文解析熱成像儀作原理以及發(fā)展歷程

發(fā)展歷程

　　"紅外線(xiàn)"詞源于"past red"，是出紅色之外的意思，表示該波長(cháng)在電磁輻射頻譜中所處的位

　　置。"thermography"詞是采用同根詞生成的，意思是"溫度圖像"。熱成像的起源歸于德天文學(xué)家 Sir William Herschel，他在 1800 年使用太陽(yáng)光做了些實(shí)驗。Herschel 讓太陽(yáng)光穿過(guò)個(gè)棱鏡并在各種顏色處放置溫度計，利用靈敏的水銀溫度計測量每種顏色的溫度，結果發(fā)現了紅外輻射。Herschel 發(fā)現，當越過(guò)紅色光線(xiàn)入他稱(chēng)為"暗紅熱"區域時(shí)，溫度便會(huì )升。"暗紅熱"即是現在人們所說(shuō)的紅外熱能，處于被稱(chēng)為電磁輻射的電磁波頻譜區域。

　　二十年后，德物理學(xué)家 Thomas Seebeck 發(fā)現了溫差電效應。在該發(fā)現的基礎上，意大利物理學(xué)家Leopoldo Nobili 于 1829 年發(fā)明了熱量倍增器(即早期版本的熱電偶)。這種簡(jiǎn)單的接觸式設備的作原理是兩個(gè)異種金屬之間的電壓差會(huì )隨著(zhù)溫度的變化而變化。過(guò)了不久，Nobili 的合作伙伴 Macedonio Melloni 把熱量倍增器改為熱電堆(以串聯(lián)方式安裝熱量倍增器)并將熱輻射集于熱電堆上，這樣，他可以檢測到 9.1 米(33 英尺)遠處的人類(lèi)體熱。

　　1880 年，美天文學(xué)家 Samuel Langley 使用輻射熱檢測儀探測到 304 米(1000 英尺)以外的牛的體熱。輻射熱檢測儀測量的不是電壓差異，而是與溫度變化有關(guān)的電阻變化。Sir William Herschel 的兒子 Sir John Herschel 于 1840 年使用名為"蒸發(fā)成像儀"的設備制作出幅紅外圖像。熱圖像是薄油膜的蒸發(fā)量差異形成的，可以借助油膜上反射出的光線(xiàn)行查看。

　　熱像儀是種無(wú)需與設備直接接觸便可檢測出紅外波長(cháng)頻譜中的熱圖案的設備。早期型號的熱像儀稱(chēng)為"光導探測器"。從 1916 年至 1918 年，美發(fā)明家 Theodore Case 利用光導探測器做實(shí)驗，通過(guò)與光子(而不是熱能)直接交互作用產(chǎn)生信號，終發(fā)明了速度更快、更靈敏的光導探測器。20 紀四十年代和五十年代期間，為了滿(mǎn)足日益增長(cháng)的*事應用域的需求，熱成像術(shù)不斷演變，取得了長(cháng)足的發(fā)展。德科學(xué)家發(fā)現，通過(guò)冷卻光導探測器可以提整體性能。

　　直到 20 紀六十年代，熱成像術(shù)才被用于非*事應用域。雖然早期的熱成像系統很笨重、數據采集速度緩慢而且分辨率不佳，但它們還是被用于業(yè)應用域，例如檢查大型輸配電系統。

　　20 紀七十年代，*事應用域的持續發(fā)展就了個(gè)便攜式系統。該系統可用于建筑診斷和材料無(wú)損測試等應用域。20 紀七十年代的熱成像系統結實(shí)耐用而且非?？煽?，但與現代熱像儀相比，它們的圖像質(zhì)量不佳。到 20 紀八十年代初期，熱成像術(shù)已廣泛應用于療、主流行業(yè)以及建筑檢查域。經(jīng)過(guò)校準后，熱成像系統可以制作的輻射圖像，這樣便可測量該圖像中意位置的輻射溫度。輻射圖像是包含圖像內各點(diǎn)處的溫度測量計算值的熱圖像。

