很多時(shí)候，我們除了要了解物體表面的溫度以外，還需要了解物體的溫度分布情況，以便對(duì)物體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，探測(cè)物體內(nèi)部缺陷。紅外線成像技術(shù)可以將物體的溫度分布用圖像的形式直觀地顯示出來。利用物體發(fā)出的不可見紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷臒釄D像，這就是熱成像儀的原理。熱成像儀生成的圖像通過不同的顏色來代表被測(cè)物體的不同溫度。下面根據(jù)不同成像器件對(duì)熱成像原理作簡(jiǎn)要介紹。

紅外熱像儀是利用紅外探測(cè)器、光學(xué)成像物鏡和光機(jī)掃描系統(tǒng)（先進(jìn)的焦平面技術(shù)則省去了光機(jī)掃描系統(tǒng)）接收被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測(cè)器的光敏元上，在光學(xué)系統(tǒng)和紅外探測(cè)器之間，有一個(gè)光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)（焦平面熱像儀無此機(jī)構(gòu)）對(duì)被測(cè)物體的紅外熱像進(jìn)行掃描，并聚焦在單元或分光探測(cè)器上，由探測(cè)器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大處理、轉(zhuǎn)換或標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)通過電視屏或監(jiān)測(cè)器顯示紅外熱像圖。

圖1：熱像儀

一、熱成像儀的歷史

目前，紅外熱成像儀在軍民兩方面都有應(yīng)用，如紅外測(cè)溫儀、紅外熱像儀、紅外報(bào)警儀等等。熱成像儀最早起源于軍用，逐漸轉(zhuǎn)為民用，主要用于研發(fā)或工業(yè)檢測(cè)與設(shè)備維護(hù)中，在防火、夜視以及安防中也有廣泛應(yīng)用。那麼紅外技術(shù)的發(fā)展歷史大家是否了解呢？

紅外成像技術(shù)始于20世紀(jì)30年代，它利用處于高真空的堿金屬或半導(dǎo)體光陰極，將紅外輻射轉(zhuǎn)換為電子輻射，再通過熒光屏使電子圖像轉(zhuǎn)換為人眼能看到的光學(xué)圖像。但由于其靈敏度低，早期在使用紅外變像管觀察時(shí)，必須有紅外輻射裝置“主動(dòng)”照射目標(biāo)。在第二次世界大戰(zhàn)末期，德國和美國在戰(zhàn)場(chǎng)上開始使用這種主動(dòng)紅外夜視儀。由于它存在隱蔽性差，裝置笨重等缺點(diǎn)，又相繼發(fā)展了微光像增強(qiáng)技術(shù)和被動(dòng)紅外熱成像技術(shù)。1964年，美國德克薩斯儀器公司為美軍提供了第一臺(tái)軍用紅外熱成像系統(tǒng)，之后，出現(xiàn)了多種軍用熱成像系統(tǒng)。

不可否認(rèn)，軍事應(yīng)用是紅外技術(shù)發(fā)展的主要?jiǎng)恿Γ�但目前國際上市場(chǎng)越來越轉(zhuǎn)向國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，從工業(yè)檢測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷到衛(wèi)星遙感都在應(yīng)用紅外熱成像技術(shù)。六十年代中期，瑞典AGEMA公司研制出第一套工業(yè)用的實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)由液氮制冷，110V電源電壓供電，重約35公斤，1988年推出的全功能測(cè)溫?zé)嵯駜x，將溫度的測(cè)量，修改、分析、圖像采集，存儲(chǔ)合于一體，重量小于7公斤，儀器的功能、精度和可行性都得到了顯著的提高。九十年代中期，美國一些公司首先將非制冷焦平面技術(shù)成功應(yīng)用于民用熱像儀開發(fā)，研制成功新一代的紅外測(cè)溫?zé)嵯駜x，技術(shù)性能更加先進(jìn)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫時(shí)只需對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)攝取圖像，并將上述信息存儲(chǔ)到機(jī)內(nèi)的PC卡上，即完成全部操作，各種參數(shù)的設(shè)定可回到室內(nèi)用軟件進(jìn)行修改和分析數(shù)據(jù)，最后直接得出檢測(cè)報(bào)告，由于技術(shù)的進(jìn)步，儀器重量已小于2公斤，使用中如同手持?jǐn)z像機(jī)一樣，可方便地進(jìn)行操作。

