红外检测仪器：解析影响测温精度的因素

2023-06-27 理论教育版权反馈

【摘要】：组成红外检测仪器的核心部分是红外探测器。红外测温仪在标定时虽能满足精度要求,但在现场使用时往往难于保证测温精度,为此应对影响测温精度的因素加以分析。

红外检测仪器多种多样,目前在我国电力行业中普遍应用的有三类,即最简便的红外测温仪,又称红外点温仪;中档水平的有红外热电视;性能和价格都偏高的是红外热像仪,热像仪中又包括光机扫描型以及更先进的凝视型的焦平面热像仪两种。

组成红外检测仪器的核心部分是红外探测器。红外探测器的作用是把入射的不可见的红外辐射能量转变为便于检测的电能,或其它可见的能量型式。

红外探测器因对辐射响应的不同方式,可分为两大类:即光电探测器和热敏探测器,其框图见图12-9,其性能如表12-5所示。常用红外探测器及其技术性能列于表12-6和表12-7中。

表12-5　光电与热敏探测器性能比较

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表12-6　常用红外探测器

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表12-7　常用红外探测器技术性能

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续表

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图12-9

红外测温仪器的另一重要部分是红外光学系统,红外光学系统用于汇聚被测目标的辐射通量,并传输到红外探测器上,它与探测器一起决定该仪器的视场和空间分辨率,可根据象质要求选用不同类型的光学系统。

由于大多数优选的红外光学材料折射率相当高,使大部分入射的辐射通量从表面反射而损失掉了,为了减少反射,采用真空镀膜制成“增透膜”。

若想得到任意所需要的较小光谱区间,可在探测器前放一适当的“滤光片”,该滤光片可以改变投射到探测器上的辐射通量值和光谱组成。对滤光片的要求是:①对所要通过的波段,光能损失小;②热稳定好;③抗潮性和机械性好。

1.红外测温仪

红外测温仪是红外测温设备中最简单的,品种繁多,用途广泛,价格低廉,用于测量物体“点”的温度。

红外测温仪是以普朗克辐射定律为依据,通过对被测目标红外辐射能量进行测量,经黑体标定,从而确定被测目标温度,与接触式测温相比,红外测温仪具有非接触式测量、不扰动被测物温度场分布,速度快、灵敏度高、使用方便的优点。对于那些不能用接触方式测量的目标,如微小的、活动的、带有污染的、瞬态变化的目标温度,提供了现代化的测量手段。它按测温范围可分为三类:

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红外测温仪原理图如图12-10所示。

红外测温仪在标定时虽能满足精度要求,但在现场使用时往往难于保证测温精度,为此应对影响测温精度的因素加以分析。

测温仪的红外探测器除了接收来自被测目标的辐射能量外,还接收其周围环境的红外辐射和这些辐射经目标表面反射的能量等三部分,故红外探测器输出的信号US应包括这三个分量:目标自身辐射分量εU(T),目标反射周围的辐射分量ρU(T1),周围环境的辐射分量U(T0)

式中 T——目标温度;

T1——目标周围环境温度;

T0——红外测温仪所在环境温度;

ε——目标辐射率;

ρ——目标表面反射率。

由上式可得

结果可见:U (T0)是所要补偿的信号,ρU (T1)是测量中带来的干扰信号。为保证测量精度,首先要使辐射率ε值调整准确,同时尽量消除周围的热源干扰,或减小目标表面反射率ρ,并对测温仪所在环温进行补偿。在现场条件不具备的情况下,尽量使ε值准确和减少周围干扰是保证测量比较准确的先决条件。

2.红外热电视

红外热电视是一种不需制冷而能热成像的红外检测仪器,其原理图如图12-11所示。它的基本工作原理是:利用热释电摄像管 (简称PEV)接收被测物体的红外辐射能量,转换成相应的电压信号后,再经过放大等一系列变换,最后转换成全电视信号输出、存贮和显示物体的热像。

