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淺談紅外熱像儀的特性
2012-12-05
淺談紅外熱像儀
簡(jiǎn)單地講：紅外熱像儀就是利用某些特殊的材料對(duì)紅外光輻射能產(chǎn)生某些物理量的變化的特性，然后把這種變量轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，經(jīng)過調(diào)制后再轉(zhuǎn)變成圖象并測(cè)溫。這些特殊的材料多為：碲鎘汞、銻化銦、鉑化硅、氧化釩、硅摻雜（或多晶硅）等等。市場(chǎng)上所謂的“制冷”和“非制冷”之分，實(shí)際上是指有無制冷器而言。
紅外熱像儀本身并不發(fā)射紅外，它只是被動(dòng)地吸收而已。這有兩重含義：第一，這種特征加上自然界任何物體都對(duì)外輻射紅外信號(hào)的特點(diǎn)，使之成為軍事價(jià)值極高的設(shè)備；第二，考慮到紅外線在空氣中衰減的幅度，作為高靈敏度探測(cè)器材料的要求是何等的高！尤其是要考慮紅外熱像儀本身也有紅外輻射的干擾時(shí)。因此，從紅外熱像儀誕生那天開始，對(duì)它的技術(shù)保密級(jí)別及它的價(jià)格都非常的高。這里，我們還姑且不談紅外探測(cè)器的生產(chǎn)工藝的難度和成品率。
我們知道：自然界一切溫度在絕對(duì)零度-273.15°C以上的物體，由于自身的分子熱運(yùn)動(dòng)都在不停地向周圍空間輻射包括紅外波段在內(nèi)的電磁波，其光譜范圍比較廣。分子和原子的運(yùn)動(dòng)愈劇烈，輻射的能量愈大，反之輻射的能量愈小。而現(xiàn)階段的紅外熱像儀都只能對(duì)其中某一小段光譜范圍的紅外光產(chǎn)生反應(yīng)。比如：3～5μm 或8～14μm，也就是所謂的“大氣窗口”——大氣、煙云等吸收可見光和近紅外線，但是對(duì)3~5μm和8~14μm的熱紅外線卻受影響較小。因此，這兩個(gè)波段被稱為熱紅外線的“大氣窗口”。同時(shí)，物體向外發(fā)射的輻射強(qiáng)度取決于目標(biāo)物體的溫度和物體表面材料的輻射特性。同一種物質(zhì)在不同的狀況下（表面光潔度、環(huán)境溫度、氧化程度等等），向外輻射紅外能量的能力都不同，這種能力與假象中的黑體的比值就是該物質(zhì)在該溫度下的發(fā)射率。（黑體是一種理想化的輻射體，它吸收所有波長(zhǎng)的輻射能量，沒有能量的反射和透過，其表面的發(fā)射率為1。）應(yīng)該指出，自然界中并不存在真正的黑體。
也就是說，紅外熱像儀能否觀察到物體，取決于該紅外熱像儀的溫度分辨率和空間分辨率以及被測(cè)物體表面的紅外輻射強(qiáng)度和面積，我們甚至可以大略地理解為：溫度分辨率即是最小可辨溫差的能力，空間分辨率是顯示這種溫差的能力。現(xiàn)階段溫度分辨率是以NETD實(shí)驗(yàn)條件下，環(huán)境溫度為30℃時(shí)探測(cè)器的最小可辨溫差，而不是熱像儀整機(jī)的溫度分辨率。因?yàn)樘綔y(cè)器本身的背景噪音如果為0.06℃時(shí)，后續(xù)處理所帶來的背景噪音疊加后肯定要高于0.06℃，至于能達(dá)到多少，那就要看各個(gè)廠家后續(xù)電子線路版塊的設(shè)計(jì)和處理能力了。這里值得說明的是：溫度分辨率和測(cè)溫精度是兩回事。前者是最小可辨溫差的能力；后者是重復(fù)測(cè)量的平均溫差。剛接觸紅外熱像儀的朋友通常會(huì)混淆這兩個(gè)概念?？臻g分辨率不能等同于視場(chǎng)角，視場(chǎng)角是指鏡頭而言，空間分辨率實(shí)際是指紅外熱像儀整機(jī)的分辨能力，它與探測(cè)器、電路、鏡頭有關(guān)，是個(gè)綜合指數(shù)，以mrad為單位，1.0mrad即千分之一弧度。
