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2020年2月10日 星期一

Basics of Infrared Thermography


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本文是關於紅外線成像技術的。 有關稱為熱敏列印的列印技術,請參見熱敏列印https://en.wikipedia.org/wiki/Thermographic_printing。 

有關醫學熱成像的資訊,請參見非接觸式熱成像https://en.wikipedia.org/wiki/Non-contact_thermography

禾企 熱成像攝影機 http://www.shany.com.tw/index.php

紅外線熱成像(IRT),熱成像和熱影像是紅外線成像科學的示例。熱像攝影機通常檢測電磁波譜的遠紅外線範圍(大約 9,000-14,000 奈米或 9-14 μm)中的輻射,並產生該輻射的圖像,稱為熱譜圖。

由於根據黑體輻射定律,所有溫度高於絕對零的物體都會發出紅外線輻射,因此熱成像技術可以查看,有無可見照明的環境。物體發出的輻射量,隨溫度增加而增加。因此,熱成像可以使人們看到溫度的變化。

透過紅外線熱像攝影機觀察時,溫暖的物體在較冷的背景下,表現得很好。無論白天還是黑夜,人類和其他溫血動物在環境中,都很容易看見。結果,熱成像對軍事和監視攝影機的其他使用者特別有用。

在臨床診斷過程中,還可以透過熱成像,監測人類和其他溫血動物的某些生理變化。熱成像技術用於過敏檢測和獸藥。

儘管 FDA 警告說,「那些選擇這種方法,而不是乳房 X 線照相術的人,可能會錯過在早期階段發現癌症的機會」,但一些替代醫學從業者,仍將其用於乳腺篩檢。

在 2009 年大流行期間,政府和機場工作人員使用熱成像技術,檢測了疑似豬流感病例。

儘管過去五十年來,隨著商業和工業應用的迅速發展,熱成像技術的歷史已久。消防員使用熱像攝影機觀察煙霧,尋找人員並定位火源。

維護技術人員使用熱成像技術,來定位過熱的接頭和電力線的各個部分,這表示即將發生故障。建築施工技術人員可以看到熱信號,這些熱信號指示,隔熱層出現故障時出現熱洩漏,並可以使用這些結果,來提高採暖和空調設備的效率。

背景為傳統建築,前景為「被動房」的熱分析圖

現代熱像攝影機的外觀和操作,通常類似於便攜式攝影機機。通常,即時溫度記錄圖清楚地顯示出溫度變化,以至於不需要分析照片。因此,記錄模組並非總是內置的。

非專用 CCD 和 CMOS 影像感測器,在可見光波長范圍內,具有大部分光譜靈敏度。但是,透過利用其光譜靈敏度的「拖尾」區域,即被稱為近紅外線(NIR)的紅外線光譜部分,並透過使用現成的 CCTV 攝影機,在某些情況下,有可能獲得真實的熱圖像。溫度約為280°C(536°F)或更高的物體。

專門的熱成像攝影機,使用焦平面陣列(FPA),它們可響應更長的波長(中波長和長波長紅外)。最常見的類型是 InSb、InGaAs、HgCdTe,和 QWIP FPA。

最新技術將低成本,未冷卻的測微輻射熱計,用作 FPA 感測器。它們的解析度大大低於光學攝影機的解析度,大多數為 160 x 120 或 320 x 240 像素,對於最昂貴的型號,攝影最高為 1280 x 1024。

貓的熱像圖

熱像攝影機比其可見光譜攝影機昂貴得多,並且由於該技術在軍事上的使用,高端型號經常受到出口限制。較早的輻射熱計或更敏感的模型(例如 InSb)需要低溫冷卻,通常透過微型斯特林循環製冷機,或液氮進行。

紅外線熱像攝影機和螢幕。 熱成像可以檢測到體溫升高,這是 H1N1 病毒(豬流感)的標誌之一。

Thermal energy 熱能量
熱圖像或熱分析圖,實際上是對象發射、傳輸和反射的紅外線能量的可視顯示。因為紅外線能量有多種來源,所以使用這種方法,很難獲得物體的準確溫度。

熱像攝影機能夠執行算法,來解釋該數據並生成圖像。儘管該圖像向觀察者顯示了,物體在該溫度下的近似溫度,但攝影機實際上是根據物體周圍的區域,使用多個數據源,來確定該值,而不是檢測實際溫度。


熱像圖(上圖)和普通照片(下圖)的比較表明,垃圾袋是透明的,但是玻璃(男人的眼鏡)在長波紅外中是不透明的。

考慮以下公式,這種現象可能會變得更加清楚:

入射輻射功率 = 輻射輻射功率 + 透射輻射功率 + 反射輻射功率;

其中入射輻射功率,是透過熱像攝影機,觀察時的輻射功率曲線。輻射輻射功率通常是要測量的;傳輸的輻射功率,是從遠端熱源穿過對象的輻射功率,並且;反射輻射功率,是從遠端熱源反射到對象表面的輻射功率。