國內(nèi)研究開發(fā)紅外技術(shù)的應(yīng)用，起始于五十年代后期，開始發(fā)展紅外技術(shù)主要是為國防事業(yè)服務(wù)，經(jīng)過幾十年的努力，在軍事應(yīng)用和高科技領(lǐng)域取得了令人矚目的成就，隨著改革開放形勢(shì)的深入發(fā)展，我國軍用方面的紅外技術(shù)開始向民用方面輻射，至目前，民用國產(chǎn)紅外熱像儀的研制，開發(fā)和生產(chǎn)，已處于不斷的完善和提高之中，特別是隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展和國外先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)，國產(chǎn)紅外熱像儀在儀器的技術(shù)功能，測(cè)溫精度及實(shí)用性、可行性等方面，都取得了較大的改進(jìn)和提高，部分指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。

二、熱成像儀原理

現(xiàn)代熱像儀的工作原理是利用紅外探測(cè)器和光學(xué)成像物鏡來檢測(cè)和測(cè)量輻射，并在輻射與表面溫度之間建立相互聯(lián)系。所有高于絕對(duì)零度（-273℃）的物體都會(huì)發(fā)出紅外輻射。熱像儀利用紅外線光學(xué)系統(tǒng)收集物體散發(fā)出的紅外線輻射，經(jīng)紅外線探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再經(jīng)過放大和信號(hào)處理，利用光敏元件形成可供人眼觀察的紅外熱圖像，這種熱像圖與物體表面的熱分布場(chǎng)相對(duì)應(yīng)。

圖2：熱像儀原理框圖

紅外熱像儀的構(gòu)成一般包括5大部分：

1、紅外鏡頭: 接收和匯聚被測(cè)物體發(fā)射的紅外輻射；

2、紅外探測(cè)器組件: 將熱輻射信號(hào)變成電信號(hào)；

3、電子組件: 對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理；

4、顯示組件: 將電信號(hào)轉(zhuǎn)變成可見光圖像；

5、軟件: 處理采集到的溫度數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成溫度讀數(shù)和圖像。

圖三：熱像儀工作示意圖

三、熱像儀的應(yīng)用

紅外熱像儀的應(yīng)用范圍隨著人們對(duì)其認(rèn)識(shí)的加深而愈來愈廣泛：用紅外熱像儀可以十分快捷的探測(cè)電氣設(shè)備不良接觸，以及過熱的機(jī)械部件，以免引起嚴(yán)重短路和火災(zāi)。對(duì)于所有可以直接看見的設(shè)備，紅外熱成像產(chǎn)品都能夠確定所有連接點(diǎn)的熱隱患。對(duì)于那些由于屏蔽而無法直接看到的部分，則可以根據(jù)其熱量傳導(dǎo)到外面的部件上的情況，來發(fā)現(xiàn)其熱隱患，這種情況對(duì)傳統(tǒng)的方法來說，除了解體檢查和清潔接頭外，是沒有其它的辦法。斷路器、導(dǎo)體、母線及其它部件的運(yùn)行測(cè)試，紅外熱成像產(chǎn)品是無法取代的。然而紅外熱成像產(chǎn)品可以很容易地探測(cè)到回路過載或三相負(fù)載的不平衡。

在紅外熱像預(yù)知維護(hù)領(lǐng)域，采用紅外熱像儀對(duì)所有電氣設(shè)備、配電系統(tǒng)，包括高壓接觸器、熔斷器盤、主電源斷路器盤、接觸器、以及所有的配電線、電動(dòng)機(jī)、變壓器等等，進(jìn)行紅外熱成像檢查，以保證所有運(yùn)行的電氣設(shè)備不存在潛伏性的熱隱患，有效防止火災(zāi)、停機(jī)等事故發(fā)生。下面是需要進(jìn)行紅外熱成像產(chǎn)品檢查的部分設(shè)施：

1. 各種電氣裝置：可發(fā)現(xiàn)接頭松動(dòng)或接觸不良，不平衡負(fù)荷，過載，過熱等隱患。這些隱患可能造成的潛在影響是產(chǎn)生電弧、短路、燒毀、起火。

2. 變壓器：可以發(fā)現(xiàn)的隱患有接頭松動(dòng)，套管過熱，接觸不良（抽頭變換器），過載，三相負(fù)載不平衡，冷卻管堵塞不暢。其影響為產(chǎn)生電弧、短路、燒毀、起火。

3. 電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)：可以發(fā)現(xiàn)的隱患是軸承溫度過高，不平衡負(fù)載，繞組短路或開路，碳刷、滑環(huán)和集流環(huán)發(fā)熱，過載過熱，冷卻管路堵塞。其影響為有問題的軸承可以引起鐵芯或繞組線圈的損壞；有毛病的碳刷可以損壞滑環(huán)和集流環(huán)，進(jìn)而損壞繞組線圈。還可能引起驅(qū)動(dòng)目標(biāo)的損壞。

