁波的作用下产生电偶极子或多极子振荡，并以此为中心向四周辐射出与入射波频率相同的子波，即散射波。散射波能量的分布同入射波的波长、强度以及粒子的大小、形状和折射率有关。

大气散射是重要而且普遍发生的现象，大部分进入我们眼睛的光都是散射光。如果没有大气散射，则除太阳直接照射的地方外，都将是一片黑暗。大气散射作用削弱了太阳的直接辐射，同时又使地面除接收到经过大气削弱的太阳直接辐射外，还接收到来自大气的散射辐射，大大增加了大气辐射问题的复杂性。大气散射是大气光学和大气辐射学中的重要内容。也是微波雷达、激光雷达等遥感探测手段的重要理论基础。