　　安可靠的熱像儀冷卻器經(jīng)過(guò)改，取代了沿用已久的用于冷卻熱像儀的壓縮氣或液化氣。

　　此外，人們還開(kāi)發(fā)并大量生產(chǎn)了成本較低、基于管道的熱電光導攝像管 (PEV) 熱成像系統。

　　雖然不能行輻射測量，但 PEV 熱成像系統輕巧靈便、攜帶方便，而且無(wú)需冷卻便可操作。

　　20 紀八十年代后期，種稱(chēng)為焦平面陣列 (FPA) 的新設備從*事應用域轉移至商業(yè)市場(chǎng)。焦平面陣列 (FPA) 是種圖像傳感設備，由位于鏡頭焦平面處的紅外傳感探測器的陣列(通常為矩形)組成。

　　這大大改了原始的掃描式探測器，從而提了圖像質(zhì)量和空間分辨率?，F代熱像儀上的典型陣列的像素范圍為:16 × 16 至 640 × 480。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，像素是可以檢測紅外能量的 FPA 的小立元素。對于殊應用場(chǎng)合，陣列的像素可以達到 1000 × 1000 以上。

　　個(gè)數字代表每個(gè)垂直列中的像素數，二個(gè)數字代表屏幕上顯示的行數。例如，160 × 120 陣列的總像素為 19,200 (160 像素 × 120 像素 = 19,200 總像素)。自 2000 年以來(lái)，使用多個(gè)探測器的 FPA 術(shù)的發(fā)展不斷加快。長(cháng)波熱像儀用于檢測 8 μm 至 15 μm 波長(cháng)范圍內的紅外能量。微米 (μm) 是個(gè)長(cháng)度測量單位，等于 1 毫米(0.001 米)的千分之。中波熱像儀用于檢測 2.5 μm 至6 μm 波長(cháng)范圍內的紅外能量。長(cháng)波和中波熱成像系統均提供面的輻射型號，圖像融合度和熱靈敏度通常為 0.03SDgrC (0.054SDgrF) 或更低。這些系統的成本在過(guò)去十年間降低了十倍以上，但質(zhì)量得到了大幅度提升。此外，用于圖像處理的計算機軟件的應用也有了顯著(zhù)的發(fā)展?，F在，幾乎所有商業(yè)類(lèi)型的紅外系統均使用軟件來(lái)協(xié)助分析和撰寫(xiě)報告。報告可快速生成并在互聯(lián)網(wǎng)上以電子形式發(fā)，或以種常見(jiàn)格式(例如 PDF)保存，而且還可以刻錄在多種數字存儲設備上

　　 作原理

　　紅外熱像儀是門(mén)使用光電設備來(lái)檢測和測量輻射并在輻射與表面溫度之間建立相互聯(lián)系的科學(xué)。輻射是

　　輻射能(電磁波)在沒(méi)有直接傳導媒體的情況下移動(dòng)時(shí)發(fā)生的熱量移動(dòng)?，F代紅外熱像儀的作原理是使用光電設備來(lái)檢測和測量輻射，并在輻射與表面溫度之間建立相互聯(lián)系。所有于對零度(-273℃)的物體都會(huì )發(fā)出紅外輻射。紅外熱像儀利用紅外探測器和光學(xué)成像物鏡接受被測目標的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，這種熱像圖與物體表面的熱分布場(chǎng)相對應。通俗地講紅外熱像儀就是將物體發(fā)出的不可見(jiàn)紅外能量轉變?yōu)榭梢?jiàn)的熱圖像。熱圖像的上面的不同顏色代表被測物體的不同溫度。通過(guò)查看熱圖像，可以觀(guān)察到被測目標的整體溫度分布狀況，研究目標的發(fā)熱情況，從而行下步作的判斷。人類(lèi)直都能夠檢測到紅外輻射。人體皮膚內的神經(jīng)末梢能夠對低達±0.009°C (0.005°F) 的溫差作出反應。雖然人體神經(jīng)末梢其敏感，但其構不適用于無(wú)損熱分析。例如，盡管人類(lèi)可以憑借動(dòng)物的熱感知能力在黑暗中發(fā)現溫血獵物，但仍可能需要使用更佳的熱檢測具。由于人類(lèi)在檢測熱能方面存在物理結構的限制，因此開(kāi)發(fā)了對熱能非常敏感的機械和電子設備。這些設備是在眾多應用中檢查熱能的標準具。