1、6.3 红外检测的基本方法红外检测:（1）被动式红外检测；（2）主动式红外检测 ，又分为单面法和双面法。 红外检测中对被测目标的加热方式分为：（1）稳态加热；（2）非稳态加热。红外检测仪器的安装和运载方式有固定式、便携式、车载式、机载式。 6.3.1 被动式红外检测 被动式指进行红外检测时不对被测目标加热，仅仅利用被测目标的温度不同于周围环境温度的条件，在被测目标与环境的热交换过程中进行红外检测的方式。被动式红外检测应用于运行中的设备、元器件和科学实验中。由于它不需要附加热源，在生产现场基本都采用这种方式。 6.3.2 主动式红外检测 主动式红外检测是在进行红外检测之前对被测目标主动加热，加热
2、源可来自被测目标的外部或在其内部，加热的方式有稳态和非稳态两种，红外检测根据不同情况可在加热过程当中进行，也可在停止加热有一定延时后进行。 （1）、单面法 ： 对被测目标的加热和红外检测在被测目标的同一侧面进行。 （2）、双面法： 相对于上述的单面法而言，双面法是把对被测目标的加热和红外检测分别在目标的正、反两个侧面进行。 6.3.3 加热方式 6.3.3.1 稳态加热 将被测目标加热到其内部温度达到均匀稳定的状态时，再把它置放于一个低于（或高于）该恒定温度的环境中进行红外检测。这种方式多用于材料的质量检测，如被测物内部有裂纹、孔洞或脱粘等缺陷时，则被测物与环境的热交换中热流将受到缺陷的阻碍，
3、其相应的外表面就会产生温度的变化，与没有缺陷的表面相比则会出现温差。 6.3.3.2 非稳态加热 对被测目标加热，不需要使其内部温度达到均匀稳定状态，而在它的内部温度尚不均匀、具有导热的过程中即进行红外检测。如将热量均匀地注入被测目标，热流进入内部的速度要由它的内部状况决定，若内部有缺陷，则会成为阻挡热流的热阻，经一定时间会产生热量堆积，在其相应的表面会产生热的异常。缺陷造成的热流变化取决于缺陷的位置、走向、几何尺寸和材料的热物理性能。 6.3.4 红外检测仪器的安装和运载 方式 6.3.4.1 固定式 用于对旋转型（如窑炉）设备故障的检测、关键设备的检测和生产线上产品工艺、质量的检测。 6.
4、3.4.2 便携式 便携式的红外检测仪器应用十分广泛，在日常巡检、定期普测、配合设备检修和跟踪监测中都要使用（主要使用或配合使用）便携式仪器。 6.3.4.3 车载式 在进行设备的定期普测时，由于被测设备数量多、检测路线长，必须采用车载式检测。车载式是把热像仪装载在汽车（或其他车辆）上，可以使用两组测距不同的镜头摄取远、近两处设备的图像；对于汽车不能到达的目标，则步行到位检测；车内有图像监视器显示，操作者发现异常（包括需要立即检修和进一步调查检测两种情况），则立即在车上记录并打印，及时向主管人员递交红外检测报告；遇有紧急情况需要及时处理时，可采用无线电电话取得联系。 6.3.4.4 机载式 对
5、于需要在上空检测的目标，特别是极长距离，人员和车辆都不便到达的高山峻岭处的设备检测，应该采用直升飞机装载热像仪进行。6.4 红外测温仪表 6.4.1 红外测温仪表的分类及工作 原理 红外测温仪表主要是指测量目标表面某点温度的红外点温仪，它一般由光学系统、红外探测器、电信号处理机构、温度显示器及附属设备如瞄准器、电源、机械装置等部分所组成。按其工作原理，红外点温仪可分为全辐射测温仪、单色测温仪和比色测温仪三类。下图是红外点温仪的基本原理框图。 图6-11 红外点温仪的基本原理框图 6.4.1.1 全辐射测温仪 全辐射测温仪是收集目标发出的全波段红外辐射能量，经黑体标定并经修正后从而确定被测目标表
6、面温度的一种仪表。大多数红外点温仪都属于这种类型。 这种类型的测温仪表，如国产IRT-1200、IRT-3000、 HCW-1、HW-2、HD-400等型号的红外点温仪，其特点为结构简单，使用方便，但灵敏度较低，误差较大。这主要是因为其修正系数A的确定完全依赖于比辐射率的选定是否正确。由于影响比辐射率的因素比较复杂，而根据手册上在标准条件下提供的值有时与实测情况相去甚远，因而会造成较大误差。对于预定监测的目标，应预先测取实际的比辐射率或对目标表面喷涂已知比辐射率值的涂料以解决误差的问题。图6-12 全辐射测温仪原理图6-13 单色测温仪原理 6.4.1.2 单色测温仪 单色测温仪是在测温仪的光
