熱成像儀簡介 ---- 林和安

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      本文刊載於 中無通訊 第 88 期。

      很多時候，我們除了要瞭解物體表面的溫度以外，還需要瞭解物體的溫度分佈情況，以便對物體的結構進行分析研究，探測物體內部缺陷。紅外線成像技術可以將物體的溫度分佈用圖像的形式直觀地顯示出來。利用物體發出的不可見紅外能量轉變為可見的熱圖像，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物體的不同溫度。下面根據不同成像器件對熱成像原理作簡略介紹。

圖1：熱像儀

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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用，如紅外測溫儀、紅外熱像儀、紅外報警儀等等。熱成像儀最早起源於軍用，逐漸轉為民用，主要用於研發或工業檢測與設備維護中，在防火、夜視以及安防中也有廣泛應用。那麽紅外技術的發展歷史大家是否瞭解呢？
      紅外成像技術始於 20 世紀 30 年代，它利用處於高真空的堿金屬或半導體光陰極，將紅外輻射轉換為電子輻射，再通過熒光屏使電子圖像轉換為人眼能看到的光學圖像。但由於其靈敏度低，早期在使用紅外變像管觀察時，必須有紅外輻射裝置“主動”照射目標。在第二次世界大戰末期，德國和美國在戰場上開始使用這種主動紅外夜視儀。由於它存在隱蔽性差，裝置笨重等缺點，又相繼發展了微光像增強技術和被動紅外熱成像技術。1964年，美國德克薩斯儀器公司為美軍提供了第一台軍用紅外熱成像系統，之後，出現了多種軍用熱成像系統。
     不可否認，軍事應用是紅外技術發展的主要動力，但目前國際上市場越來越轉向國民經濟的各個領域，從工業檢測、醫學診斷到衛星遙感都在應用紅外熱成像技術。六十年代中期，瑞典 AGEMA 公司研製出第一套工業用的實時成像系統，該系統由液氮製冷，110V 電源電壓供電，重約 35 公斤，1988年推出的全功能測溫熱像儀，將溫度的測量，修改、分析、圖像採集，存儲合於一體，重量小於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製冷焦平面技術成功應用於民用熱像儀開發，研製成功新一代的紅外測溫熱像儀，技術性能更加先進，現場測溫時只需對準目標攝取圖像，並將上述資訊存儲到機內的PC卡上，即完成全部操作，各種參數的設定可回到室內用軟件進行修改和分析數據，最後直接得出檢測報告，由於技術的進步，儀器重量已小於 2 公斤，使用中如同手持攝像機一樣，可方便地進行操作。
     國內研究開發紅外技術的應用，起始於五十年代後期，開始發展紅外技術主要是為國防事業服務，經過幾十年的努力，在軍事應用和高科技領域取得了令人矚目的成就，隨著改革開放形勢的深入發展，我國軍用方面的紅外技術開始向民用方面輻射，至目前，民用國產紅外熱像儀的研製，開發和生產，已處於不斷的完善和提高之中，特別是隨著電子技術的高速發展和國外先進技術的引進，國產紅外熱像儀在儀器的技術功能，測溫精度及實用性、可行性等方面，都取得了較大的改進和提高，部分指標已經達到世界先進水準。
二、熱成像儀原理
      現代熱像儀的工作原理是利用紅外探測器和光學成像物鏡來檢測和測量輻射，並在輻射與表面溫度之間建立相互聯系。所有高於絕對零度（-273℃）的物體都會發出紅外輻射。熱像儀利用紅外線光學系統收集物體散發出的紅外線輻射，經紅外線探測器轉化為電信號，再經過放大和信號處理，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佈場相對應。
紅外熱像儀的構成一般包括 5 大部分：
    1、紅外鏡頭: 接收和匯聚被測物體發射的紅外輻射；
    2、紅外探測器組件: 將熱輻射信號變成電信號；
    3、電子組件: 對電信號進行處理；
    4、顯示組件: 將電信號轉變成可見光圖像；
    5、軟件: 處理採集到的溫度數據，轉換成溫度讀數和圖像。


圖2：熱像儀原理框圖

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  三、熱像儀的應用
紅外熱像儀的應用範圍隨著人們對其認識的加深而愈來愈廣泛：用紅外熱像儀可以十分快捷的探測電氣設備不良接觸，以及過熱的機械部件，以免引起嚴重短路和火災。對於所有可以直接看見的設備，紅外熱成像產品都能夠確定所有連接點的熱隱患。對於那些由於遮罩而無法直接看到的部分，則可以根據其熱量傳導到外面的部件上的情況，來發現其熱隱患，這種情況對傳統的方法來說，除瞭解體檢查和清潔接頭外，是沒有其它的辦法。斷路器、導體、母線及其它部件的運行測試，紅外熱成像產品是無法取代的。然而紅外熱成像產品可以很容易地探測到回路過載或三相負載的不平衡。


圖3：熱像儀工作示意圖

在紅外熱像預知維護領域，採用紅外熱像儀對所有電氣設備、配電系統，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、電動機、變壓器等等，進行紅外熱成像檢查，以保證所有運行的電氣設備不存在潛伏性的熱隱患，有效防止火災、停機等事故發生。下面是需要進行紅外熱成像產品檢查的部分設施：

1. 各種電氣裝置：可發現接頭松動或接觸不良，不平衡負荷，過載，過熱等隱患。這些隱患可能造成的潛在影響是產生電弧、短路、燒毀、起火。

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

3. 電動機、發電機：可以發現的隱患是軸承溫度過高，不平衡負載，繞組短路或開路，碳刷、滑環和集流環發熱，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和集流環，進而損壞繞組線圈。還可能引起驅動目標的損壞。