圖4：熱像儀的使用

4. 電氣設(shè)備維修檢查，屋頂查漏，節(jié)能檢測(cè)，環(huán)保檢查，安全防盜，森林防火，無損探傷，質(zhì)量控制，醫(yī)療檢查等等也很有效益。

在科研領(lǐng)域主要應(yīng)用包括： 汽車研究發(fā)展－射出成型、模溫控制、剎車盤、引擎活塞、電子電路設(shè)計(jì)、烤漆； 電機(jī)、電子業(yè)－印制電路板熱分布設(shè)計(jì)、產(chǎn)品可靠性測(cè)試、電子零組件溫度測(cè)試、筆記本電腦散熱測(cè)試、微小零組件測(cè)試；引擎燃燒試驗(yàn)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)；目標(biāo)特征分析； 覆合材料檢測(cè)； 建筑物隔熱、受潮檢測(cè)；熱傳導(dǎo)研究；動(dòng)植物生態(tài)研究；模具鑄造溫度測(cè)量；金屬熔焊研究； 地表/海洋熱分布研究等。

紅外熱成像儀已廣泛應(yīng)用于安全防范系統(tǒng)中，并成為安全監(jiān)控系統(tǒng)中的明星。由于具有隱蔽探測(cè)功能，不需要可見光，可以使犯罪份子不知其工作地點(diǎn)和存在，進(jìn)而產(chǎn)生錯(cuò)誤判斷，導(dǎo)致犯罪行為被發(fā)現(xiàn)。在某些重要單位，例如：重要的行政中心、銀行金庫、機(jī)要室、檔案室、軍事要地、監(jiān)獄等，用紅外熱成像儀24小時(shí)監(jiān)控，并隨時(shí)對(duì)背景資料進(jìn)行分析，一旦發(fā)現(xiàn)變化，可以及時(shí)發(fā)出警報(bào)，并可以通過智能設(shè)備的處理，對(duì)有關(guān)情況進(jìn)行自動(dòng)處理，并隨時(shí)將情況上報(bào)，取得進(jìn)一步的處理意見。

四、如何挑選一款合適的熱像儀

紅外熱像儀在現(xiàn)代社會(huì)中的應(yīng)用非廣泛，可以幫助我們實(shí)現(xiàn)高精度的檢測(cè)服務(wù)以及監(jiān)視服務(wù)，提高了現(xiàn)代社會(huì)監(jiān)控水平。紅外熱成像儀是一種高科技產(chǎn)品，價(jià)格昂貴，不同的型號(hào)之間也有著很大的差別，用戶要能夠根據(jù)自己的需求選擇出性價(jià)比高的設(shè)備，幫助自己進(jìn)行生產(chǎn)。使用者對(duì)紅外熱像儀的選擇可以根據(jù)具體的用途來分類，也就是根據(jù)其具體的應(yīng)用領(lǐng)域來進(jìn)行挑選。

1、分辨率和像素

紅外熱像儀的分辨率和像素其實(shí)是一個(gè)指標(biāo)，這是決定設(shè)備價(jià)格的最主要因素。紅外熱像儀分辨率像素越高，設(shè)備的性能也就越強(qiáng)，價(jià)格理論上其價(jià)格也越高。

2、幀頻

幀頻是影響紅外熱像儀價(jià)格最為重要的因素，設(shè)備的幀頻越高，捕獲精度越高，價(jià)格也就越高。如果設(shè)備的幀頻高，代表設(shè)備的精度高，越能準(zhǔn)確顯示圖像。在實(shí)際使用中，建議紅外熱像儀的幀頻一般都要高于30HZ,這樣才能夠滿足基本的使用條件。

3、測(cè)溫范圍

紅外熱像儀的測(cè)溫范圍也會(huì)影響到設(shè)備的價(jià)格水平，不僅要求測(cè)溫范圍要大，但是一定要擁有可以選擇的區(qū)間，為用戶提供更多的現(xiàn)象。大多數(shù)情況我們都使用-20-120度的測(cè)溫范圍，這個(gè)測(cè)溫范圍就可以提供很高的靈敏度，幫助設(shè)備更好的進(jìn)行測(cè)量。雖然價(jià)格貴點(diǎn)，但是在實(shí)際工作中，可以給我們提供更多的幫助和好處。