7、学系统中加上单色滤光片，因而只能接收所选定波长的辐射能量，再经过黑体标定并经修正系数修正后而确定目标温度的。 6.4.1.3 比色测温仪 为克服比辐射率对修正系数的影响而造成误差，比色测温仪是采用了两组不同单色滤光片来接收两个相近的波长下的辐射，并利用其比值来确定目标温度的。 比色测温仪具有灵敏度高、不需要预置比辐射率值而误差较小等优点。但结构复杂价格相对较高。昆明物理研究所新推出的HCW-A型远距离红外测温仪就属于这种类型。其测温范围为0至300，测温距离为550m，距离系数可达400，已超过国外同类产品。 6.4.2 红外测温在设备诊断中的应用 红外监测技术最早是在军事应用中发展起来的，至
8、今，仍占主导地位，下面着重介绍红外技术在故障诊断和状态监测中的几个应用实例。 6.4.2.1 火车轴箱温度检测 火车车体的自重和载重都是由车辆的轴箱传递到车轮的。在火车运行中，由于机械结构、加工工艺、摩擦及润滑状态不良等原因，轴箱会产生温度过高的热轴故障，如不及时发现和处理，轻则得甩掉有热轴故障的车辆，重则导致翻车事故，造成生命危险和财产的损失。为防止“燃轴”事故，利用红外测温技术制成了“热轴探测仪”，可以方便精确地用以检测。仪器安放在车站外两侧，当火车通过时，探测器逐个测出各个车轴箱的温度，并把探测器输出的每一脉冲(轴箱温度的函数)输送到站内检测室，根据脉冲高低就可判断轴箱发热情况及热轴位置
9、，以便采取措施。目前，全国铁路90%的列检所安装了轴温红外探测仪，其准确率高达99 %。 6.4.2.2 航空发动机壳休红外无损缺陷主动探查 红外无损缺陷主动探查是用一外部热源对被检查物体进行加热，在加热的同时或以后，测量被检查物体表面温度或温度分布。加热物体时热量将沿表面流动，如果物体无缺陷，热流将是均匀的；如果有缺陷存在，热流特性将改变，形成热不规则区，从而可发现缺陷所在。 主动探查在材料和机械加工工业中有广泛的应用，如对多层复合材料、蜂窝材料中缺陷和脱胶等的探查，对焊接质量的检测等等。图6-14是单面法主动红外探查的原理，由CO2,激光器产生连续波，输出功率35W，通过红外望远镜在被查样
10、件表面聚焦以加热样件。将样件作匀速转动（图6-14a为平动，6-14b为转动)，激光在样件上形成热点，一小段时间后，由红外辐射计接收到样件的热辐射，将信号送到示波器或X-Y记录仪中用曲线表示出来，如图6-15所示。图6-14 主动红外探查（单面法）原理图图6-15 X-Y记录仪图6-16 发动机壳体缺陷和红外扫描记录 在航空发动机壳体，一般采用胶合夹层结构，缺陷可能发生在外壳和衬里之间的第一界面或在衬里和内壳之间的第二界面，如图6-16所示。 6.4.2.3 化工塔罐的检测 石化企业中的催化装置、裂化装置及联接管等都是与热关联的重要生产设备，因此都可以用红外热像仪来监测。热像中明亮过分的区域表
11、明材料或炉衬已因变薄而温度升高，因此由此可掌握生产设备的现场状态，为维修提供可靠信息。同时也可监视生产设备的有关沉积、阻塞、热漏、绝热材料变质及管道腐蚀等有关情况，以便有针对性地采取措施，保证生产正常进行。 6.4.2.4 检查焊接质量 将样件的温度高于室温，观察其热像图，在其热流路径上的物理物性反映在相应的温度分布图中，从而可以发现隐患。另外在未焊好的区域的摩擦导致发热，对应于这一产生摩擦的位置，样件外表面的热像将显示出一个高温区，可以确定未焊好部位的所在位置。 总之，红外无损检测技术正在不断地完善，在机械故障检测与诊断及其它领域发挥着越来越多的作用。6.5 红外热成像系统简介 红外热成像系