4. 電氣設備維修檢查，屋頂查漏，節能檢測，環保檢查，安全防盜，森林防火，無損探傷，質量控制，醫療檢查等等也很有效益。

圖4：熱像儀的使用

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      在科研領域主要應用包括： 汽車研究發展－射出成型、模溫控制、剎車盤、引擎活塞、電子電路設計、烤漆； 電機、電子業－印製電路板熱分佈設計、產品可靠性測試、電子零組件溫度測試、筆記本電腦散熱測試、微小零組件測試；引擎燃燒試驗風洞實驗；目標特徵分析； 覆合材料檢測； 建築物隔熱、受潮檢測；熱傳導研究；動植物生態研究；模具鑄造溫度測量；金屬熔焊研究； 地表/海洋熱分佈研究等。
      紅外熱成像儀已廣泛應用於安全防範系統中，並成為安全監控系統中的明星。由於具有隱蔽探測功能，不需要可見光，可以使犯罪份子不知其工作地點和存在，進而產生錯誤判斷，導致犯罪行為被發現。在某些重要單位，例如：重要的行政中心、銀行金庫、機要室、檔案室、軍事要地、監獄等，用紅外熱成像儀24小時監控，並隨時對背景資料進行分析，一旦發現變化，可以及時發出警報，並可以通過智慧設備的處理，對有關情況進行自動處理，並隨時將情況上報，取得進一步的處理意見。

四、如何挑選一款合適的熱像儀
      紅外熱像儀在現代社會中的應用非常廣泛，可以幫助我們實現高精度的檢測服務以及監視服務，提高了現代社會監控水準。紅外熱成像儀是一種高科技產品，價格昂貴，不同的型號之間也有著很大的差別，用戶要能夠根據自己的需求選擇出性價比高的設備，幫助自己進行生產。使用者對紅外熱像儀的選擇可以根據具體的用途來分類，也就是根據其具體的應用領域來進行挑選。
     1、解析度和圖元
紅外熱像儀的解析度和圖元其實是一個指標，這是決定設備價格的最主要因素。紅外熱像儀解析度圖元越高，設備的性能也就越強，理論上其價格也越高。
     2、幀頻
幀頻是影響紅外熱像儀價格最為重要的因素，設備的幀頻越高，捕獲精度越高，價格也就越高。如果設備的幀頻高，代表設備的精度高，越能準確顯示圖像。在實際使用中，建議紅外熱像儀的幀頻一般都要高於30HZ，這樣才能夠滿足基本的使用條件。
     3、測溫範圍
紅外熱像儀的測溫範圍也會影響到設備的價格水準，不僅要求測溫範圍要大，但是一定要擁有可以選擇的區間，為用戶提供更多的現象。大多數情況我們都使用-20-120度的測溫範圍，這個測溫範圍就可以提供很高的靈敏度，幫助設備更好的進行測量。雖然價格貴點，但是在實際工作中，可以給我們提供更多的幫助和好處。

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五、紅外熱像儀的使用方法
隨著紅外熱像儀的廣泛普及應用，越來越多的人開始使用接觸紅外熱像儀。同時促使更多的人需要瞭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，還是同時要求精確測溫
這之間有什麽區別嗎？一條量化的溫度曲線可用來測量現場的溫度情況，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，需要進行溫度測量，並要求對目標溫度進行比較和趨勢分析，便需要記錄所有影響精確測溫的目標和環境溫度情況，例如發射率，環境溫度，風速及風向，濕度，熱反射源等等。
    2、瞭解最大的測量距離
當您測量目標溫度時，請務必瞭解能夠得到精確測溫讀數的最大測量距離。對於非製冷微熱量型焦平面探測器，要想準確地分辨目標，通過熱像儀光學系統的目標圖像必須占到9個圖元，或者更多。 如果儀器距離目標過遠，目標將會很小，測溫結果將無法正確反映目標物體的真實溫度，因為紅外熱像儀此時測量的溫度平均了目標物體以及周圍環境的溫度。為了得到最精確的測量讀數，請將目標物體盡量充滿儀器的視場。顯示足夠的景物，才能夠分辨出目標。與目標的距離不要小於熱像儀光學系統的最小焦距，否則不能聚焦成清晰的圖像。
    3、選擇正確的測溫範圍
是否瞭解現場被測目標的測溫範圍？我們使用紅外熱像儀為了得到正確的溫度讀數，請務必設置正確的測溫範圍。當觀察目標時，對儀器的溫度跨度進行微調將得到最佳的圖像質量。這也將同時會影響到溫度曲線的質量和測溫精度。
    4、調整焦距
大家在使用紅外熱像儀時，可以在紅外圖像存儲後對圖像曲線進行調整，但是無法在圖像存儲後改變焦距，也無法消除其他雜亂的熱反射。保證第一時間操作正確性將避免現場的操作失誤。仔細調整焦距！如果目標上方或周圍背景的過熱或過冷的反射影響到目標測量的精確性時，試著調整焦距或者測量方位，以減少或者消除反射影響。(FORD的意思是：Focus焦距，Range範圍，Distance距離)
    5、工作背景單一
例如，天氣寒冷的時候，在戶外進行檢測工作時，將會發現大多數目標都是接近於環境溫度的。當在戶外工作時，請務必考慮太陽反射和吸收對圖像和測溫的影響。因此，有些較老的紅外熱像儀只能在晚上進行測量工作，以避免太陽反射帶來的影響。
    6、保證測量過程中儀器平穩
在使用紅外線熱像儀拍攝過程中，由於儀器移動可能會引起圖像模糊。為了達到最好的效果，在凍結和記錄圖像的時候，應盡可能保證儀器平穩。當按下存儲按鈕時，應盡量保證輕緩和平滑。即使輕微的儀器晃動，也可能會導致圖像不清晰。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定。