现代检测技术3

1机械工程学院 机械装备及控制系 第三章 红外检测与诊断技术 第一节 红外技术的基本概念 红外线是一种电磁波。因此具有电磁辐射的特点： l波动性 l传输不需要介质 l红外辐射就是热辐射 红外线也是一种光线。 但是人眼看不见的光线，具有粒子性，对红外线 的研究也属于光学范畴。 2机械工程学院 机械装备及控制系 3机械工程学院 机械装备及控制系 4机械工程学院 机械装备及控制系 红外线与光线的区别（1） 人眼对红外线不敏感，一般CCD敏感光谱波长在400～ 500nm，红色在600nm，红外线光谱为700nm－1mm。 5机械工程学院 机械装备及控制系 红外线与光线的区别（2） n 红外线的光量子能量比可见光的小，例 如：10μm波长的红外光的能量大约是 可见光光子能量的1/20。 n 红外线的热效应比可见光要强得多 n 红外线更容易被物质所吸收 6机械工程学院 机械装备及控制系 技术难点： 红外技术的发展关键在于： l红外材料的研制 l红外设备的制冷 l红外设备向更长波段发展 l红外焦平面阵列器件的研制 l红外设备与数据处理设备的结合 7机械工程学院 机械装备及控制系 n 红外技术的发展和现状：自从1800年英国天文 学家F·W·赫歇尔发现红外辐射至今，红外技术 的发展经历了两个世纪。从60年代中叶起，红外 探测器和系统的发展体现了红外技术的现状及发 展方向。 （1）探测器已从单元发展到多元，从多元发展到焦平 面阵列。 （2）红外探测器的工作波段从近红外扩展到远红外。 （3）轻小型化。非致冷、集成式、大面阵红外探测器 方向发展。高效小型制冷器和无需制冷的红外探测器 将是今后的发展方向。 （4）红外探测系统从单波段向多波段发展。 8机械工程学院 机械装备及控制系 红外技术的应用 1 军事目标的侦察、监视、预警与跟踪 如：红外制导；红外通信；军用夜视仪 2 医用红外检测 3 工业用红外检测及诊断 例如：热源探测，医用热像仪、温度测量与 过程控制、红外光谱分析、红外加热、红外遥 感、红外天文学等。 9机械工程学院 机械装备及控制系 第二节 基本辐射定律 n 黑体模型与基尔霍夫定律: 黑体就是说能吸收所有方向和波长入射辐射全部 能量的物体 在任一给定的温度下，辐射通量密度和吸收率之 比，对任何材料都是常数。 反射辐射Pr 辐射能Pi 吸收辐射Po 透射辐射Pt Po Pi + Pr Pi + Pt Pi = 1 Pi——入射总能量 10机械工程学院 机械装备及控制系 根据基尔霍夫基本定律可得到如下结论 ①在热平衡下，辐射能力强的物体，其吸收能力也强， 反之亦然。 ②好的反射体或透明体必然是不良的辐射体。 ③物体的吸收率不可能大于1，即吸收的能量不可能大于 辐射在它上面的能量。 ④对不透明的物体，辐射能量不是被吸收就是被反射， 所以通过测量反射率就可以确定吸收率。 11机械工程学院 机械装备及控制系 黑体的辐射曲线 n 实验测量数据可得 到两条很有用的经 验定律，即斯蒂芬 定律和维恩位移定 律 12机械工程学院 机械装备及控制系 普朗克定律 n 斯蒂芬定律（1879年） ：黑体的辐射出射度，包括 各种波长在内的总辐射功率与黑体温度(绝对温标)T 的 4次方成正比： W＝σT4 (W/m2) n 维恩位移定律 （1894年）：辐射出射度峰值波长λm 与黑体温度T 的乘积为常数： λmT ＝2897.8 n 普朗克定律：1900年，普朗克提出与经典理论完全不 同的能量量子化假设，建立了辐射出射度的公式： 13机械工程学院 机械装备及控制系 14机械工程学院 机械装备及控制系 第三节 红外辐射的传播 n 红外辐射在大气中的传播 大气对红外辐射的影响有以下几种： ①大气分子分立谱线或谱带的吸收及重发射。主要的吸收气 体是CO2和H2O。吸收是由振动－转动、纯转动能量变化引起 的，它强烈依赖于波长。 ②气体分子和直径远小于辐射波长的粒子引起的瑞利四射损 失。 15机械工程学院 机械装备及控制系 ③气溶胶和大小可与辐射波长相比拟的粒子的吸收、米氏散 射及重发射。在低层大气中这个因素占优势。 ④大气湍流引起的辐射强度变化、相位变化和光斑跳动。 ⑤热梯度、大气湍流造成大气折射率不均匀引起的散射和折 射。 ⑥大气红外自辐射。 16机械工程学院 机械装备及控制系 大气红外光吸收谱与大气窗口 17机械工程学院 机械装备及控制系 第四节 红外检测技术的应用 n 红外检测技术的特点： n 非接触检测 n 操作安全 n 灵敏度高 n 检测效率高 n 存在的缺点： n 温度值确定有一定难度 n 物体内部状况难以确定 n 设备价格昂贵 18机械工程学院 机械装备及控制系 红外检测的基本 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 n 主动式和被动式 n 表面温度判断法 n 相对温差判断法 n 热谱图分析法 19机械工程学院 机械装备及控制系 光热辐射测量技术 n 在受照射的物质表面及其附近的空气中或样品内部 引起周期性温度梯度，从而引起折射率的梯度变 化，即光热效应； n 周期性热流使周围的介质热胀冷缩，在表面附近的 空气中或物质内部产生周期性压力（或压力）变 化，从而激发声波，即热声效应。 n光声效应是上述两个效应的叠加。 20机械工程学院 机械装备及控制系 吸收光谱图 21机械工程学院 机械装备及控制系 光热效应几种常用技术： n 声光气体盒探测器 n 压电探测法 n 热点探测法 n 光束偏移法 n 光热辐射法 22机械工程学院 机械装备及控制系 光热辐射检测技术 n 样品被调制光束激励而产生温度变化，对样品 所产生的红外热辐射的相应变化进行测量和分 析 23机械工程学院 机械装备及控制系 常用红外检测设备 (1)红外测温仪：辐射测温，非接触式 优点： Ø 非接触式远距离测量 Ø 响应速度快：响应时间在ms或μs级 Ø 灵敏度高：可测温差在0.2℃ Ø 测温范围广:从零下几十度至高温上千度 类型： ² 全辐射测温：通过收集物体发出的整个光谱范围的全部辐射能量来 确定温度。实际只是较宽波段范围内的大部分辐射能量。 根据斯蒂芬－波尔兹曼定律： 式中：ε－表面发射率，σ－波尔兹曼常数 24机械工程学院 机械装备及控制系 红外测温仪 需要经过黑体标定： 黑体辐射功率: 若两者功率相等，则： 得： ² 单色测温：通过测量目标在某一辐射光谱波段内的辐射功率来 确定目标温度。 波长λ越短，测量误差越小。 25机械工程学院 机械装备及控制系 红外测温仪 ² 比色测温：全辐射测温和单色测温都必须知道物体的发射率，给测量带 来不便。比色测温是根据两个波段辐射能量的比值来确定物体的温度。 两个波长的辐射功率比为： 整理可得： 提高测量精度关键在于两个波长的选择，尽可能使两个波长处的发射率相近 26机械工程学院 机械装备及控制系 热释电效应 在某些晶体中，由于温度变化而引起电极化状态改变的 现象，称为热释电效应。 热释电效应的应用是红外探测器。 波长为2～1000微米的电磁波称为热红外线。 红外探测器可以得到人眼看不见的物体表面温度分布图， 称为热图。即红外成像图。 常用红外探测器分为两类： Ø热探测器：红外辐射照射探测器灵敏面，使其温度升高， 导致某些物理性质发生变化，实现红外辐射检测。 灵敏度较高，响应时间快 Ø光子探测器：吸收红外辐射后，引起探测器灵敏面物质的 电子态发生变化，实现红外辐射的检测。 高灵敏度（比热释电高两个数量级），需要制冷 27机械工程学院 机械装备及控制系 (2) 红外热像仪 n 类型： Ø 光机扫描热像仪（第一代） 物体表面温度分布借助红外辐 射信号的形式，经光学系统和 光机扫描机构成像在红外探测 器上。 Ø 焦平面红外热像仪（第二代） 把探测器放在物镜的焦平面 上，类似感光的形式来得到物 体表面温度分布的红外反射信 号，形成红外热像图。 28机械工程学院 机械装备及控制系 红外热像仪 n 应用： Ø军事应用：目标探测、通信和夜视 Ø工业应用： u电力设备的安全检测，局部温升，接触开关过热； u石化设备的检测，液位检测，管线检测， 施工 文明施工目标施工进度表下载283施工进度表下载施工现场晴雨表下载施工日志模板免费下载 质量 检查； 29机械工程学院 机械装备及控制系 30机械工程学院 机械装备及控制系