紅外線檢測的原理及缺點

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紅外線檢測的原理及缺點

發表於 2019-03-31 10:09:40

無損檢測技術方法中的紅外線檢測（紅外輻射檢測）的實質是利用物體輻射紅外線的特點進行非接觸的紅外溫度記錄法。

紅外線是一種電磁波，具有與無線電波及可見光一樣的本質，波長在0.76～100μm之間，按波長的範圍可分為近紅外、中紅外、遠紅外、極遠紅外四類，它在電磁波連續頻譜中的位置是處於無線電波與可見光之間的區域。紅外線輻射是自然界存在的一種zui為廣泛的電磁波輻射，它是基於任何物體在常規環境下都會產生自身的分子和原子無規則的運動，並不停地輻射出熱紅外能量，分子和原子的運動愈劇烈，輻射的能量愈大，反之，輻射的能量愈小。

一切溫度在零度（-273.15K°）以上的物體，都會因自身的分子運動而不停地向周圍空間輻射出紅外線，物體的紅外輻射能量的大小及其按波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的關係。通過紅外線輻射的探測器將物體輻射的功率信號轉換成電信號後（對物體自身輻射的紅外能量的測量），就能準確地測定它的表面溫度，或者通過成像裝置的輸出信號就可以完全一一對應地模擬掃描物體表面溫度的空間分布，經電子系統處理，傳至顯示屏上，得到與物體表面熱分布相應的熱像圖。運用這一方法，便能實現對目標進行遠距離熱狀態圖像成像和測溫並進行分析判斷，亦即紅外輻射檢測的基本原理。

普朗克黑體輻射定律：黑體是一種理想化的輻射體，它吸收所有波長的輻射能量，沒有能量的反射和透過，其表面的發射率為1。雖然自然界中並不存在真正的黑體，但是為了弄清和獲得紅外輻射分布規律，在理論研究中必須選擇合適的模型，這就是普朗克提出的體腔輻射的量子化振子模型，從而導出了普朗克黑體輻射的定律，即以波長表示的黑體光譜輻射度，這是一切紅外輻射理論的出發點，故簡稱黑體輻射定律。

自然界中存在的實際物體，幾乎都不是黑體。所有實際物體的輻射量除依賴於輻射波長及物體的溫度之外，還與構成物體的材料種類、製備方法、熱過程以及表面狀態和環境條件等因素有關。因此，為使黑體輻射定律適用於所有實際物體，必須引入一個與材料性質及表面狀態有關的比例係數，即發射率。該係數表示實際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，其值在零和小於1的數值之間。根據輻射定律，只要知道了材料的發射率，就知道了任何物體的紅外輻射特性。

根據材料的熱擴散率（發射率）：a=k/（ρ·c），式中：k-材料的導熱率；ρ-材料質量體密度；c-材料的比熱

可知熱擴散率（發射率）與材料性質有關。對於均勻無缺陷的材料，a為常數。當在均勻材料中有缺陷存在時，缺陷相當於具有另一熱擴散率的材料，因而有缺陷部分與無缺陷部分的熱狀態不同，表現在材料表面有不同。熱傳導的差異在材料表面形成時間和空間上的溫度梯度，即溫度擾動：△T=Tf-T，式中：△T-溫度擾動；Tf-有缺陷處的材料表面溫度；T-無缺陷處的材料表面溫度。△T不僅與材料的熱擴散率有關，而且與缺陷的幾何尺寸和埋藏深度有關。

當材料表面的溫度差大於紅外熱象儀的zui小可測溫度時，即可在熱象儀上觀察試件表面溫度分布的熱圖像，分析判斷材料中是否存在缺陷，從而達到檢測目的。也就是說：影響發射率的主要因素與材料種類、表面粗糙度、理化結構和材料厚度等相關。