這里，還要介紹一下像素?cái)?shù)。通常我們看到國內(nèi)外的紅外生產(chǎn)廠家在其產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)上標(biāo)明：320×240、160×120、120×120甚至是382×288、640×480，這一般是指探測(cè)器聚焦平面陣列數(shù)，可以理解為：?jiǎn)卧綔y(cè)器的數(shù)量，那當(dāng)然是越多越好了。
這里要補(bǔ)充一點(diǎn)：現(xiàn)在國外有些廠家因受某些技術(shù)或條約的約束，還不能向中國出口高分辨率及高像素的紅外熱像儀或探測(cè)器，但出于資本的本能又希望進(jìn)入中國市場(chǎng)，于是，采取了插值算法以提高顯示像素?cái)?shù)，同時(shí)又不違反所謂的條約。與此應(yīng)注意“幀頻”指標(biāo)，即掃描速度?，F(xiàn)在市面上出現(xiàn)了一些幀頻為9HZ的進(jìn)口紅外熱像儀，在某些行業(yè)的紅外熱像儀應(yīng)用上，我國是有限制規(guī)定的。
順便插一段：所謂的 “短波”紅外和“長(zhǎng)波”紅外通常就是指探測(cè)波譜范圍為3～5μm和8～14μm的紅外熱像儀。兩者各有千秋。比如說：探測(cè)波譜范圍為3～5μm短波紅外熱像儀通常為制冷型紅外熱像儀，材料一般為：碲鎘汞、銻化銦、鉑化硅等，多用于軍事及測(cè)高溫領(lǐng)域。分辨率一般較高。但由于制冷元件的成本高，導(dǎo)致價(jià)格貴。也正是制冷元件的故障率較高及制冷效果的衰退，導(dǎo)致其在工業(yè)領(lǐng)域使用范圍的日見萎縮。而且，這些制冷儀器從開機(jī)到能夠使用，通常要等10分鐘左右——制冷器正常工作后，這在現(xiàn)場(chǎng)工作中是很不方便的。更不用談制冷型紅外熱像儀相對(duì)比較重了；非制冷紅外熱像儀的材料一般為：氧化釩、硅摻雜（或多晶硅），多為8～14μm的紅外熱像儀。開機(jī)即用，成本較低，輕便小巧，維護(hù)方便，其探測(cè)器的穩(wěn)定性及分辨能力相對(duì)較差（由于科技的發(fā)展，其分辨率也越來越高了）。被廣泛應(yīng)用于電力、化工、消防等領(lǐng)域。
這里，還有一個(gè)有趣的故事：當(dāng)初非制冷紅外熱像儀剛出現(xiàn)在市場(chǎng)時(shí)，為了和早期制冷型紅外熱像儀競(jìng)爭(zhēng)，有些人士曾屢屢提到陽光干擾問題。有一種說法是：短波紅外熱像儀（3～5μm）易受陽光干擾，而長(zhǎng)波紅外熱像儀（8～14μm）不受陽光干擾；因此，長(zhǎng)波紅外可以在白天工作，而短波紅外熱像儀不行。的確，陽光是有干擾，但是，陽光照射物體表面發(fā)生發(fā)射或衍射時(shí)，其光譜范圍跨越了3～5μm的同時(shí)也跨越了8μm的范圍，也就是說：陽光對(duì)兩者皆有干擾，輕重不同而已。誰也不敢說：拿長(zhǎng)波紅外熱像儀白天檢測(cè)就能避免因陽光干擾而產(chǎn)生的誤判斷！否則，我國相關(guān)檢測(cè)規(guī)程中也不會(huì)建議：在使用紅外熱像儀進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，盡量在“日出之前、日落之后”或陰天。其實(shí)，這種干擾還包含另外兩個(gè)因素：第一，陽光照射會(huì)使被檢測(cè)設(shè)備本身升溫，該溫升與設(shè)備故障部位的溫升有可能疊加，造成漏檢或誤判斷；第二，陽光照射對(duì)使用液晶屏作為顯像器的紅外來說，對(duì)人的肉眼是有很大的干擾的。 紅外熱像儀除了能顯示物體表面的熱狀態(tài)分布圖之外，還有一個(gè)特點(diǎn)：非接觸測(cè)溫。