這種現象無時無刻不在發生。這是一個稱為輻射熱交換的過程,因為輻射功率 x 時間等於輻射能。

該熱分析圖顯示了工業電氣保險絲盒中,端子上的過熱。

但是,在紅外線熱成像的情況下,可以使用上述方程式,來描述所使用的熱像端的光譜波長,通過頻段內的輻射功率。等式中描述的輻射熱交換要求,同樣適用於電磁光譜中的每個波長。

如果物體以比其周圍環境,更高的溫度輻射,則將按照熱力學第二定律中,所述的原理進行功率傳輸,並且功率將從暖到冷輻射。因此,如果熱譜圖中有一個涼爽的區域,則該物體將吸收由溫暖物體發出的輻射。

對象的發射能力稱為發射率,吸收輻射的能力稱為吸收率。在室外環境下,當試圖獲得準確的溫度讀數時,可能還需要考慮風的對流冷卻。

接下來,熱像攝影機將採用一系列數學算法。由於攝影機只能看到,肉眼無法檢測到的電磁輻射,因此它將在查看器中建立圖片,並記錄通常為 JPG 格式的可見圖片。

為了執行非接觸式溫度記錄的作用,攝影機將透過其發射率設置,來更改被查看對象的溫度。

可以使用其他算法來影響測量,包括傳輸媒介(通常是空氣)的傳輸能力,和該傳輸媒介的溫度。所有這些設置,將影響所查看對象溫度的最終輸出。

此功能使熱像攝影機,成為工業和商業中,維護機電系統的絕佳工具。透過小心使用正確的攝影機設置,以及在捕獲圖像,可以掃描電氣系統並發現問題。蒸汽加熱系統中,疏水閥的故障,很容易找到它的位置。

在節能領域,紅外線熱像攝影機可以做更多的事情。因為它可以看到物體的有效輻射溫度,以及該物體所輻射的方向,所以它還可以幫助定位熱洩漏源和過熱區域。

人類所持蛇的熱像圖

Emissivity 發射率
發射率是一個經常被誤解和濫用的術語。它代表了材料發出熱輻射的能力,是物質的光學特性。

每種材料具有不同的發射率,可能隨溫度和紅外線波長而變化。例如,清潔的金屬表面的發射率,在更長的波長下會降低;石英(SiO2)、藍寶石(Al2O3)、氟化鈣(CaF2)等許多電材料媒介的發射率,會隨著波長的增加而增加;諸如氧化鐵(Fe2O3)之類的簡單氧化物,在紅外線光譜中,顯示出相對平坦的發射率。

材料的發射率的範圍,可以從理論 0.00(完全不發光)到同樣理論 1.00(完全發光)。低發射率物質的一個例子是銀,發射係數為 .02。具有高發射率的物質的案例是瀝青,其發射率係數為 0.98。

黑體是發射率為 1 的理論物體,它輻射出其接觸溫度的熱輻射特性。即,如果熱均勻的黑體輻射器的接觸溫度為 50°C(122°F),則黑體將發出 50°C(122°F)的熱輻射特性。

普通物體發出的紅外線輻射,少於理論上的黑體。它的實際發射量,與(黑體的)理論發射量的比例,是其發射率(或發射率係數)。

風箏空中熱像圖揭示了草地運動場上/下的特徵。 涉及熱慣性和不同的蒸騰作用/蒸發作用

為了使用紅外線成像攝影機,對物體進行溫度測量,有必要估算或確定物體的發射率。為了快速工作,熱成像人員可以參考,給定類型的物體的發射率表,並將該值輸入到成像器中。然後,成像儀將根據從表中輸入的值,和成像儀檢測到的物體紅外輻射的發射量,計算出物體的接觸溫度。

為了獲得更準確的溫度測量,操作熱成像人員,可以將已知高發射率的標準材料,施加到物體表面。標準材料可能與專門為此目的,生產的工業發射率噴霧一樣複雜,也可能像標準黑色絕緣帶一樣簡單,發射率約為 0.97。

然後可以使用標準發射率,測量對象的已知溫度。如果需要,可以透過將成像器的設置,調整到已知溫度,來確定對象的實際發射率(在對象的未被標準材料覆蓋的部分上)。

但是,在某些情況下,由於危險或無法進入的條件,而無法進行這種發射率測試。在這種情況下,熱成像師必須依靠溫度表列。

UAS 瑞士太陽能電池板陣列的熱成像

與紅外膠片的區別
IR 膠片對 250 至 500°C(482 至 932°F)範圍內的紅外線(IR)輻射敏感,而熱成像範圍約為 -50 至 2,000°C(-58 至 3,632°F)。 因此,要使 IR 膠片進行熱敏成像,必須高於 250°C(482°F)或反射至少熱的東西的紅外線輻射。