12、统是把目标发射和反射的热辐射，经红外探测器转换为电信号，经处理后再转换成可见光的二维图像的一种仪器设备。目前，热成像系统主要分两类。一类是光机扫描成像系统，称为红外热像仪。另一类是热释电红外摄像管成像系统，称为红外热电视。以下分别简要介绍其工作原理和应用概况。 6.5.1 光机扫描热像仪的工作原理 红外探测器在任意一个瞬间只能反映目标表面上一小部分的热辐射，即一个瞬时视场的热辐射，并立即输出一个与该瞬时辐射度成正比例的电信号，若通过一套由精密机械驱动的光学扫描部件，如多面反射棱镜，称为光机扫描装置，对目标表面的瞬时视场进行逐行扫描，则探测器响应足够快时就会连续输出电信号，经电子系统放大处理后送
13、到显示器上即可显示出与目标温度呈正比的黑白或彩色图象，称为热像图。图6-17为光机扫描热像仪的工作原理图。图6-17 光机扫描热像仪的工作原理 光机扫描热像仪开始出现于50年代，至80年代中期已发展成技术上最成熟，性能最好的一种热像仪。其中具有代表性的是瑞典AGEMA公司的产品。该公司60年代中期至80年代中期研制出四代系列产品，即AGA680，AGA750，AGA780和AGA782光机扫描型红外热像仪。图6-18为AG782的组成框图。图中红外扫描器由光机扫描系统和单元锑化钢(InSb)光子探测器组成。探测器置于杜瓦瓶双层外璧之间，由液氮致冷(77K)。数字或红外转换系统可将黑白图像转换成
14、10种颜色图像的实时系统。红外连接组件具有A/D转换器，可将红外辐射的模拟电信号转换为数字信号而输入计算机进行处理。图6-18 AG782红外热像仪的组成框图 光机扫描型热像仪的特点为其有较高的温度分辨率(0.10.3C)及空间分辨率(0. 5mrad)，可以比较精确地显示目标表面温度场的分布状况，其不足之处为测温温度不太高（士3%)。此外，由于单元探测器总像元数不足(100X280)，因此图像不够清晰。并有闪烁现象。同时因探测器需超低温致冷，因而价格昂贵，维修困难，给应用推广带来不便。 图6-19 电机红外成像 图6-19所示为车间某处电机红外成像，电机工作正常，但从红外成像中可以很清楚地看
15、到电机过热点，很清晰的对预防性维修检查提供了依据。图6-20 皮带传动红外成像 图6-20所示为车间某处皮带传动红外成像图，图中很清晰地看到了两条三角带温度对比，虽然运行正常，但很显然，红色三角带温度太高，不能长时间使用，需要检查调整。图6-21 油田现场实验结果 图6-21中可以明显地看出，红外管道探测仪可清晰地探测到肉眼所无法看到的埋地石油管道的位置及走向，并且其自动标识结果与实际情况完全相符。 6.5.2 非扫描型红外热像仪焦平面热像仪 焦平面热像仪革除了光机扫描热像仪复杂的光机扫描装置，它的红外探测器呈二维平面形状，自身具有电子自扫描功能，被测目标的红外辐射只需通过简单的物镜，就与照相
16、原理相似地将目标聚焦在底片上曝光成像，被测目标聚焦成像在红外探测器的阵列平面上，“焦平面阵列”即此含意。非扫描型焦平面热像仪的成像机理如图6-22所示。 图6-22 焦平面热像仪成像机理简图 6.5.2 红外热电视的工作原理 红外热电视的核心部件为热释电摄象管，另外还有扫描器、同步器、前置放大、视频处理以及电源、A/D转换、图像处理、显示器等。其结构简图如图6-23所示。由目标来的红外辐射经聚焦和斩光器的调制，在热释电靶面上成像。靶面上各点吸收强弱不同的辐射，产生不同的温差，使热释电晶体产生的自发极化程度也不同，从而释放的表面电荷也不同。这些表面电荷与扫描电子束相互作用而产生一视频信号输出，再
17、经放大处理后在阴极射线显像管上显示出来，此即热像图。这一过程如图6-24所示。图6-23 热释电摄像管结构示意图图6-24 红外电视原理 红外热视是60年代末期研制成功的，经二十多年的发展其技术性能方面已日益成熟。其最大的优点是其探测器不需超低温致冷而可在室温下工作，因此结构比较简单，操作也比较方便，且价格便宜(仅为光机扫描热像仪的四分之一左右)。但其温度分辨率和空间分辨率均不如光机扫描型热像仪。因此不能显示目标的精确温度分布图像，只能显示其“热像”。这在工业生产的一些情况或军事上的“夜视”还是非常有用的。近年来，随着热释电材料性能的改善及采用多元式结构探测器，已使红外热电视图像品质大有提高。
