紅外基本原理介紹-課件

Thursday,June8,20231紅外理論基礎(chǔ)介紹Thursday,June8,20232關(guān)于紅外熱傳遞發(fā)射率黑體&實(shí)體普朗克定律大氣窗口熱像技術(shù)熱像技術(shù)vs.可見(jiàn)光發(fā)射&反射測(cè)量規(guī)律內(nèi)容Thursday,June8,20233紅外熱像儀的工作原理目標(biāo)物體紅外光學(xué)鏡頭VOC探測(cè)器紅外圖像PC16-位數(shù)字成像技術(shù)，偽彩技術(shù)Thursday,June8,2023419世紀(jì)的天文學(xué)家SirWilliamHerschel利用光線，鏡子和望遠(yuǎn)鏡做實(shí)驗(yàn).明白了光線是由不同顏色的光譜組成的，且有熱效應(yīng).他決定找出哪個(gè)波長(zhǎng)具有更強(qiáng)的熱效應(yīng)。紅外的歷史Thursday,June8,20235SirWilliamHerschel的實(shí)驗(yàn)光闌陽(yáng)光三棱鏡光闌可見(jiàn)光譜紅外光Thursday,June8,20236什么是紅外?紅外光是電磁光譜中介于可見(jiàn)光的紅光和微波之間的波段.伽馬射線X射線紫外可見(jiàn)紅外無(wú)線電可見(jiàn)光0.4近紅外中紅外遠(yuǎn)紅外超遠(yuǎn)紅外

0.7537.5-1515-1000微米Thursday,June8,20237什么是紅外?所有超過(guò)絕對(duì)零度的物體都在紅外波段輻射能量.紅外遵從可見(jiàn)光的基本規(guī)律.人眼是看不見(jiàn)紅外光的.可見(jiàn)光和紅外光最大的不同是它們的波長(zhǎng)不一樣.Thursday,June8,20238熱傳遞熱能通過(guò)三種方式傳遞.傳導(dǎo)–固體.對(duì)流–液體和氣體.輻射–不需要媒介.傳導(dǎo)對(duì)流輻射Thursday,June8,20239熱傳遞熱量通常是從高溫處傳到低溫處，從而使得物體間溫度升高或者降低.通過(guò)熱輻射傳遞的能量為:他們之間的絕對(duì)溫度四次方之差(T4hi-T4lo).并依賴于:物體材料,物體表面特征,表面朝向,物體表面幾何結(jié)構(gòu),物體溫度紅外波長(zhǎng).Thursday,June8,202310入射輻射W反射輻射W被吸收的輻射W透射輻射W紅外輻射和可見(jiàn)光一樣，紅外輻射可以:從物體表面反射.被物體吸收.穿透物體Thursday,June8,202311紅外輻射紅外輻射是熱量通過(guò)輻射而傳遞.一個(gè)物體的紅外輻射=100%入射輻射(W)=吸收(aW)+反射(gW)+透射(tW)(aW+gW+tW)/W=1吸收率(a)+反射率(g)+透射率(t)=1a+g

+t

=1=100%Thursday,June8,202312發(fā)射率物體吸收的紅外輻射等于物體發(fā)射的紅外輻射.

易于吸收的物體就是易于發(fā)射的物體.

紅外吸收=紅外發(fā)射吸收率=發(fā)射率=e, a+g

+t

=1e+g

+t

=1=100%對(duì)于不透明物體:t

=0e+g

=1e=1-g,

i.e,

e

<=1Thursday,June8,202313物體表面發(fā)射熱量的能力叫發(fā)射率.由一個(gè)相對(duì)量ε

來(lái)表示.數(shù)值介于0和1.發(fā)射率Thursday,June8,202314發(fā)射率差別很大:-表面粗糙度,-表面形狀:孔洞和凹陷提高發(fā)射率ε,

觀察角度,

金屬氧化程度,-自身的溫度.很幸運(yùn)，這種情況只有當(dāng)金屬接近熔化時(shí)才發(fā)生!很正確不要超過(guò)45/50°發(fā)射率Thursday,June8,202315發(fā)射率發(fā)射率:如果表面拋光時(shí)會(huì)更低.經(jīng)過(guò)粗糙處理的表面發(fā)射率高.入射角變小時(shí)更低.熱輻射是和表面垂直的.垂直的時(shí)候最高.低于45o