夜視紅外線設備,在近紅外線範圍內成像,僅在視覺光譜範圍之外,並且可以在完全可見的黑暗中,看到發射或反射的近紅外圖像。 但是,由於高溫的要求,它們通常不用於熱成像,而是與有源近紅外線光源一起使用。

星光型夜視設備,通常只能放大環境光。

被動與主動熱成像
高於絕對零溫度(0 K)的所有物體,都會發出紅外線輻射。因此,測量熱變化的一種極好的方法,是使用紅外線視覺設備,通常是焦平面陣列(FPA)紅外線攝影機,能夠檢測中波( 3 至 5μm)和長波( 7 至 14μm)的輻射,對應於兩個高透射率紅外線窗口的波段,表示為 MWIR 和 LWIR。物體表面的溫度曲線異,常表示存在潛在問題。

在被動式熱成像中,感興趣的特徵,自然處於比背景更高,或更低的溫度下。被動式熱成像技術有很多應用,例如現場人員監視和醫學診斷(特別是熱學)。

在主動熱成像中,需要能量源,以在感興趣的特徵和背景之間,產生熱反差。鑑於被檢查的零件,通常與周圍環境處於平衡狀態,因此在許多情況下,必須採用主動方法。

安裝在 AR-15 步槍上的 AN / PAS-13 步槍瞄準鏡

考慮到黑體輻射的超線性,有源熱成像技術,還可用於提高成像系統的解析度,使其超過衍射極限,或實現超解析度顯微鏡。

優點
它顯示了可視圖像,因此可以比較大面積的溫度。它能夠即時捕獲運動目標。它能夠發現變質,即在失效之前,具有較高溫度的組件。 它可用於測量或觀察其他方法,無法接近或危險的區域。 

這是一種非破壞性的測試方法。 它可用於查找軸、管道,以及其他金屬或塑料零件中的缺陷。 它可用於檢測黑暗區域中的物體。 它具有一些醫學應用,主要是在物理治療中。

局限和缺點
各種攝影機有的很便宜,有的卻更貴。由於較大的像素陣列(最先進的 1280 x 1024 )的代價,高品質的攝影機,通常具有較高的價格範圍(通常為 3,000 美元或更高),而較便宜的型號(具有 40 x 40 至 160 x 120 像素的像素陣列)的價格範圍通常較低。較少的像素會降低圖像品質,從而使在同一視場內,分辨附近目標更加困難。

刷新率也有所不同。在無全螢幕模式下,某些攝影機的刷新值,可能僅為 5 –15 Hz,其他(例如 FLIR X8500sc)為 180 Hz 甚至更高。

鏡頭也可以是整合式或非整合式。


許多型號不提供,用於建構輸出圖像的輻照度測量值。在沒有正確校準發射率、距離、環境溫度和相對濕度的情況下,丟失這些資訊,將導致所得圖像,本質上是對溫度的不正確測量。

當基於某些物體(尤其是溫度不穩定的物體)時,圖像可能難以準確地解釋,儘管在主動熱成像中,可以減少此問題。

熱像攝影機根據接收到的輻射熱能,創建熱圖像。由於輻射水準受輻射(例如來自被測表面的太陽光)的發射率和反射的影響,因此會導致測量誤差。

大多數攝影機的溫度測量精度,為 ±2% 或更差,並且不如接觸方法準確。方法和儀器僅限於直接檢測表面溫度。


熱成像攝影機的應用領域
狀態監測\低坡度和平屋頂檢查\建築物診斷(包括建築物圍護結構檢查,濕度檢查和建築物中的能量損失)\熱圖\醫療保健中的數位紅外線熱成像\醫學影像\非接觸式熱成像,接觸式熱成像和動態血管熱成像\周圍血管疾病的篩查\神經肌肉骨骼疾病\顱外腦血管和麵部血管疾病\甲狀腺異常\其他各種贅生性,代謝性和炎症性疾病\考古風箏航空熱像儀\熱學\獸醫熱成像\夜視和瞄準\無人機監視\立體視覺研究\過程控制\非破壞性測試\安全,執法和國防監督\化學成像\火山學\建築

本影片為禾企電子提供

紅外線熱像攝影機,將紅外線波長的能量轉換為可見光。 絕對值零以上的所有物體,都會發射熱紅外線能量,因此,無論環境光線如何,熱像攝影機都可以被動地,看到所有物體。 但是,大多數熱像攝影機只能看到比 -50°C(-58°F)高的物體。

熱輻射的光譜和數量,在很大程度上,取決於物體的表面溫度。 這使得熱像攝影機可以顯示物體的溫度。但是,其他因素也會影響輻射,從而限制了此技術的準確性。 

例如,輻射不僅取決於物體的溫度,而且還取決於物體的發射率。 而且,輻射來自周圍環境並在物體中反射,並且來自物體的輻射和反射的輻射,也將受到大氣吸收的影響。

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