如果通過在試件背面或正面加熱（人工或自然加熱），從而向被檢試件注入一定的熱量（主動式），以便進行的紅外檢測屬於主動式紅外檢測。依靠物體自身熱輻射而對其溫度場被動成象的紅外檢測屬於被動式紅外檢測。例如利用試件自身存在的熱源（被動式），當試件內部存在缺陷時，因為缺陷的導熱性與母體材料的導熱性有差異，可以測量這種差異從而檢出缺陷。

目前zui常用的紅外檢測方式仍以被動式紅外檢測為多。被動式紅外檢測除了在工業上用於設備、構件等的熱點檢測外，在軍事上應用如紅外夜視儀、紅外瞄準鏡等，在醫學上可應用於檢查人體溫度異常區域，例如2003年的薩斯（SARS）流行期間安置於機場、車站等人流密集的地方監視人體額頭部位有無發熱就是一個典型的應用實例。

紅外檢測（紅外診斷技術）是一種在線監測的檢測技術，它集光電成像技術、計算機技術、圖像處理技術於一身，通過接收物體發出的紅外線（紅外輻射），將其熱像顯示在螢光屏上，從而準確判斷物體表面的溫度分布情況，具有準確、實時、快速等優點。任何物體由於其自身分子的運動，不停地向外輻射紅外熱能，從而在物體表面形成一定的溫度場，俗稱「熱像」。紅外診斷技術正是通過吸收這種紅外輻射能量，測出設備表面的溫度及溫度場的分布，從而判斷設備發熱情況。目前應用紅外診技術的測試設備比較多，如紅外測溫儀、紅外熱電視、紅外熱像儀等等。紅外熱電視、紅外熱像儀等設備利用熱成像技術能將這種看不見的「熱像」轉變成可見光圖像，使測試效果直觀，靈敏度高，能檢測出設備細微的熱狀態變化，準確反映設備內部、外部的發熱情況，可靠性高，對發現設備隱患非常有效。紅外熱成像系統已經在電力、消防、石化以及醫療等領域得到了廣泛的應用。

紅外測溫技術在產品質量控制和監測、設備在線故障診斷、安全保護以及節約能源等方面發揮了重要作用。

紅外檢測技術的優點是能非接觸遙控測量，直接顯示實時圖像，靈敏度較高，檢測速度快。紅外熱象儀結構簡單，使用安全，信息數據處理速度快，並能實現自動化檢測和*性記錄，在檢測時受試件表面光潔度影響小等。因此，紅外檢測已廣泛應用於金屬、非金屬構件，尤其適用於導熱係數低的材料，如檢測複合材料、膠接結構和疊層結構中的孔洞、裂紋、分層和脫粘類缺陷，還可用於聚合物、橡膠、尼龍、膠紙板、石棉、有機玻璃、水泥製品、陶瓷等的質量檢測，對固體火箭發動機整體或殼體、航空發動機噴管、渦輪葉片、電子儀器的整機或組件（如印刷電路板、集成電路塊等）的溫度監控，可以檢查元件的質量、釺焊質量及工作狀態，並且在電力設備（如發電機組的換向觸點、變壓器、高壓瓷瓶、高壓開關與觸頭、輸變電線路等）的熱點檢測、鐵路車輛的熱軸檢測、建築工程中牆體構造異常和牆飾面層質量的檢測，以及石油化工、採暖、節能等多方面都獲得了應用。

紅外檢測的缺點是由於檢測靈敏度與熱輻射率相關，因此受試件表面及背景輻射的幹擾，受缺陷大小、埋藏深度的影響，對原試件解析度差，不能測定缺陷的形狀、大小和位置。在檢測時對時間-溫度關係要求嚴格，需要使用如液氮冷卻的探測器（新型的紅外熱象儀已經不需要採用液氮或高壓氣冷卻，而以熱電方式致冷，可用電池供電），檢測結果的解釋比較複雜，需要有參考標準，檢測操作人員需要經過培訓等。新一代的紅外熱象儀已經能夠將溫度的測量、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、精度和可靠性都得到了顯著的提高。

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