會(huì)迅速降低.物體溫度高時(shí)會(huì)更高.發(fā)射率依賴于:物體的基本材料金屬發(fā)射率通常很低非金屬通常高紅外波段發(fā)射率可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定.Thursday,June8,202316發(fā)射率發(fā)射率

e

是物體的紅外輻射效率.發(fā)射率高則同樣溫度的物體發(fā)射出更多的能量.Thursday,June8,202317黑體&實(shí)體黑體是反射和透射都為零的物體.對(duì)于黑體:g=0,t=0,e=1黑體是完美的輻射體.一個(gè)發(fā)射率<1的物體通常成為灰體.對(duì)于灰體:e<1,e=常數(shù)一個(gè)發(fā)射率<1的物體，并且隨波長(zhǎng)變化稱之為實(shí)體.對(duì)于實(shí)體:e<1,e=f(l)Thursday,June8,202318普朗克定律普朗克定律:Wlb=2hc2/l5(ehc/lkT-1)x10-6W/m2mmWlb=黑體輻射(l)h=普朗克常數(shù)

=6.6x10-34Jsc=光速=3x108m/sk=玻爾茲曼常數(shù)=1.4x10-23J/KT=黑體絕對(duì)溫度(K)l=波長(zhǎng)(m)在輻射能量最高點(diǎn)的波長(zhǎng)數(shù)值會(huì)隨著溫度的降低而增加.Thursday,June8,202319高溫物體的普朗克定律黑體輻射可見(jiàn)光波長(zhǎng)Thursday,June8,202320低溫物體的普朗克定律emittance波長(zhǎng)可見(jiàn)光黑體輻射Thursday,June8,202321維恩定律lmax=C/T=2898/TmmKlmax=能量最大時(shí)的波長(zhǎng)(mm)C=2898mmK=常數(shù)T=絕對(duì)溫度（Kelvin）對(duì)普朗克公式求微分就可以求出維恩定律，從而求得lmax.

斯蒂芬-玻爾茲曼定律

是由普朗克公式從0到無(wú)窮遠(yuǎn)積分導(dǎo)出的.物體溫度越高,高溫時(shí)的輻射波長(zhǎng)就越短Thursday,June8,202322斯蒂芬-玻爾茲曼定律

W=es

T4W=灰體的輻射功率W/cm2e=發(fā)射率s=斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)(=5.67x10-12W/cm2K4)T=灰體溫度（Kelvin）WTThursday,June8,202323大氣吸收我們認(rèn)為大氣應(yīng)該是透明的我們能看見(jiàn)可見(jiàn)光大氣對(duì)于可見(jiàn)光是透明的但是大氣對(duì)于所有波段并不是透明的.Thursday,June8,202324大氣窗口紅外通過(guò)大氣的透射率取決于波長(zhǎng)和大氣條件.紅外圖像的大氣窗口為:3-

5微米–中波/MWIR(SWIR)8-13微米–長(zhǎng)波/LWIRThursday,June8,202325中波紅外

3-6μm中波溫度越高越靈敏.高對(duì)比(溫度每變化一度會(huì)帶來(lái)更高水平的信號(hào)變動(dòng)).濕度高時(shí)更易穿透.需要晴朗的天氣.大氣吸收最多4.2-4.5mm范圍.對(duì)塑料和玻璃透明.太陽(yáng)輻射更多的MW而不是LW.Thursday,June8,202326長(zhǎng)波紅外

6-15μm長(zhǎng)波常溫時(shí)靈敏度更好.給定溫度目標(biāo)的信號(hào)水平更好.更少的大氣吸收.對(duì)于玻璃和塑料不透明,測(cè)量它們的表面溫度很方便.陽(yáng)光下反射更少.更高的信噪比.穿透煙、霧、塵和擾流.對(duì)于可將光背景干擾不敏感.Thursday,June8,202327熱像技術(shù)可以拓展到很多領(lǐng)域…分析技術(shù)熱像儀操作熱傳遞應(yīng)用檢測(cè)計(jì)劃和報(bào)告IRT熱輻射什么是熱像技術(shù)?Thursday,June8,202328紅外圖例暗色意味著更冷，亮色意味著更熱.這幅熱圖高速我們什么信息?Thursday,June8,202329什么是熱像技術(shù)?FLIR–ITC給出的定義紅外熱像技術(shù)是一門利用非接觸式熱像設(shè)備獲取和分析熱信息的科學(xué)。Note:Thereexiststandardizeddefinitionsinsomecountries,andISOisalsoworkingonit.Thursday,June8,202330

