热成像仪的基本原理

红外热像仪测试原理

红外热像仪测试原理是由图像传感器(微测辐射热仪)探测出被测物发出的红外线能量，将其转换成电信号，并用彩色或黑白图像显示出来。

1）红外线

红外线和可见光及无线电波一样是一种电磁波。红外线的波长比可见光长，比无线电波短，为0.78~1000μm。按波长划分可分为近红外，中红外和远红外区域。这种区分方法有多种，可能会稍有区别。

只要物体的温度高于绝对零度，由于物体表面的原子和分子运动会发出红外线能量。

2）黑体辐射

黑体是指完全吸收入射能量，在整个波长和温度范围内，辐射强度最大的物体。黑体的吸收系数α与辐射率ε相等，α=ε=1。

实际上，任何物体都不是黑体，通常，物体的辐射率为黑体的e倍（e<1）。

3）黑体类型和辐射率

黑体是指吸收所有入射光线而不反射或透射的物体。因为不反射而称为黑体。实际上，黑体只是一种理论上的假设，实际物体仅能接近为黑体和黑体紧密相关的一个定律是Kirchhoff 定律，它定义了反射，透射、吸收和入射之间的关系。

由于吸收等于辐射，所以辐射也可用反射和传导来表达。为了获得物体真实的温度，需要得到正确的辐射率。因此，物体的辐射率必须使用尽可能接近黑体的等效黑体来测量。需要设计等效黑体，使其满足Kirchhoff指定的条件：等温封闭的辐射是黑体辐射。用于测量的等效黑体必须是在封闭的表面的外侧的辐射，因此从封闭体的壁上开一个小孔并且不要影响黑体构成的条件，从这个孔的辐射就可以近似视为黑体的辐射。当孔径是2r，深度是L，如果L/r大于或等于6，就是实际使用的等效黑体。

辐射率是物体向外部辐射能量和黑体辐射能量之比。辐射率随物体表面条件的变化而变化，也与温度变化和波长有关。如果该数值不准确，则无法测到准确的温度。换句话说，辐射率的改变或变化会引起热成像仪温度指示的改变。

要获得真实的温度：①辐射率必须接近1（测量对象必须近似于黑体）；②辐射率必须作校正（通过计算，测量对象的辐射率必须近似为1）。

因此，为了进行正确的温度测量，辐射率按如下方式确定。

a.通过查阅文献方法测量

各种文献都有这些物理常数可查，但当时的测量条件如果不能满足，这些常数也不能使用。此时，文献只能做参考。

b.使用比率确定（方法1）

使用接触式温度计，确认被测对象处于热均衡状态，等效黑体在相同温度下。然后用辐射温度计测量被测对象、测量等效黑体，此时能量比就是被测对象的辐射率。

EK﹕ES=1﹕X （3.5）

式中，EK——等效黑体的能量

ES——被测对象的能量

X——被测对象的辐射率

c.由比率来确定（方法2）

将黑体（黑体部件）和类似的测量对象连接到加热器，是黑体和测量对象温度均匀，得到此时的红外辐射能量。（同上面第2步）

d.比较黑体表面

在测量对象上钻一个小孔满足前面提到的黑体条件，使测量对象温度均匀。然后，使用热成像仪的辐射率校正功能，减少辐射率直到该点温度等于小孔中使用辐射率为1时测得的温

度。此时辐射率的设定值即为测试对象的辐射率。（仅适用于测量条件相同时）

e.黑体表面比较

如果不能在被测对象上开小孔，可以在被测对象上涂黑漆、让测量对象达到热均衡的方法得到辐射率。但是由于被涂黑漆的物体并非完全是黑体，首先要设定涂漆对象的辐射率，再测量温度。