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图12-10　红外测温仪一般原理

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图12-11　热电视原理图

热释电摄像管为热电视的关键器件,它由物镜、靶面和电子枪组成,其热释电靶面完成热电转换,再经电子枪扫描而形成被测物体的热像。

热电视因用途不同,可分为两种:一种是可以测量温度的;另一种是只显示热像而不能测量温度的,前一种多被电力系统采用。

热电视一般还分为“平移式”和“斩波式”两种型式。平移式结构较简单,价格也较便宜,使用时仪器相对目标应呈平移运动状态;而斩波式的在仪器的靶面前又附加一“斩波器”,以便于物体成像,故结构相对复杂。

为诊断应用方便,国产热电视在近年又采用单片机数据处理,设置为彩信号电路生成彩色热像图,大大提高了它的应用价值。

红外热电视的特点:

(1)与红外测温仪相比,热电视可以生成二维热像。

(2)与光机扫描热像仪比,热电视不需制冷,不需高速旋转机械扫描装置。

(3)可与普通电视兼容。

(4)热电视性能适中,价格适中。

(5)对检测运动的目标更灵敏。

3.光机扫描热像仪

顾名思义,光机扫描热像仪的关键部件要有光学系统和机械扫描系统,如图12-12所示。它的基本工作原理是:将被测目标的红外辐射,经光学系统汇聚、滤波、聚焦后,再通过机械扫描系统将聚焦后的红外辐射按时间先后顺序排列,达到红外探测器上转变为相应的电信号,再经视频信号处理后送至显示器上显示或贮存器中存贮。

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图12-12　光机扫描热像仪原理

关于扫描系统,其工作原理如下:

红外探测器在任意瞬间只能探视目标的一小部分,称之为“瞬时视场”,即接收该瞬时视场所辐射的红外能量,并相应输出一个与之成正比的电信号。瞬时视场一般只有零点几毫弧度或几个毫弧度,为使一个被测目标物体成像,则需对整个目标进行扫描,即对被测物体表面进行从左至右、从上到下按行顺序连续扫过。扫描过程中,红外探测器投射到被测面上的像又称为“像素”,一幅热图像就是由若干像素组成,像素大小取决于光学系统和探测器的性能,扫描行数取决于扫描速度和探测器个数及其排列方式。一幅热像的清晰度与像素多少及扫描行数多少紧密相关。

红外探测器在工作时需要制冷,这是因为热像仪用的光电探测元件需要制冷到很低的温度才能降低热噪声,屏蔽背景噪声,提高光电探测器的信噪比和探测率,得到较短的响应时间。因此,要想得到高性能的探测器就必须把敏感元件放在低温下,该元件可以是一小片半导体材料,也可以是在薄弱基片上的化学沉淀膜,为保证有效的热传导,元件粘接在制冷剂室 (即绝热容器或杜瓦瓶)的末端进行冷却。杜瓦瓶与“保温瓶胆”类似,双层容器中间抽为真空,然后采用制冷剂制冷,制冷剂及其特性如表12-8所示。

制冷器按工作原理分为如下几种,如表12-9所示。

表12-8　制冷剂的特性

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表12-9　制冷器的工作原理、特点及用途

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光机扫描热像仪是热成像技术中发展最成熟的,为进一步提高性能,采用了多元探测器,为降低成本而采用组件化和标准化。但由于机械扫描的方式不便使用,故在力求革除机械扫描和制冷器,但还没有哪一种器件性能具有最完美的组合,如在相同的探测元件数目的前提下,非制冷的热电探测器的热灵敏度,比制冷到77K 的光子探测器的灵敏度要差100倍。其间最引人注目的是凝视型焦平面热像仪,其效果最佳,已在90年代由国外研制成功并早已商品化。

4.焦平面 (FPA)热像仪

焦平面热像仪是面阵凝视型,它的突出特点是红外探测器呈列阵平面状,具有自动扫描特性,不需要光机扫描或电子扫描装置的参与,就可以固定不动凝视形成被测物的热像。

焦平面热像仪的红外探测器性能好,响应率的均匀性好,功耗很低,加上现在智能化程度的极大提高,使得焦平面热像仪的总体性能水平有了令人瞩目的提高,具体表现为体积小巧,使用极其方便。尽管产品不同,其性能不同,但其中佼佼者的空间分辨率和温度分辨率都较光机扫描热像仪有了显著提高,故其成像质量高在进行精密红外检测时,就可发挥更大的作用,在其推行到我国后,已开始受到电力用户的欢迎。

红外检测仪器：解析影响测温精度的因素

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