18、 总的说来，红外热成像技术研究的主要发展趋向是高灵敏度、高分辨率、大视场、更加轻便和智能化。为满足这些要求，在材料性能研究方面，光子探测器已从过去的光导硒化铅(PC-PbSe)及光伏锑化锢(PV-InSn)转向现代的光导碲偏汞(PC-HgCdTe)为主。为了研制性能更优越的新型探测器，目前研究的前沿已进入双色（3-5 m及8-14 m)及多色材料和高温超导材料的领城。 6.5.3 红外热电视的类型及其特点 红外热电视的分类主要取决于它的调制方式。 6.5.3.1 平移调制型 平移调制型红外热电视实际上并没有对接收的目标红外辐射进行调制，由于热释电靶面只对变化的入射辐射才有响应，因此使用平移调制
19、型红外热电视时，在观测运动中的目标时可以不动，仪器即可生成热像。而当观测静止不动的目标时，为了产生目标热图像，必须相对被测目标平移摇动仪器，显然这会给使用者带来不便。另外，平移调制型的热电视还会在热图像上产生拖尾和沾污现象，造成热像失真或清晰度不高，影响准确测温。但由于这种热电视的结构简单、灵敏度高、价格便宜，仍然在不少应用领域得到应用。 6.5.3.2 斩波调制型 斩波调制型红外热电视解决了平移调制型红外热电视对静目标观测时的不便，它比平移调制型热电视多了斩波调制盘及相应电路。它的原理结构框图见图6-25。图6-25 斩波调制红外热电视原理结构框图 为了在不摇动热电视的情况下，使静止不动的目
20、标红外辐射周期性地入射到释电管的靶面上，斩波调制型热电视引入了斩波调制盘转动，调制盘是一个在其边缘开孔的圆盘。当调制盘旋转时就实现了对红外入射辐射的调制，因而在热释电管靶面上的温度和表面电荷也随着产生周期性的变化，与此同时，经电子束扫描和处理后，即可输出目标表面温度分布的视频信号。图6-26 回转跟踪红外热电视成像原理 6.5.3.3 回转跟踪型 回转跟踪型热电视与平移调制型热电视的主要区别是在透镜与热释电管之间增加了一套回转机构。 回转机构由盘上开有半周小槽的齿轮圆盘、剖面为楔形的光楔片和传动部件组成。回转跟踪红外热电视的成像原理如图6-26所示。 6.5.3.4 瞬变调制器 瞬变调制型热电
21、视的工作方式类似于电子快门和照相的方式，它利用瞬时拍摄的一幅目标热图像，将其定格后进行分析，可以测量图像上任意一点的温度。定格后的图像稳定、无拖尾和沾污现象，便于用单片机进行处理，由于考虑了目标发射率和环境温度等参数的影响，因此准确度较高。但瞬变调制所获取的热图像不是目标的实时值，也不能连续地跟踪和照相，这是它的缺陷所在。 6.5.4 红外热电视的主要技术指标 为了合理选用和正确使用红外线热电视，应该了解它的主要技术指标。（1）测温范围 测温范围是指仪器测定的最低限与最高限的温度值范围。（2）工作模式 工作模式是指红外热电视的调制方式是平移调制型、斩波调制型还是其他方式。 （ 3）最小可辨温差
22、（又称温度分辨率） 最小可辨温度表示红外热电视对温度辨别的能力。（4）空间分辨率 空间分辨率是指红外热电视在任意空间下的温度分辨率。整机的空间分辨率参数包括物镜、摄像管、视频电路和显示器各个分辨率的综合，一般要大于或等于200电视线才会有比较好的效果，如果使用要求较高，应选用更高的线数。（5）目标辐射率范围 目标幅射率范围是指红外热电视测温的最大误差与仪器的量程之比。（6）测温准确度 测温准确度是红外热电视测温的最大误差与仪器的量程之比。（7）工作波段 主要指标有红外热电视的波长响应范围，一般是35m或814m。（8）红外物镜 主要指标有红外热电视镜头的焦距范围，一般用f/数来表示，即指焦距对