4）噪音

在使用辐射温度计测量物体的温度时要特别注意的不仅是前面提到的辐射率校正，而且要注意测量的环境条件。进入到热成像仪的红外线不仅来自测量对象而且来自其他方面。因此，为了避免影响，要求有环境反射校正功能。当要求精确测量时，要使其影响减到最小。下面的方法可以用来消除背景噪声。

a.尽可能缩短测量对象与热成像仪入射窗口之间的距离。

b.在测量对象后面不要有高温物体。

c.例如：如太阳，此时测量人员需改变测量位置。

d.不要直接在阳光直接进入热成像仪。

e.不要有灰尘或蒸汽等障碍在测试对象和热像仪之间，这样会减弱仪器得到红外辐射。

现场缺陷检测方法

采用红外摄像法进行建筑围护结构热工缺陷的定性检测，必须满足现场检测的要求。红外热像仪及其温度测量范围应符合现场测量要求。红外摄像仪传感器的使用波长应处在8.0～14.0μm之内，传感器分辨率不应低于0.1℃，其测量不确定度应小于0.5℃。

检测应在建筑物供热（供冷）系统稳定运行后进行，且检测应避开气候剧烈变化天气。红外检测结果准确与否，与发射率的选择、建筑物周边是否有障碍物或遮挡、距离系数的大小、气候因素、环境的影响等因素有关。在气温或者风的变化较明显时，都要对户外检测结果造成影响。为防止气候影响，必要时应采取遮挡措施。环境中的粉尘、烟雾、水蒸气和二氧化碳会吸收红外辐射能量，影响测量结果，在户外检测应采取措施避开粉尘、烟雾，力求测距短、宜在无雨、无雾、空气湿度低于75％的情况下进行检测。一般情况下，太阳直射对检测结果是有影响的。由于本标准对建筑物室外热工缺陷采用温差判断法检测，太阳辐射的影响可以消除，因此可对太阳辐射的影响不作要求。

检测前，应采用表面式温度计在所检测的外围护结构表面上测出参照温度，调整红外热像仪的发射率，使红外热像仪的测定结果等于该参照温度；应在与目标距离相等的不同方位扫描同一个部位，检查临近物体是否对受检的外围护结构表面造成影响，必要时可采取遮挡措施或者关闭室内辐射源。用红外热像仪对围护结构进行检测时，为了消除发射率设置误差，需要对实际发射率进行现场测定。测定发射率的方法很多，现场诊断过程中主要采用涂料法和接触温度法。本标准规定采用接触温度法，即采用表面式温度计在所检测的围护结构表面上测出参照温度，依此温度来调整红外热像仪的发射率。在实际检测中，也可以在热谱图分析时，通过软件调整发射率，使红外热像仪的测定结果等于参照温度。为了便于检查数据，防止数据处理出现错误，本标准要求在红外热谱图上应标明参照温度的位置，并随热谱图一起提供参照温度的数据。红外检测时，临近物体对被测围护结构产生显著影响的情况有两种，一种是被测围护结构表面的粗糙度很低，它的发射率也很低，而反射率高；另一种情况是临近物体相对于被测围护结构表面的温差很大（如散热器或空调设备）。这两种情况都会在被测的围护结构表面上产生一个较强的发射辐射能量。从不同方位拍摄的目的是为了消除邻近辐射体的影响。遇有被测围护结构表面的粗糙度很低及临近物体相对于被测的围护结构表面的温差很大时，要注意选择仪器的测试位置和角度，必要时，采取遮挡措施或者关闭室内辐射源。

用红外摄像仪对围护结构进行检测之前，应首先对围护结构进行普测，然后对可疑部位进行

详细检测。对实测热像图进行分析并判断是否存在热工缺陷以及缺陷的类型和严重程度，可通过与参考热像图的对比进行判断，必要时可采用内窥镜、取样等方法进行认定。围护结构表面缺陷宜采用温差来判定，其原因在于，，表面红外检测受到气候因素及环境因素影响较大，要消除这些因素的影响，往往给检测带来很多限制，影响检测的效率。如果不采用温度，而采用温差来作为评估的依据，则可以消除气候因素及环境因素的影响。另外，围护结构外表面缺陷主要是相对主体区域而言的，采用红外热像仪，主体区域平均温度很容易确定，因此采用主体区域平均温度作为比较的基础，而温差在红外热像图上很容易观察到，因此将温差作为热工缺陷的判断依据之一，并可配合内窥镜、取样等方法进行认定。