熱像圖像熱量溫度分析什么是熱像技術(shù)?Thursday,June8,202331熱量是不同溫度的系統(tǒng)間的熱量交換.因此,當(dāng)沒(méi)有溫度差異時(shí)紅外圖像沒(méi)有任何對(duì)比，也不可能進(jìn)行分析!什么是熱像技術(shù)?Thursday,June8,202332什么讓熱像技術(shù)這么有用?非接觸性–遠(yuǎn)程感應(yīng)使得用戶遠(yuǎn)離危險(xiǎn)不會(huì)侵?jǐn)_或者影響目標(biāo)二維性可以比較物體的不同區(qū)域利用圖像可以觀察整個(gè)目標(biāo)熱分布可以可視化后進(jìn)行分析實(shí)時(shí)性固定物體進(jìn)行高速掃描高速移動(dòng)物體捕獲高頻溫度變化的圖像捕捉Thursday,June8,202333熱像技術(shù)vs.可見(jiàn)光紅外光可見(jiàn)光

Thursday,June8,202334我們認(rèn)識(shí)可見(jiàn)光圖像顏色在可見(jiàn)光波段是光線的反射.我們用眼睛看到的顏色表征世界.這個(gè)散熱器在藍(lán)色背景下且是灰白的.散熱器是灰白的因?yàn)樗瓷淞税坠庵械倪@些組分.熱像技術(shù)vs.可見(jiàn)光Thursday,June8,202335紅外光下的散熱器.

紅外光和可見(jiàn)光很相似.紅外熱像儀也用顏色來(lái)表征它看到的”熱”世界.最大的不同，紅外圖像上的顏色表示反射和發(fā)射.熱像技術(shù)vs.可見(jiàn)光Thursday,June8,202336發(fā)射&發(fā)射?熱量發(fā)射自物體本身.反射來(lái)自于其前面的物體;有時(shí)候操作者也會(huì)包括進(jìn)去.TT發(fā)射和反射是互補(bǔ)的.發(fā)射反射Thursday,June8,202337一些物體的發(fā)射率熱絕緣和電絕緣材料往往是很好的發(fā)射體.可以放心測(cè)量.木材 橡膠塑料 PVC泥土 陶瓷紙 混凝土油漆的表面建筑材料OK金屬是很差的發(fā)射體.但除了高度氧化的物體,一般金屬發(fā)射率很少高于0.25.測(cè)量需謹(jǐn)慎.銅 鋼鐵 黃銅鉻

鎳鋅

鉛鋁NotOKThursday,June8,202338反射溫度從目標(biāo)發(fā)射進(jìn)熱像儀的輻射叫做反射表象溫度.常常寫做TRefl.反射總是存在的!!!!對(duì)于熱像專家來(lái)說(shuō)會(huì)伴隨一生.Thursday,June8,202339反射是錯(cuò)誤分析的罪魁禍?zhǔn)?實(shí)例.問(wèn)題在這里.你看到的是銅牌上的反射，這里沒(méi)有熱點(diǎn).反射?Thursday,June8,202340這里有問(wèn)題嗎？答案否.這里的發(fā)射率高而已你看到的是不銹鋼表面上的反射，這里沒(méi)有熱點(diǎn).反射?反射是錯(cuò)誤分析的罪魁禍?zhǔn)?實(shí)例.Thursday,June8,202341你這里看到的是操作員的反射.這里有熱點(diǎn)嗎？導(dǎo)線是發(fā)熱的？反射?反射是錯(cuò)誤分析的罪魁禍?zhǔn)?實(shí)例.Thursday,June8,202342你這里看到的是環(huán)境的反射.反射?反射是錯(cuò)誤分析的罪魁禍?zhǔn)?實(shí)例.Thursday,June8,202343結(jié)論發(fā)射率和反射溫度無(wú)法自動(dòng)計(jì)算.必須由操作人員決定，并輸入到熱像儀或者分析軟件.Thursday,June8,202344測(cè)量規(guī)律1)首先圖像要清晰.如果聚焦不佳，那么測(cè)量就會(huì)出錯(cuò)。誤差有多大？這個(gè)很難說(shuō)。但是無(wú)論如何，結(jié)果是錯(cuò)誤的。聚焦準(zhǔn)確聚焦不準(zhǔn)