五、紅外熱像儀的使用方法

隨著紅外熱像儀的廣泛普及應(yīng)用，越來越多的人開始使用接觸紅外熱像儀。同時(shí)促使更多的人需要了解掌握正確的紅外熱像儀的使用方法與技巧。

1、僅僅要求生成清晰紅外熱圖像，還是同時(shí)要求精確測(cè)溫

這之間有什麼區(qū)別嗎？一條量化的溫度曲線可用來測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的溫度情況，也可以用來編輯顯著的溫升情況。清晰的紅外圖像同樣十分重要。但是如果在工作過程中，需要進(jìn)行溫度測(cè)量，并要求對(duì)目標(biāo)溫度進(jìn)行比較和趨勢(shì)分析，便需要記錄所有影響精確測(cè)溫的目標(biāo)和環(huán)境溫度情況，例如發(fā)射率，環(huán)境溫度，風(fēng)速及風(fēng)向，濕度，熱反射源等等。

2、了解最大的測(cè)量距離

當(dāng)您測(cè)量目標(biāo)溫度時(shí)，請(qǐng)務(wù)必了解能夠得到精確測(cè)溫讀數(shù)的最大測(cè)量距離。對(duì)于非制冷微熱量型焦平面探測(cè)器，要想準(zhǔn)確地分辨目標(biāo)，通過熱像儀光學(xué)系統(tǒng)的目標(biāo)圖像必須占到9個(gè)像素，或者更多。 如果儀器距離目標(biāo)過遠(yuǎn)，目標(biāo)將會(huì)很小，測(cè)溫結(jié)果將無法正確反映目標(biāo)物體的真實(shí)溫度，因?yàn)榧t外熱像儀此時(shí)測(cè)量的溫度平均了目標(biāo)物體以及周圍環(huán)境的溫度。為了得到最精確的測(cè)量讀數(shù)，請(qǐng)將目標(biāo)物體盡量充滿儀器的視場(chǎng)。顯示足夠的景物，才能夠分辨出目標(biāo)。與目標(biāo)的距離不要小于熱像儀光學(xué)系統(tǒng)的最小焦距，否則不能聚焦成清晰的圖像。

3、選擇正確的測(cè)溫范圍

是否了解現(xiàn)場(chǎng)被測(cè)目標(biāo)的測(cè)溫范圍？我們使用紅外熱像儀為了得到正確的溫度讀數(shù)，請(qǐng)務(wù)必設(shè)置正確的測(cè)溫范圍。當(dāng)觀察目標(biāo)時(shí)，對(duì)儀器的溫度跨度進(jìn)行微調(diào)將得到最佳的圖像質(zhì)量。這也將同時(shí)會(huì)影響到溫度曲線的質(zhì)量和測(cè)溫精度。

4、調(diào)整焦距

大家在使用紅外熱像儀時(shí)，可以在紅外圖像存儲(chǔ)后對(duì)圖像曲線進(jìn)行調(diào)整，但是無法在圖像存儲(chǔ)后改變焦距，也無法消除其他雜亂的熱反射。保證第一時(shí)間操作正確性將避免現(xiàn)場(chǎng)的操作失誤。仔細(xì)調(diào)整焦距！如果目標(biāo)上方或周圍背景的過熱或過冷的反射影響到目標(biāo)測(cè)量的精確性時(shí)，試著調(diào)整焦距或者測(cè)量方位，以減少或者消除反射影響。(FORD的意思是：Focus焦距，Range范圍，Distance距離)

5、工作背景單一

例如，天氣寒冷的時(shí)候，在戶外進(jìn)行檢測(cè)工作時(shí)，將會(huì)發(fā)現(xiàn)大多數(shù)目標(biāo)都是接近于環(huán)境溫度的。當(dāng)在戶外工作時(shí)，請(qǐng)務(wù)必考慮太陽反射和吸收對(duì)圖像和測(cè)溫的影響。因此，有些較老的紅外熱像儀只能在晚上進(jìn)行測(cè)量工作，以避免太陽反射帶來的影響。

6、保證測(cè)量過程中儀器平穩(wěn)

在使用紅外線熱像儀拍攝過程中，由于儀器移動(dòng)可能會(huì)引起圖像模糊。為了達(dá)到最好的效果，在凍結(jié)和記錄圖像的時(shí)候，應(yīng)盡可能保證儀器平穩(wěn)。當(dāng)按下存儲(chǔ)按鈕時(shí)，應(yīng)盡量保證輕緩和平滑。即使輕微的儀器晃動(dòng)，也可能會(huì)導(dǎo)致圖像不清晰。推薦將儀器放置在物體表面，或使用三腳架等方式盡量保持穩(wěn)定。