這個(gè)功能，在當(dāng)年的“非典”中應(yīng)用是非常廣泛的。但是，筆者認(rèn)為：紅外在“非典”中的應(yīng)用，對(duì)普及紅外熱像儀相關(guān)知識(shí)有一定的作用；可在某些地方的應(yīng)用方式上卻是有待商榷的。我們知道：人體是個(gè)恒溫體，傳統(tǒng)測(cè)溫所采取的部位是：腋窩、口腔、直腸。其中，直腸的溫度最高也最接近人體內(nèi)部溫度。體表呢？——要知道紅外熱像儀只能測(cè)量表面的熱輻射（體表的不同位置溫度也不一定相同，但多在26度到31度左右），而人又分男女、老少，每個(gè)人在體表熱輻射上都有差異，同時(shí)，同一個(gè)人在24小時(shí)內(nèi)的體表溫度也是有差異的。你怎么能排除人受環(huán)境的影響？（比如說人多而空間小、有空調(diào)、剛喝過熱水吃過飯、剛運(yùn)動(dòng)過、心情緊張等等）由于人有這些特性，即使你用相對(duì)溫差法或熱譜圖法也無法準(zhǔn)確判斷。
紅外熱像儀能測(cè)溫實(shí)際上是通過黑體恒溫（可調(diào)）爐對(duì)紅外熱像儀先定標(biāo)它的溫度曲線，定標(biāo)的點(diǎn)越多，測(cè)溫相對(duì)越準(zhǔn)。也就是說：沒有哪一家（無論是國外的還是國內(nèi)的紅外廠家），也無論你是高檔的紅外熱像儀還是低端紅外熱像儀，都不可能無限止地標(biāo)定無數(shù)個(gè)點(diǎn)，那樣是不現(xiàn)實(shí)也不經(jīng)濟(jì)的——這一點(diǎn)對(duì)于人工成本高的國外產(chǎn)品來說，也是個(gè)不好的消息。即：誰的測(cè)溫都不可能準(zhǔn)確。這種標(biāo)定是和每個(gè)探測(cè)器本身的特性相關(guān)，所以，每臺(tái)紅外熱像儀，只要你測(cè)溫，這道工序是不可避免的。最麻煩的是：紅外探測(cè)器在工作或放置一段時(shí)間后，其材料的老化也是不可避免的——不管你是氧化礬還是硅摻雜（或多晶硅）或者別的什么材料，材料的特性發(fā)生改變，測(cè)溫曲線就得重新標(biāo)定，否則測(cè)溫就不可能準(zhǔn)確！雖然說非制冷焦平面號(hào)稱免維護(hù)機(jī)型，可以工作5萬或8萬小時(shí)，但這與測(cè)溫準(zhǔn)確性無關(guān)，是指成像而已。何況，空氣中的水分，CO，CO2、灰塵對(duì)，紅外線的衰減作用，誰也無法去量化——它是流動(dòng)的、非線性的且各區(qū)域在不同時(shí)間內(nèi)是變化的。于是，關(guān)于“環(huán)境參數(shù)自動(dòng)校正”“大氣穿透率自動(dòng)校正:”等參數(shù)就出現(xiàn)在我們面前了。那估計(jì)是各個(gè)廠家自己的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)吧！
相關(guān)人士在談及該問題時(shí)，開玩笑說：“紅外熱像儀測(cè)溫是絕對(duì)不準(zhǔn)的，發(fā)現(xiàn)相對(duì)溫差的能力是一流的。”當(dāng)然，這只是和接觸式測(cè)溫相比而言。應(yīng)該說紅外熱像儀測(cè)溫雖然有誤差，但還是比較準(zhǔn)確的。
另外，我們國家有些行業(yè)已制訂的檢測(cè)規(guī)則中規(guī)定：用紅外熱像儀檢測(cè)帶電、高溫的設(shè)備的方法是：1，熱譜圖法2，相對(duì)溫差法。
從核心技術(shù)的角度來說，國內(nèi)工業(yè)紅外熱像儀行業(yè)根本沒有什么可以自豪的地方。因?yàn)榉侵评浣蛊矫嫣綔y(cè)器制造技術(shù)完全國外廠家手中，我們面臨的是長(zhǎng)期的技術(shù)封鎖。
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