23、通光孔径的倍数，表示了物镜的视场角。（9）扫描制式 扫描制式是指显示器的电视制式，如我国的PAL制等。（10）显示方式 显示方式是指显示器为黑白的还是彩色的。（11）最大工作时间 最大工作时间是指红外热电视可以连续工作的时间。 6.5.5 红外线成像技术的设备诊断 方面的应用简介 从红外测温到红外成像是红外技术的一个重大发展，它使红外技术的应用更加深入和广泛。60年代红外热成像技术主要用于军事方面，如红外夜视，红外制导等。目前已广泛地用于各种工农业部门，并在设备诊断方面日益显示其重要作用。 红外热成像技术目前主要用于热设备比较集中和热故障比较多的冶金、石化和电力等部门中。其应用范围主要有以下几
24、方面。 6.5.5.1 用于生产工艺流程的监控 在冶金工业中如炼铁高炉炉顶投料面的温度分布，在铸钢连铸工艺中钢坯表面温度的分布及在轧钢中带钢温度的分布等对保证产品的质量和节约能源密切相关。但是在这些工艺流程中原料都是处于动态中或不可接近的状态下，因此使用红外热像仪是唯一可供选择的手段。西方工业发达国家如美、英、法、日等自80年代初以来已普遍采用了红外热像技术，以采用瑞典AGA系列红外热像仪为主。 我国在这方面起步较晚但发展很快,开始以引进技术力主，据统计1986年为止引进的AGA系列产品已超过40台。以后逐渐自行开发研制，取得一定成绩。例如宝山钢铁公司与上海技术物理研究所合作研制的高炉顶部炉料
25、热像仪已于1990年12月正式在1号高炉上运行。据报道其性能稳定，各项指标已超过原本引进的热像仪水平。此外，利用红外热像技术宝钢还进行了钢锭温度分布与加热炉温度控制关系的研究。武钢在钢水连铸设备中也进行了铸坯表面温度分布与冷却水量及拉模速度关系的研究，都取得了一定效果。 6.5.5.2 用于热设备绝热性能的监测 冶金工业中的各种冶金炉和石化工业中各种反 应塔等都是在高温或高温高压下工作的，其绝热性能的状况直接影响着生产的安全和维修的计划。采用热成像技术可以比较直观形象的显示出热设备大面积的温度分布状态，以便及时地发现热点，避免重大设备。这方面石化工业起步较早，在欧洲荷兰壳牌(Shell )石油
26、公司从70年代开始用AGA750红外热像仪检测该公司各项炼油设备的生产安全。以后发展为承包中东等许多国家炼油厂的生产安全。 我国近几年来很多炼油厂也开始了这方面的工作。例如1990年抚顺石化公司对所属三个炼油厂的三套催化、裂化装置的隔热衬性能用日本6T61红外热像仪进行监测，发现其中有四套有不同程度的故障，及时进行了处理，避免了意外停产损失。又例如兰州炼油厂从1987年开始使用AGA782进行红外监测，1988年及时发现该厂关键没备催化、裂化装置的再生器及铂重整及加氢装置的反应器的一个高温区，避免了一次突发性重大停产事故。 6.5.5.3 用于各种管道的热漏检测 冶金、石化企业中各种输热管道如
27、蒸汽、燃气、热风管道可长达数十公里。其热漏可造成大量能源损失。采用红外热像仪沿管道扫描并用录像带记录。回放时根据位置座标即可发现热漏点。美、英、日等国在这方面开展工作较早，并取得了良好效果。我国从1983年起步，首先由中科院力学研究所等单位与燕山石化总公司合作进行了输热管道热损失的研究，取得了一定成绩，现已逐步推广应用。 6.5.5.4 用于电气设备及高压输电线路热故 障的检测 电力部门是红外热像监测技术应用较早的部门。1985年前，全世界就有美、英、加等38个国家开展了这项工作。比较突出的事例是高压输电线的机载巡检。1969年美国电力局用直升飞机载AGA750热像仪以120km/h时速，80m高度对14000km 长的高压输电线进行巡俭，共发现100个可疑过热接点。大大提高了检测效率，克服了人工巡检费时、费力、效率又低的缺点。目前国外机载巡检已定为常规方法。我国从1982年也开始起步进行这项工作。1982年1986年西安热工研究所与河南电科所合作曾先后四次进行机载巡检，取得了很大经济效益。 以上应用仅仅是红外技术应用的很小一部分。除此以外，在其他领域如红外遥感、红外制导、红外隐身、红外报警、红外加热、红外控制 等尚有广阔的研究和应用的天地。谢谢
